• Author / Uploaded
• jose125

• Categories
• Relé
• Impedancia eléctrica
• Transformador
• Ingeniería de fiabilidad
• Resistencia eléctrica y conductancia

Citation preview

SEMINARIO

SEGURIDAD, RIESGO, CALIDAD Y PROTECCIONES ELÉCTRICAS PROTECCIÓN DE LINEAS DE TRANSMISION Jorge Juan Vásquez Ricardo

UNIVERSIDAD NACIONAL MEDELLÍN 5 al 7 de junio de 2006

CONTENIDO •

INTRODUCCIÓN

•

MARCO TEÓRICO

•

SELECCIÓN DEL ESQUEMA DE PROTECCIÓN Y DE LOS CRITERIOS DE AJUSTE

•

CONCLUSIONES

•

MISCELÁNEA

Introducción La protección de líneas de transmisión es una de las disciplinas más importantes en el área de la protección de sistemas de potencia. Exige un conocimiento apropiado del marco teórico asociado que sirva de soporte a los estudios y análisis necesarios para determinar la forma más adecuada de brindar protección a una línea de transmisión, teniendo siempre presente el sistema al cual está conectada.

Introducción (Cont) Aunque estos aspectos abundan en la literatura, para el desarrollo de la charla se plantearán los temas de la filosofía y los requerimientos de las protecciones, se orientará el estudio hacia el aspecto de fallas a tierra de alta impedancia, analizando los tipos de relés y esquemas de teledisparo adecuados y se propondrán los criterios de ajuste generales.

Introducción (Cont) Se tendrán en cuenta las recomendaciones de la IEEE en su guía para la protección de líneas de transmisión, para finalmente llegar a la selección de un esquema que, definiendo los criterios y su adecuada aplicación, constituya una de las posibles alternativas de solución entre varias. Los pasos específicos para desarrollar este procedimiento son los siguientes:

Introducción (Cont) • Filosofía y requerimientos de un sistema de protecciones. • Dificultades asociadas con la protección de fallas a tierra • Clasificación de la línea. • Análisis general de las protecciones de distancia y de sobrecorriente direccional. • Esquemas de Teledisparos • Esquema y criterios de ajuste seleccionados • Conclusiones

Filosofía y requerimientos de un sistema de protecciones La filosofía de protecciones es un compendio de criterios basados en factores como las características del sistema, los requerimientos exigidos al sistema de protecciones y sus atributos y el tipo de esquemas en los cuales se materializará dicha filosofía. Está sujeta a la experiencia, prácticas desarrolladas y a la forma como es planeado, diseñado y operado el sistema.

Requerimientos:

Confiabilidad. Es la propiedad de un sistema de protecciones de operar correctamente y se caracteriza por dos componentes: La fiabilidad, que es el grado de certeza de que el sistema de protección operará correctamente, es decir, su habilidad para operar cuando debe hacerlo. El otro principio es la seguridad, que es el grado de certeza de que el relé no operará incorrectamente, significa que el sistema no debe operar en ausencia de falla.

De estos dos conceptos, se ha considerado de mayor importancia el de la fiabilidad, basándose en el hecho de que en ciertas circunstancias puede ser soportado un disparo inseguro si el sistema tiene la habilidad de seguir transmitiendo su energía por diferentes caminos. Por el contrario, las consecuencias de una falla no aclarada en términos de daños a equipos o efectos en la integridad del sistema, son inaceptables.

Como ilustración de estos conceptos, en condiciones normales de operación, la falla F debe ser despejada por los relés R1 y R2 por intermedio de los interruptores B1 y B2. Si R2 no opera para esta falla, el relé pierde confiabilidad por una pérdida de fiabilidad. Pero si el relé R5 opera haciendo abrir el interruptor B5 para la misma falla antes de que el interruptor B2 la aclare, entonces R5 perdió confiabilidad por una pérdida de seguridad.

Fiabilidad, seguridad y selectividad

Selectividad. Es la habilidad de un sistema de protección de determinar adecuadamente la ubicación de una falla y aislarla, al tiempo que minimiza la porción de sistema que sale de servicio. Cuando ocurre una falla, se debe despejar por los relés adyacentes a la misma, evitando la salida de otras porciones del sistema. La selectividad se define en términos de zona de protección de la cual un determinado relé es responsable y será selectivo si responde solo para fallas dentro de su zona asignada. Un caso no selectivo podría ser también el del relé R5 de la Figura anterior.

Velocidad. Los relés deben eliminar las fallas en el menor tiempo posible. Sin embargo, deben tomarse cierto tiempo en la toma de una decisión con alto grado de certeza. La relación entre la respuesta del relé y el grado de certeza con el que opera es inversa, por lo que los requerimientos de velocidad deben determinarse muy cuidadosamente, teniendo en cuenta que si la protección es muy lenta el sistema puede desestabilizarse y los equipos pueden sufrir daños, pero si la protección es demasiado rápida se pueden ver comprometidas la seguridad y la selectividad.

Sensibilidad. Es la capacidad de detectar todo tipo de fallas. Se refiere a las mínimas cantidades actuantes con las cuales se debe ajustar el relé para que detecte una condición anormal. Hay que tener en cuenta factores afectan la sensibilidad como las fallas de alta impedancia, altos valores de SIR y desbalances del sistema. Simplicidad. La solución a situaciones difíciles debe hacerse tan simple como sea posible, lo cual se aplica también al diseño de los sistemas de protección. La probabilidad y las consecuencias de un error humano en la aplicación u operación de una solución muy compleja, pueden ser, con mucho, peores que los problemas que supuestamente deben resolver. Es necesario ser cuidadosos con los relés multifuncionales en la implementación de ciertas aplicaciones, pues una aplicación incorrecta o incompleta puede tener consecuencias más graves que si no se implementaran.

Redundancia. Esta característica se logra con esquemas de protección duplicados, protección de respaldo local, respaldo remoto. Además de los relés, es necesaria la duplicidad de los sistemas de alimentación de DC, los núcleos de los TCs, las bobinas de disparo. Por consideraciones de costo, el interruptor no se duplica, pero se debe instalar una protección contra falla de interruptor.

Dificultades asociadas con la protección de fallas a tierra Algunas de las dificultades asociadas con la protección contra fallas de alta impedancia a tierra que reducen significativamente su habilidad para detectarlas en forma segura y confiable son las siguientes: • Efecto de un sistema no homogéneo en los elementos de reactancia • Efecto del acoplamiento mutuo de secuencia cero • Influencia del infeed remoto para fallas a tierra de alta impedancia • Estimación incorrecta de la impedancia de secuencia cero de la línea

• Efecto de un sistema no homogéneo en los

elementos de reactancia

Cuando las fuentes del sistema vistas desde un lado y otro de la línea tienen una relación X/R diferente (Desigualdad del ángulo de la impedancia de la fuente y de la línea), dan lugar a un error en la medida de la distancia a las fallas, siempre que haya una resistencia presente en su camino.

•Efecto del acoplamiento mutuo de secuencia cero Cuando se presenta una falla a tierra en líneas de transmisión de doble circuito, la corriente total de secuencia cero se subdivide entre las dos líneas, produciendo un voltaje inducido en un circuito, debido al flujo de corriente de secuencia cero por el circuito adyacente. Mientras las impedancias mutuas entre circuitos para las secuencias positiva y negativa son despreciables (0.05ZL), el acoplamiento mutuo de secuencia cero entre líneas paralelas es considerable (1.25ZL) y puede causar sobrealcance o subalcance en los relés de distancia de tierra.

•Influencia del infeed remoto para fallas a tierra de alta impedancia El efecto de la resistencia en el sitio de la falla reduce el alcance efectivo en el relé. En presencia de infeed remoto, aumenta la dificultad de la medición de la distancia con tendencia a subalcanzar.

La impedancia aparente vista por el relé con una falla resistiva, se ve afectada por la resistencia de falla multiplicada por un factor I2/I1 Si la corriente I2 es muy grande o I1 muy pequeña, el término I2/I1 sería alto, ocasionando subalcance en el relé dado que vería un valor de impedancia mayor

• Estimación incorrecta de la impedancia de secuencia cero de la línea En vista de que la impedancia de secuencia cero (ZL0) de la línea es diferente de su impedancia de secuencia positiva (ZL1), es necesario introducir un factor de compensación residual en los elementos de medida de los relés de distancia. Este factor (k0) de compensación contribuye a la correcta detección de fallas monofásicas a tierra. Para ajustarlo se utiliza la siguiente expresión:

Si se tienen valores típicos de la relación ZL0 / ZL1 de 2.5, el factor de compensación k0 será de 0.5, lo que quiere decir que se añade a la fase fallada un 50% de la corriente residual en el sitio del relé, para obtener una estimación de la señal de corriente por el relé.

Clasificación de la línea Las líneas se deben clasificar según el valor del SIR (Source to Line Impedance Ratio) que es la relación entre la impedancia de la fuente situada detrás de la protección de la línea y la impedancia de la línea (SIR = ZS/ZL), y no solamente según su longitud, como se establece en la Guía de la IEEE, Standard C37.113-1999, así: · Líneas

Cortas: tienen un SIR mayor o igual 4. · Líneas Medias: las que tienen un SIR entre 0.5 y 4. · Líneas Largas: con un SIR menor o igual a 0.5.

Por ejemplo, con un voltaje nominal de 110 kV y una potencia base de 100 MVA, una reactancia inductiva típica de la línea de 0.00395 pu/Km (0.478 Ω/Km) y un nivel de cortocircuito de 3850 MVA en una subestación, se tendría una impedancia de fuente de 0.026 en pu. Así, las líneas de menos de 1.65 Km serían cortas (SIR>4) mientras que las de más de 13.16 Km (SIR 10000 °C) causando incendio del metal y creaicón gases tóxicos • Alta presión. El cobre se expande 67,000 veces de sólido a vapor. Presión aumenta hasta 4 bar. • Daño a equipos circundantes • Causa de heridas por proyección de objetos

El ARCO crece en tiempo de milisegundos. La Resistencia durante la descarga del ARCO puede variar. La Energía es proporcional a ~ I² x t.

I²t, kA² s

Incendio del cobre

Incendio del acero

Incendio de Tiempo total de corte cables con protección de ARCO 7 + (50 .. 80)ms

0

100

200

400

ms

El daño causado por el ARCO depende de la corriente y la duración del Arco

I²t, kA² s Daño exesivo al equipo y heridas al personal Personal y equipos sufren heridas y daños

Poco o ningún daño para el equipo o heridas para el personal

0

100

200

500

ms

Mitigación de los efectos de la falla de arco • Reducir la corriente del arco

• Incrementar las distancias de trabajo • Uso adecuado de PPE • Reducción del tiempo de aclaración de la falla • Protección diferencial de barras • Protección contra arco eléctrico

RETIE – Límites de aproximación segura

Relé de protección contra arco eléctrico Características: • Se basa en la detección óptica de la luminosidad del arco • La detección puede hacerse con sensores ópticos individuales o utilizando una fibra óptica continua • Puede ser supervisado por corriente (detectores de falla) • No necesita ser coordinado con ninguna protección existente • Proporciona operación cuasi instantánea para cualquier magnitud de corriente de falla • Reduce ostensiblemente los niveles de energía incidente

Relé de protección contra arco eléctrico • La fibra óptica en toda su longitud funciona como un sensor • Protege fácilmente estructuras complejas • Longitud máxima de la fibra sensora = 60 m • Pulsos de prueba regulares verifican la continuidad de la fibra

Relé de protección contra arco eléctrico

• Aplicación de loop simple de fibra supervisado por corriente • El relé de protección contra arco dispara los interruptores del transformador usando salidas de alta velocidad

Conclusiones Se realizó un acercamiento a los aspectos teóricos relacionados con el tema de protecciones en la medida en que es necesario tener un cabal entendimiento de los fundamentos, filosofías, criterios y experiencias asociados a este campo para una correcta aplicación de los esquemas que se derivan de allí, a los diferentes casos que se presentan. Es importante alcanzar un conocimiento adecuado de la problemática asociada con las líneas según su clasificación de acuerdo con sus parámetros, para lo que la guía de la IEEE (IEEE Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines, IEEE Standard C37.113-1999) es de gran ayuda.

Igualmente, se deben conocer bien los diferentes tipos de relés que forman parte de los esquemas de protección, así como los sistemas de teledisparo. Se propusieron los criterios de ajuste generales para una correcta coordinación de protecciones, de acuerdo con la selección de los esquemas más adecuados y que respondan a la filosofía y requerimientos previamente adoptados según los tipos de falla, la clase de línea y su importancia. Finalmente se hizo un pequeño recuento de algunos avances en el campo de las protecciones.

BIBLIOGRAFÍA • BLACKBURN, J. Lewis. Protective Relaying Principles and Applications. • COON, Vivian. Analysis of Distance Protection. • Guías para el buen ajuste y la coordinación de protecciones en el STN. ISA-IEB • HOROWITZ, Stanley and PHADKE, Arun. Power System Relaying. • IEEE Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines, (IEEE Standard C37.113-1999) • MONEY, Joe and PEER, Jackie. Application guidelines for ground fault protection. • VASQUEZ, Jorge J. Esquema teórico y procedimiento para la protección de líneas cortas. • WARD, Solveig. Comparison of quadrilateral and mho distance characteristics.

Gracias