República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación,
ciencia y tecnología.
Instituto Universitario de Tecnología de Valencia Valencia Edo. Carabobo
Sección 02AT Integrante: Plua Jonathan
Trayecto IV, trimestre II. Profesor: ING. Luciano Santaella. Valencia, Julio de 2015.
PROTECCIÓN
DE
PROTECCIÓN DE DISTANCIA.
Las protecciones de distancia se utilizan, generalmente, para proteger las líneas de trasmisión, así como las líneas de distribución interconectada como también en las líneas radiales. Actúan como la protección principal para las líneas aéreas, cables y además proporcionan respaldo a los equipamientos adyacentes, como barras, transformadores y otras líneas o cables. Las protecciones de distancia son más rápidas y selectivas que las protecciones de sobrecorriente. También son menos susceptibles a los cambios en la impedancia y condiciones del sistema.
FUNDAMENTOS DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA
Dado que la impedancia de una línea es proporcional a su longitud, para la medida de la distancia es conveniente utilizar protecciones que sean capaces de medir la impedancia de la línea en una determinada ubicación del sistema de potencia. Este tipo de protección se denomina protección de distancia y está designada para operar para faltas que ocurran entre la ubicación de la protección y un punto determinado (ajuste).
MEDIDA DE LA DISTANCIA.
La protección de la distancia se basa la medida de la relación entre la tensión y corriente medidas en el punto de ubicación de la protección. La impedancia de secuencia positiva medida se compara con la impedancia réplica de la línea. Si la impedancia medida es menor a la impedancia ajustada, se considera que la falta es interna a la zona y la protección opera.
El relé de distancia está conectado a la línea a través de los transformadores de medida.
Suponemos que ocurre una falta a una distancia nZLΩ desde el relé. Dado
que la tensión en el lugar de la falta es: VF = 0V,
la tensión en el relé es: VR = IR.nZL.
Es decir: VR/IR = IR.nZL/ IR = nZL
MEDIDA DE LA DISTANCIA.
Esto implica que la protección de distancia puede llegar a la decisión de operar solo con las medidas de tensión y corriente medidas en la ubicación del relé (locales).
Según el tipo de falta se deben utilizar diferentes expresiones para determinar la distancia:
Falta trifásica FFF :
Falta fase-fase FF :
Falta fase-tierra F+T con resistencia de falta :
Falta fase-tierra F+T con resistencia de falta :
Se muestra la impedancia Z = V/I para diferentes valores de RF y
condiciones de carga.
Las protecciones están conectadas a los transformadores de corriente y tensión, por lo cual las protecciones miden impedancias secundarias, las cuales resultan de la siguiente fórmula:
Zsec = (Iprim/Isec)/(Uprim/Usec).Zprim
Los ajustes de los relés son realizados en valores de impedancia secundarias.
DIAGRAMA DE IMPEDANCIA.
El diagrama de impedancia es una herramienta esencial en el momento de evaluar el comportamiento de la protección de distancia. En ese diagrama se representa, en el plano complejo R-X, la característica del relé, la impedancia de carga y la impedancia de falta. En el diagrama, la relación de las tres impedancias es un indicador del desempeño del relé.
La línea es protegida por una protección de distancia, a instalar en G. Se toma G como el origen, pues es el punto de medida de la tensión, la impedancia ZL se gráfica en el primer cuadrante y la impedancia ZS en el tercer cuadrante.
CARACTERÍSTICA DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA.
Las protecciones de distancia tradicionales comparan la impedancia de falta con una impedancia réplica (ajustada) para determinar si la falta está dentro o fuera de la zona protegida.
Las protecciones más comunes comparan la amplitud relativa o el ángulo relativo entre 2 o más señales de entrada para obtener la característica de operación, las cuales pueden ser círculos o rectas en el diagrama R-X.
Los elementos de distancia que se basan en el principio de comparar señales, generalmente comparan las tensiones y corrientes en la ubicación de la protección.
Hay muchos métodos disponibles, que dependen de la tecnología usada. Ellos varían desde los métodos usados en los relés electromecánicos como los comparadores de fase ("induction cup") y los comparadores de amplitud ("balaced-beam"), a los métodos usados en relés de estado sólido (comparadores con
diodos y amplificadores operacionales), a los algoritmos usados en los relés numéricos.
CARACTERÍSTICA DE OPERACIÓN UTILIZANDO COMPARADORES DE FASE.
Señal de polarización: Vpol = V
Señal de operación: Vop = IZ − V, Z=impedancia réplica
Si arg(Vpol, Vop) > 90° opera (Z dentro de la zona protegida)
La característica de operación más conocida es la característica MHO. Cuando se dibuja en el diagrama R-X, esta característica es un círculo cuya circunferencia pasa por el origen.
Esto demuestra que la característica de operación es direccional y opera para faltas solo hacia adelante, en la dirección de la línea AB.
Zn: determina el alcance de la zona.
: es el ángulo característico de la protección, generalmente es el ángulo de la ϕ
impedancia de la línea.
Los relés que utilizan características de operación del tipo MHO "self-polarized", u otras características que utilizen la misma polarización, pueden fallar y no operar para faltas cercanas a la ubicación de la protección, cuando la tensión medida cae a valores cercanos a "cero".
Para cubrir este tipo de falta se utilizan otras características de operación, como características MHO con "offset", características "cross-polarised", direccionales con tensión memorizada.
La características de operación MHO con "offset", además de operar para faltas cercanas a la ubicación del relé, también opera para faltas en la barra de la estación.
CARACTERÍSTICA MHO CROSS-POLARIZED.
Una forma de asegurar que una característica MHO responda correctamente para falta con tensión cero, es polarizar con las tensiones sanas. Este método se denomina "cross-polarized", y tiene la ventaja de mantener las propiedades de la característica MHO. Utilizando la tensión memorizada, se mantiene la tensión pre-falta por varios ciclos por lo cual este método es efectivo para faltas con tensión "cero".
Se hace notar que aunque la característica de operación MHO "cross-polarized"se extienda en los cuadrantes de reactancia negativa, esto no implica que la protección opera para faltas hacia atrás. Esto es así porque la característica es válida solo para corriente que fluyen de la fuente hacia la línea. La zona hacia atrás solo permite disparo para corrientes capacitivas.
CARACTERÍSTICA CUADRILATERAL.
La característica cuadrilateral permite ajustar el alcance hacia adelante y el alcance resistivo en forma independiente. Para la líneas cortas, esta característica permite una mejor cobertura resistiva que la característica MHO.
La característica de operación poligonal es más flexible para cobertura de resistencia de falta, tanto para fases como para tierra. Por esta razón, las protecciones de distancia tanto digitales como numéricas ofrecen este tipo de característica.
IMPLEMENTACIÓN.
Los elementos de distancia pueden operar con alguna de las características de operación ya descritas. Actualmente, existen varios tipos de protecciones de distancia, los cuales dependen de la velocidad de operación requerida, el costo del equipamiento o la capacidad requerida en las protecciones numéricas.
Los tipos más comunes son:
- con un único elemento de medida de la impedancia por cada fase.
- con un elemento de arranque que detecta la fase o fases en falta. Los elementos de arranque conmutan al único elemento o algoritmo de medida para medir la impedancia de falta apropiada.
- con elementos de medida de impedancia por cada bucle de impedancia y el alcance aumenta progresivamente a medida que se pasa el tiempo de cada zona.
- con elementos de medida por cada bucle de medida, en cada zona. Este esquema es el que ofrece el desempeño mejor, en términos de velocidad y flexibilidad.
Con la tecnología electromecánica, cada elemento de medida tiene un relé separado, por lo cual la protección de distancia termina ocupando un panel completo. Las protecciones de distancia con tecnología digital - numérica tienen la posibilidad de implementar todas las funciones en software.
ELEMENTOS DE ARRANQUE.
Las protecciones de tecnología electromecánica y estática muchas veces no tiene elementos de medida de impedancia por fase. El costo y el tamaño que alcanza la implementación hacen que este tipo de esquema sea impracticable. En las protecciones que se denominan protección conmutada, solo se tiene un elemento de medida, que trabaja junto con el elemento de arranque. El elemento de arranque detecta la/las fase/fases en falta, de manera de conmutar las señales adecuadas al único elemento de medida.
Hay varias técnicas diferentes que se utilizan como elementos de arranque, los más comunes están basados en:
- sobrecorriente. Se debe asegurar pueda operar para faltas en toda la zona protegida.
- subtensión
- subimpedancia. Generalmente se utilizan en redes donde hay múltiples aterramientos.
En las protecciones numéricas se detecta la/las fase/fases en falta por un método que se denomina selección de fase. Hay varias técnicas diferentes que se utilizan como selección de fase, como:
- comparando las corrientes (algoritmo "Delta"), que compara los valores prefalta con los valores de falta de la corriente. Esto permite una detección muy rápida de la/las fase/fases en falta.
- cambios en la magnitud de la tensión
- cambios en la magnitud de la corriente.
DIRECCIONALIDAD.
La dirección de la falta puede determinarse por el ángulo relativo entre la tensión de falta y la corriente de falta. Un requisito es que la protección mida una impedancia inductiva, donde la tensión siempre adelanta a la corriente. Esto es lo normal en los sistemas eléctricos de potencia.
Faltas con cero tensión:
Para faltas delante o detrás del transformador de tensión, la impedancia de falta se hace muy pequeña (teóricamente es cero), por lo cual tomar una decisión en cuanto a la dirección es imposible. Esta zona donde no se puede tomar ninguna decisión en cuanto a la dirección, se denomina zona muerta. Para estas faltas, la solución radica en la utilización de una dirección pre-seleccionada. En algunos países se utilliza una pre-selección de dirección hacia adelante mientras que otros prefieren la dirección hacia atrás.
Carga por la línea:
En líneas de trasmisión largas, la determinación de la dirección está influenciada por la corriente de carga pre-falta debido al ángulo entre tensiones en ambos extremos de la línea.
Cross-polarization:
La polarización cross-polarization y la polarización por tensión memorizada se utilizan en las protecciones para líneas de trasmisión.
El principio de cross-polarization utiliza las tensiones de fase sanas para determinar la dirección. En el caso de una falta trifásica, no hay tensiones sanas disponibles. Para esta eventualidad, los relés modernos usan una tensión memorizada; la cual almacena la tensión de polarización previa a la falta. Esto asegura que hay tensiones sanas disponibles para determinar la dirección de la falta.
PROTECCIÓN DE DISTANCIA ESCALONADA.
Subalcance (underreach) : es una forma de protección en la cual los relés no operan en forma instantánea para faltas en el terminal remoto del equipo protegido.
Sobrealcance (overreach) : es una forma de protección en la cual los relés operan en forma instantánea para faltas más allá del terminal remoto del equipo protegido.
ZONAS DE OPERACIÓN.
ZONA 1:
El extremo remoto de las zonas de las protecciones de distancia no se pueden determinar en forma precisa, por lo cual no se tiene certeza sobre el alcance real (selectividad relativa). Estas incertidumbres son debidas a los errores
de los transformadores de medida, a los errores en el cálculo de la impedancia, etc. Lo ideal es que todas la faltas en el equipo protegido sean despejadas en forma instantáneas. Por lo tanto, debido a los errores y para estar seguro de no sobrealcanzar el extremo remoto, se acepta una zona de subalcance: Zona 1.
AJUSTE ZONA 1:
Generalmente se ajusta el alcance de Zona 1 entre el 80 % - 90 % de la impedancia de la línea y opera en forma instantánea. La zona 1 no protege toda la línea de trasmisión, el área entre el final de la zona 1 y el extremo remoto no está protegido.
ZONA 2:
Las protecciones de distancia están equipadas con otra zona, que sobrealcanza más allá del extremo remoto de la línea de trasmisión. Esta zona es conocida como Zona 2, y debe ser más lenta que la zona 1, de manera de permitir que la zona 1 de la línea adyacente opere. Este tiempo de coordinación, para la zona 2, es generalmente de orden de 0.3s a 0.5s.
AJUSTE ZONA 2.
Generalmente se ajusta el alcance de Zona 2 entre el 120 % - 150 % de la impedancia de la línea. El ajuste de zona 2 de la línea protegida deber ser menor a los alcances de zona 1 de las líneas adyacentes. Si esto no se cumple, hay faltas que compiten las dos zonas 2 y pueden conducir a que operen las 2 líneas. La zona 2 también actúa como protección de respaldo de parte de las líneas adyacentes.
De manera de tener una protección de respaldo para las líneas adyacentes, se habilita otra zona. Esta zona de protección se denomina, Zona 3. La zona 3 debe coordinar en tiempo y distancia con las zonas 2 de las líneas adyacentes.
AJUSTE ZONA 3.
Generalmente se ajusta el alcance de Zona 3 entre el 120 % - 180 % de la impedancia de la línea adyacente. La temporización de la zona 3, generalmente se ajusta en el orden de 0.9s - 1.2s.
AJUSTE ZONA REVERSA (HACIA ATRÁS):
En las protecciones numéricas se pueden tener otras zonas de manera de tener funciones de protección adicionales. La zona 4 se puede ajustar para atrás de manera de dar un respaldo local para faltas en la barra (hacia atrás).
