Existen dos formas generales empleadas en la detección de las averías o Fallas de Alta Impedancia: Métodos Mecánicos y Eléctricos. Los métodos mecánicos son más costosos, pero mucho más precisos que los métodos eléctricos.
Los Métodos Mecánicos son dos tipos y se enumerarán: 1. La instalación de un dispositivo en el poste.
2. La instalación de un dispositivo en los conductores.
Existe un dispositivo que se conecta entre el conductor y el poste. Este dispositivo detecta el peso de un conductor caído y acciona un muelle que conecta el conductor de la red con el neutro del poste y con esto se provoca un cortocircuito de mayor magnitud que es desconectado por las protecciones de fase convencionales.
Otro dispositivo se conecta en el neutro y es una varilla de aluminio conectada al neutro con un gancho en el otro extremo. Esta varilla captura los conductores de fase que quieren
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caer al suelo y provocan cortocircuitos a tierra de gran magnitud los cuales son desconectados por las protecciones de sobre corrientes de las redes.
El primero de estos métodos mecánicos puede detectar no solo la caída de un conductor sino también las oscilaciones fuertes producto al viento o las tempestades, pero no pueden detectar los arcos eléctricos debido a la pérdida de condiciones dieléctricas de los aisladores (figura 19).
Los métodos eléctricos son varios y se enumerarán: 1. Sistema para el análisis de los Fallos de Alta
Impedancia
2. Detección de conductor abierto
3. Monitoreo Digital de los Alimentadores
El Sistema para el Análisis de los Fallos de Alta Impedancia se basa en el cálculo del valor fasorial de tercer armónico y compararlo con el voltaje fundamental de fase. Existe una relación diferente
entre el fasor de tercer armónico y el voltaje fundamental de la fase fallada y no fallada. El relé calcula continuamente un promedio del fasor de tercer armónico en régimen normal y lo almacena. Cuando ocurre una avería de alta impedancia el relé calcula el fasor de tercer armónico y se lo substrae al valor almacenado. El relé toma la decisión tomando en cuanta la magnitud del valor calculado y si el ángulo está en la dirección correcta según la caída de un conductor. Este método utiliza corriente y voltaje empleando un tipo por cada alimentador de distribución.
El otro método de medir la posible caída de un conductor utiliza la medición a ambos extremo de las líneas. Cuando el voltaje en el extremo final de un ramal cae por debajo de un valor específico, se transmite esta información hacia al otro extremo inicial de la línea utilizando el cable neutro. Si el voltaje al principio de la red está presente y en un nivel correcto en el extremo inicial este dispositivo desconecta la línea.
Figura 19. Espectro de Frecuencia del Arco
La última técnica y más avanzado conocida como Monitoreo Digital de los Alimentadores emplea un algoritmo con numerosos pasos, procedimientos, o sub-algoritmos los cuales se enumerarán:
1. Algoritmo energético 2. Algoritmo Aleatorio
3. Algoritmo Experto de Detección de Arco Eléctrico 4. Algoritmo Detector de Eventos en la Carga
5. Algoritmo de Análisis de la Carga 6. Algoritmo de Substracción de la Carga.
7. Algoritmo de Análisis del Patrón de Estallido del Arco Eléctrico 8. Algoritmo de Análisis Espectrales
9. Algoritmo de Identificación de Sospecha de Arco
Todos estos sub-algoritmos se emplean en los actuales relés digitales y cada uno tiene una función determinada en todo el proceso general. Este algoritmo general deriva en cuatro resultados concretos (figura 20):
1. Alarma por Sospecha de Arco Eléctrico. 2. Alarma por Arco Eléctrico
3. Conductor Caído
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Figura 20. Diagrama de Bloques del Método Avanzado de Detección de Falla de Alta Impedancia.
El algoritmo mide corriente y voltaje de fase. Las corrientes se amplifican y se hacen pasar por un filtro de armónicos pares e impares, así como inter-armónicos. Estos armónicos e inter-armónicos se hacen pasar por el sub-algoritmo Energético y de Aleatoriedad. La salida de estos dos algoritmos, se envían al algoritmo experto y al de sospecha. El algoritmo experto además de estos dos entradas también utiliza la salida del algoritmo detector de eventos en la carga.
Los algoritmos de Substracción de la Carga, de Análisis del Patrón de Estallido del Arco y de Análisis Espectral utilizando tanto corrientes como voltaje. Todos estos sub- algoritmos emplean envían señal al Algoritmo de Análisis de la Carga. Este algoritmo de Análisis de la Carga también recibe señal del Algoritmo Experto. Este último algoritmo es el encargado de identificar si existe un conductor caído y en que fase a ocurrido la avería de alta impedancia.
El método energético utiliza el espectro de frecuencia de los componentes armónicos, inter-amónicos de la señal de corriente. En la figura 21 se muestra la forma del espectro de frecuencia durante un fallo de alta impedancia.
Figura 21. Espectro de Frecuencia del Arco de Alta Impedancia.
Este método energético analiza las corrientes de las fases y del neutro. Monitorea los 3 armónicos superiores impares y pares (60 Hz, 180Hz y 300 Hz), así como los inter- armónicos (30 Hz, 90Hz, 150 Hz). Este método busca crecimiento sorpresivo y sostenido de cualquiera de estos componentes. Una vez detectado cualquier crecimiento sostenido de la amplitud de alguna de estas componentes, se le envía al Algoritmo Experto. Si se habla de 4 fases y se analizan 3 componentes de las corrientes (armónicos pares, impares e inter-armónicos), entonces son 12 algoritmos básicos los que pasarían al Análisis Experto.
El método de detección de Aleatoriedad utiliza los mismos componentes de la corriente que se emplean en el método energético. A diferencia del método energético este se basa en el comportamiento de la señal de la componente de corriente entre un medio ciclo y otro (figura 22).
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En ves de determinar una subida sostenida de una componente de corriente, este método de aleatoriedad detecta una variación súbita de la componente seguida por un movimiento errático y aleatorio.
Los dos métodos básicos explicados detectan sospechosos eventos en los componentes de las corrientes de fase y de neutro. Estos eventos sospechosos que resultan de los 24 algoritmos básicos que salen de los algoritmos energéticos y aleatorios son enviados al algoritmo experto para descifrar o analizar estas sospechas.
Estos 24 algoritmos básicos pueden resultar en sospechas de arco eléctrico o en eventos concretos y seguros de arcos eléctricos de alta impedancia. Para diferenciarlos se emplean los Métodos Expertos y de Sospecha de Arco Eléctrico.
El método Experto asimila los 24 eventos básicos y los concreta en un Nivel de Confidencialidad de Arco Eléctrico Seguro por cada una de las fases. Este método le asigna un peso o un índice de importancia a cada uno de los eventos ingresados y cuenta cuantos de ellos se están produciendo. Los pesos permiten diferenciar entre la cantidad de un mismo evento o componente que está indicando la presencia de arco, con una cantidad de eventos que indican la presencia de arco eléctrico. Es decir, las salidas de los algoritmos básicos se estudian un tiempo adicional y si los resultados de los eventos de cada componente son consecutivos entonces se tendrá la seguridad de Arco Eléctrico. El algoritmo Experto también recibe señales del sub-algoritmo de análisis de eventos en la carga. Este método de análisis de eventos de la carga utiliza dos ciclos de la señal de corriente de cada una de las fases y el neutro. Este método busca los siguientes eventos:
1. Condición de sobre corriente. 2. Pérdida de Carga precipitada.
3. Elevado tasa de cambio y oscilaciones. 4. Eventos trifásicos significativos.
5. Condición de Interruptor abierto.
Estos eventos son utilizados por el Método Experto y el Método de Análisis de la Carga. Este último se necesita para diferenciar si es un arco eléctrico con los conductores intactos
o es un arco eléctrico provocado por un conductor caído. El método Experto utiliza estos eventos para coordinar con los elementos de sobre corriente por ejemplo o para detectar la apertura de un interruptor.
El Método de Sospecha de Arco Eléctrico toma en cuanta cada uno de los algoritmos básicos de forma individual. Contando los eventos de un solo componente a la vez, no se podrá garantizar le presencia de Arco Eléctrico producto a una Falla de Alta Impedancia, pero se podrá presentar una sospecha de Arco Eléctrico.
El Método de Subtracción de la Carga es un método básico que inspecciona las corrientes de arco eléctrico en el neutro. Busca una zona inmóvil o estable en la corriente del neutro y la considera la corriente de carga. Esta corriente es restada a la señal de corriente total y como resultado se queda una señal correspondiente solo a la avería. Esta señal que contiene la señal de corriente del neutro correspondiente solamente al Arco Eléctrico es enviada al Método de Análisis del Patrón de Estallido del Arco Eléctrico.
El Método de Análisis del Patrón de Estallido del Arco Eléctrico utiliza la información de la corriente del Arco Eléctrico en el neutro y el voltaje de fase. Este método intenta identifica la información de la fase fallada basado en la correlación entre la señal de corriente del Arco Eléctrico en el neutro y Voltaje de fase. El resultado de esta información es enviada al Método de Análisis de la Carga.
El otro método básico es el método de Análisis del Espectro. Este método utiliza la corriente de inter-armónico de la corriente del neutro. Analiza y compara esta corriente de inter-armónico en el neutro con los espectros de inter-armónicos de los arcos eléctricos. La mayor correlación es el resultado y se envía al método de Análisis de la Carga.
El último método es el método de Análisis de la Carga. Este recibe información del Método de Análisis Experto del Arco Eléctrico y de los Métodos de Análisis del Espectro y del Análisis del Patrón de Estallido del Arco Eléctrico. La función de este método es identifica un arco eléctrico con el conductor íntegramente conectado o un conductor caído al terreno. El Método de Análisis de la Carga busca una disminución precipitada de la carga y/o una sobre corriente antes del arco eléctrico. Estos eventos le dicen que se trata de un conducto
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caído y en contacto con el terreno. En la figura 11, anteriormente mostrada, se observa una forma de onda típica de un conductor caído y en contacto con tierra.
Otra responsabilidad del Método de Análisis de la Carga es busca la fase donde ha ocurrido el Arco Eléctrico de Alta Impedancia o la Caída del Conductor. La primera identificación se realiza buscando en una fase una disminución de la corriente o un incremento súbito. Si no existe una única fase con una disminución o un incremento en la corriente, entonces se busca el nivel de confiabilidad de la existencia de Arco Eléctrico de cada fase, este índice es ofrecido por el Método de Análisis Experto. Si una fase tiene un nivel de confiabilidad de la existencia de Arco Eléctrico mayor del 25% del resto de las fases, esta fase es identificada como la fase fallada. Si no existe esta diferencia, entonces no se podrá identificar la fase fallada.
Uno de los tipos de fallas que no podrá ser identificada es la caída de un conductor al final de la red, donde no existe carga eléctrica. Si este conductor no hace contacto con el terreno, es decir, está colgando a una altura prudencial, este no podrá ser detectado por este complejo algoritmo. Igualmente, si el conducto al final de la red, cae en un terreno seco, no producirá arco eléctrico y por tanto, no podrá ser detectado.
Del 10 al 20 % de los Arcos Eléctricos o las Caídas de los Conductores no podrá ser detectado por este método. El resto 80% de estos fallos podrán ser detectado y se podrán tomar las decisiones apropiadas.
Si el sistema está energizado el arco eléctrico este se puede localizar de forma visual por la luz, el sonido, radio interferencia y pérdidas en las redes, pero si las redes están des- energizada, ninguna de estos métodos serviría. De ahí que no siempre se decide desconectar el alimentador. Si la red alimenta una zona muy poblada con iglesias, escuelas y zonas residenciales se pueden decidir que la detección del Arco Eléctrico provoque la apertura del alimentador.
Si la red alimenta un hospital una zona industrial de muy alta prioridad puede que la detección del Arco Eléctrico solo provoque una alarma para que las brigadas de operadores de líneas salgan a inspeccionar la red y localizar visualmente la posición de la avería.
1.10 Conclusiones
Al conectar un alimentador de distribución pueden ocurrir regímenes normales con corrientes elevadas, que pueden ser detectadas por las protecciones. Los regímenes normales que pueden provocar desconexiones incorrectas son: las corrientes de Inrush y los picos de carga fría.
Existe un tipo de avería conocida como Fallo de Alta Impedancia que por su magnitud (casi siempre por debajo de los 50 A) no pueden ser detectada por las protecciones convencionales de sobre corriente. Uno de este tipo de avería es la caída de un conductor al terreno y pueden ser muy peligrosas para los seres humanos o animales que hacen contacto con el conductor electrificado.
Existen numerosos problemas comunes en las protecciones de los alimentadores. Los problemas más frecuentes son los siguientes: desconexiones de las protecciones sin causa aparente, es decir, se busca la avería y no se encuentran. Las protecciones no dejan conectar el interruptor, luego de una desconexión y no encuentran las averías.
Todos los problemas en las protecciones de los alimentadores se deben a incorrectos ajustes de los relés empleados en los mismos. Se emplean relés de sobre corriente de fase y de tierra, instantáneas y temporizadas.
Para el cálculo de los ajustes de los relés de fase, se deben cumplir numerosas exigencias. Estos relés no deben accionar con regímenes normales transitorios en las redes, igualmente deben coordinar con los fusibles de la red, pero al mismos tiempo deben proteger los cables y al transformador de potencia de la subestación.
Los relés de tierra igualmente deben cumplir numerosas exigencias, pero lo fundamental es que estos no reaccionan a regímenes simétricos, sino solo a regímenes con componentes de secuencia cero. Estos relés no deberían responder a desbalances permisibles en las redes, coordinar con los fusibles y al mismo tiempo, deben proteger los cables y el transformador de potencia.
El recierre o la reconexión del interruptor del alimentador traen numerosas ventajas, dado que la mayoría de las averías en las redes tiene carácter transitorio. Los recierres mejoran la calidad de la energía a la mayoría de los consumidores.
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Para detectar las fallas de alta impedancia se emplean métodos mecánicos y eléctricos. Los métodos mecánicos son más caros pero detectan casi todos los tipos de averías que provocan la caída o la rotura de un conductor. Los métodos eléctricos son complejos y no del todo fidedignos, es decir, no se pueden detectar el 100% de las averías o conductores caídos.
Estudio Independiente
Repasar los métodos de cálculo de cortocircuitos para redes de distribución y analizar su variabilidad con las condiciones de cambios de generación y cambios de calibre de conductores.
Analizar el impacto de la resistencia de la falla y la resistencia de tierra en la magnitud de la avería calculada. Así mismo analizar las ventajas del sistema ecuatoriano con neutros multi- aterrizados para el valor de las fallas monofásicas y su impacto en las protecciones.
Preguntas de control
1. ¿Usted considera que se puede calcular los valores de ajustes de los relés de los alimentadores sin conocer los niveles de corrientes de cortocircuito?
2. ¿Conoce usted la misión de los relés instalados en los alimentadores de la subestación? 3. ¿Cuáles son los problemas comunes que aparecen en las protecciones instaladas en los
alimentadores de la subestación?
4. ¿Qué regímenes normales pueden provocar que se produzca una desconexión y no se encuentre la avería?
5. ¿Cuáles son las ventajas de la re-conexión automática de los interruptores de los alimentadores de la subestación?
Motivación de las próximas clases
En las próximas clases se harán ejercicios teóricos y prácticos donde se podrán afianzar los conocimientos aprendidos en esta conferencia. Los ejercicios ya están preparados para presentar y profundizar en los diferentes métodos de ajustes de los relés de la subestación.
La próxima conferencia tratará sobre las protecciones de las barras de la subestación de distribución. Se hará referencia a las protecciones de sobre corrientes y su coordinación, así como resolver los problemas de desconexiones demoradas para averías en la barra.