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UNIVERSIDAD FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS

CARRRERA DE: INGENIERÍA ELÉCTRICA

Asignatura correspondiente a:

Protecciones

Tema del trabajo:

Funcionamiento del relevador de sobrecorriente direccional

Seccionador

Disyuntor

Reconectador

Fecha de entrega: Jueves, junio 21 del 2018 LATACUNGA – ECUADOR

Seccionalizador

INTRODUCCIÓN Se denomina protección direccional de sobre corriente a aquella que responde al valor de la corriente y a la dirección de la potencia de cortocircuito en el punto de ubicación. La protección opera si la corriente sobrepasa el valor de arranque y la dirección de la potencia coincide con la correspondiente a un cortocircuito en la zona protegida. Se compone de una protección de sobrecorriente con selectividad relativa, completa con una muestra de medición que determina la direccionalidad de la potencia de cortocircuito que el denominado relevador direccional. La protección direccional de sobrecorriente es aplicable en redes con alimentación bilateral o en lazo, tanto para cortocircuito entre fases, como a tierra. La necesidad de direccionalidad puede demostrarse a partir de la red de alimentación bilateral mostrada en la Figura 1. Para lograr la selectividad por tiempo entre las protecciones de sobrecorriente 2 y 3 de la red, la protección 2 debe ser más rápida que la 3 para la falla “F” y más lenta que la falla “F’’

Figura. 1. Red de alimentación bilateral

Para cortocircuito entre dos fases aparecen componentes de secuencia positivas y negativas de cortocircuito en la potencia. En el punto del cortocircuito limpio se cumple que la componente de secuencia negativa y positiva de la potencia es igual. Por otra parte en todos los neutros del sistema la componente de secuencia negativa de la potencia de cortocircuito es cero. Por tanto este tipo de cortocircuito (componente de secuencia positiva de la potencia de cortocircuito) fluye de la barra hacia el punto de falla hacia todos los neutros del sistema. MARCO TEÓRICO Unidades que determinan la dirección del flujo de potencia y/o corriente en una localiza c ió n determinada de un sistema eléctrico de potencia; de esta forma, es posible mediante este relé conocer la dirección de la ubicación de una falla. Esta unidad direccional generalmente no se aplica sola, más bien se emplea en combinación con otra unidad, tal que ésta última detecte la falla y dé la orden de operación o de apertura del interruptor ante la presencia de un valor de corriente superior a un valor mínimo preestablecido. La unidad de protección sensora de la magnitud de la corriente generalmente es un relé de sobrecorriente de tiempo inverso (51), o instantáneo (50) o ambos (51/50). Con la acción de ambos relés se consigue tener orden de apertura del interruptor (52) si la magnitud de la corriente de falla es mayor que un valor preestablecido

(pick-up) y la dirección del flujo

es concordante con una dirección

preestablecida en el relé direccional; de otra manera, no hay orden de apertura del interruptor aunque la magnitud de la corriente circulante sea superior al valor “pick-up” del relé de sobrecorriente.

Figura. 2. Diagrama funcional y circuito de control

De toda manera, se debe aclarar que aunque este relé direccional es alimentado como una unidad watt, es decir, con tensión y corriente, éste no pueden responder a la potencia actual del sistema por las siguientes dos razones: 

En condiciones de falla el factor de potencia del sistema es muy bajo, dado que la corriente de falla es inherentemente reactiva. Por lo cual el relé electromecánico desarrollará un muy bajo e insuficiente torque, o bien, un relé electrónico tendrá poca sensibilidad.



En cortocircuito la tensión en el punto de aplicación del relé puede verse sensibleme n te reducida.

Figura. 3. Estructura de polarización.

Relevadores direccionales de falla a tierra. Los relevadores direccionales de falla a tierra son construidos sobre la base de que el voltaje residual es igual a 3 veces la caída de voltaje de secuencia cero en la impedancia fuente, y desplazada con respecto a la corriente residual por el ángulo característico de la impedanc ia

fuente. Cuando un conjunto de TP convenientes no está disponible para obtener el voltaje de polarización, se emplea la polarización de corriente usando la corriente de tierra de un transformador local conectado a tierra. Esto está basado en el principio que indica que la corriente del neutro siempre fluye hacia el sistema de tierra, mientras que, dependiendo de la falla, la corriente residual puede fluir en cualquier dirección. Debe recalcarse sin embargo, que la posibilidad de falla de un relevador de protección direccional de voltaje polarizado es mínima y es por tanto recomendado que este arreglo por lo que se debe usar siempre que sea posible.

Polarización de relevadores de tierra. Para proteger el equipo contra falla a tierra se usa un relevador direccional de sobrecorriente (67 N) alimentado con la corriente residual y una cantidad polarizada que dependiendo del equipo a proteger puede ser el voltaje residual para líneas y la corriente de secuencia cero en los transformadores. El voltaje residual se consigue alimentando el relevador del secundario del T.P. conectado en delta abierto y la corriente residual del neutro de los TC. Mientras el sistema está balanceado la tensión residual será de cero Voltios, cuando exista una falla a tierra, el voltaje de la fase afectada caerá y ya la suma de Va, Vb, Vc es diferente de cero, apareciendo en bornes del relevador una tensión residual igual a 3Vo con la cual se polarizará el relevador para determinar la dirección de la corriente residual de falla. Cuando el neutro del sistema está aterrizado a través de una resistencia, esta será la impedanc ia dominante y un relevador de ángulo de máximo torque de cero grados será satisfactorio. En el caso de sistemas sólidamente aterrizados la impedancia reactiva será la predominante y será necesario introducir algún grado de compensación; relevadores con conexión de 45º y 60º son los más usados. En el caso de no ser posible obtener el voltaje residual, se utilizará la corriente del neutro de una fuente de secuencia cero.

Figura. 4. Conexión y diagramas fasoriales del relevador diferencial de tierra .

EJERCICIO Una falla sólida a tierra en las fases S y T es representada en el punto F del sistema de potencia mostrado en la figura 4 Determinar las señales de corriente y de voltaje que van en cada uno de los relevadores direccionales que tienen una conexión 30° y son alimentados como se indica a continuación:

Indicar cuales relevadores operan ante la ocurrencia de una falla. En la solución ignórese las corrientes de carga y asúmase un voltaje de prefalla igual a 1.0 p.u. Las bases en el punto de ubicación del generador son 13.2 kV y 100 MVA. Solución Las condiciones para una falla doble fase a tierra, S-T-N son: IR = 0, VS = 0, VT = 0 Los tres circuitos de secuencia se muestran en la figura 5. El circuito equivalente es obtenido conectando los tres circuitos de secuencia en paralelo como se muestra en la figura 6. De la figura 5: Las tres corrientes de secuencia en el circuito son:

En el punto de falla se tiene:

Figura. 5. Fuentes de corriente polarizante

Figura. 6. Conexiones para la unidad direccional polarizada. Como era de esperarse para una falla S-T-N.

En el punto de falla sobre el circuito (no en el relevador):

Las bases en el punto de falla son:

Por lo tanto, los valores en el punto de la falla son:

Corolario:

En el punto donde el relevador está ubicado los valores de corriente de secuencia positiva y negativa son iguales, así como en el punto de la falla. Sin embargo, la corriente de secuencia cero en el relevador mismo es diferente, a causa de la división de corriente, en el relevador:

El TC es alimentado desde el mismo punto de falla, así que:

Las señales que alimentan el relevador son:

Aplicaciones Las protecciones direccionales son útiles en cualquier punto de la red donde el sentido de circulación de la energía es susceptible de cambiar, especialmente después de un cortocircuito entre fases y/o un defecto a tierra (defecto monofásico). En la protección direccional de «fase» se instala para proteger dos enlaces usados en paralelo, un bucle o una sección de red que enlaza dos fuentes de energía. En la protección direccional de «tierra» es sensible al sentido de circulación de la corriente a tierra. Desde el momento que la corriente de defecto fase-tierra se reparte entre varios sistemas de puesta a tierra, es necesario instalar protecciones direccionales de tierra. Ahora bien, esta corriente circula no sólo por la (o las) puesta a tierra del neutro de la red, sino también por las capacidades fase-tierra de las líneas y de los cables (1 km de cable a 20 kV provoca la circulación de una corriente capacitiva del orden de 3 a 4 amperios).

Conclusiones 

En sistemas con NPT (neutro puesto a tierra) los relés direccionales no funcionan, deben usarse relés de sobrecorriente no direccional.



En sistemas con NPT no deben usarse cargas conectadas al neutro ya que esto impide la discriminación de las fallas a tierra por los relés de sobrecorriente homopolar.



En sistemas con Neutro Aislado, la protección direccional de sobrecorriente homopolar solo es posible con más de un alimentador, en sistemas con NPT es posible con un alimentador.



La protección en sistemas con Neutro Aislado con un solo alimentador es posible con relés de sobretensión homopolar.

Bibliografía [1]. Urdaneta A, Nadira R, Pérez L, “Optimal Coordination of Interconnected Power Systems”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 3, No. 3, 1988. [2]. Luenberger

David

E, “Programación

Lineal

y no Lineal”,

Addison-Wesle y

Iberoamericana, 1989. [3]. Alstom, “PS 431 Time Overcurrent Protection Device”, Alstom Energietechnik GmbH, 1999.