CONCEPTOS BASICOS PROTECCIÓN DE DISTANCIA
PROTECCIÓN DE DISTANCIA Líneas de Transmisión
TEMARIO • Conceptos Generales Protección de Distancia • Definición y Criterios Zonas • Efecto Fuente Intermedia (Infeed) • Alcance Resistivo
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Estándares y Documentos aplicables
• IEEE C57.113 Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines • IEEE Std C37.91 IEEE Guide for Protecting Power Transformers • Guías_protecciones_Vx
Definición – Relé de Distancia Medición
- Impedancia de secuencia positiva de la línea Comparación
- Permite ajustar zonas de protección
SISTEMA MONOFÁSICO
Conductor - cable
I V
V: TP I: TC
MEDICIÓN DE IMPEDANCIA
MEDICIÓN DE IMPEDANCIA
IMPORTANCIA DE LA FUENTE
Línea 230 kV Línea real del STN R1 + jX1 = 1.71681 + j5.4306 Ω (Primarios) Imáx = 842 Amp 157.7 Ω. 157.7>>5.696
Línea 115 kV Línea real de un STR R1 + jX1 = 7.159 + j18.34 Ω (Primarios) Imáx = 530 Amp 125.3 Ω cagallegos@gmail.com
Impedancias de carga, ajustes Conclusiones y varios Las impedancias que mide el relé en estado normal de operación son altas: 157.7 Ω y 125.3 Ω Las impedancias de las líneas, son relativamente bajas: 5.696 Ω y 19.69 Ω Al disminuir el voltaje, disminuye la impedancia de carga, y aumenta la de la línea. (esto no siempre es así.) Cuando hay una falla, y siempre y cuando el relé
mida bien, deberá medir una impedancia menor a 5.696 Ω o 19.69 Ω, por lo tanto el valor de ajuste deberá ser menor a estos últimos dos valores
Protección de Distancia Responden a la impedancia entre la ubicación del relé y la de la falla. Dado que la impedancia por km de línea es constante, entonces los relés responden a la distancia a la falla de una línea de transmisión. Se ajustan para que respondan a diferentes impedancias. A cada impedancia se le llama zona protegida. El relé de Distancia, es intrínsecamente direccional. Tiene un sentido de operación, aun cuando se aceptan ajustes en sentido inverso. Es un relé cuya respuesta a las cantidades de entrada es principalmente una función de la distancia eléctrica del circuito entre la ubicación del relé y el punto de falla. Para hacerlo utiliza la relación Voltaje/Corriente en el punto de instalación del relé.
PORQUE VARIAS ZONAS? Disparo sin retardo
Disparo solo cuando el despeje mas rápido de falla no opera (Respaldo remoto)
etc.
t
Representación gráfica :
t3
X
t2 t1 X1 R
Plano de Impedancia
X2
Selectividad
X
Zonas En esté caso, el concepto de selectividad, es en función de la impedancia: distancia; y no de la corriente: Amp. B
A Zab
Tiempo
Zona 1
Zona 2
C Zbc
Zona 3
Relé en A Relé en B Distancia
Zonas – red radial -Fabricante relés Z3 Z2 Z1
A
D
B
C
D
Z1 = 0.85 ZA-B Z2 = 0.85 (ZA-B + 0.85 ZB-C) Z3 = 0.85 [ ZA-B + ZB-C + 0.85 ZC-D ]
D
D
>> >t
ZT
Criterios Fabricante Software t
b2 b1
a
b
Criterios mĂŠtodo relativo. Z1 = p1 * a Z2 = p2 * (a + b1) Z3 = p3 * (a + b2)
Z
p1, p2 , p3 : %s asignados
XM* Zona 2
Zona 1
Mínimo. 120% de la línea a proteger
85% Líneas largas
Máximo. 50% de la línea mas corta adyacente
70% Líneas cortas (SIR)
Máximo. 80% Z de los Transformadores
Tiempo 0 Sg.
Tiempo = 300-400 ms Estabilidad = 150-250 ms
Zona 3
Z2
Menor valor entre:
a ) Z L 80% Z T b) ( Z L Z L1 ) * 120%
ZL
Z L1
R. Dist.
Tiempo 1000 ms 1sg *Guías_protecciones_V4
Z L2
Zt
Zt
Z L1 > Z L2
Zonas - alimentaciรณn en ambos extremos grading time (s) 0.6 0.3
EJEMPLO Aun cuando los ajustes, generalmente se presentan en Ω secundarios, para este ejemplo se calcularán en Ω primarios.
Impedancias medidas por los relĂŠs X
Potencia hacia
Potencia hacĂa
la barra
la lĂnea
F
Carga con factor de potencia en adelanto R S
Carga con factor de potencia en atraso
Corriente capacitiva
baja carga
CRITERIOS AJUSTE ZONAS ZONA 1 Principio Fundamental: Todas las fallas que ocurran en la línea protegida, ocasionen la actuación de su protección de distancia asociada, en el tiempo más rápido posible. Asimismo, se debe asegurar que una falla en una línea vecina no ocasione la actuación de esta zona.
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CRITERIOS AJUSTE ZONAS ZONA 1 Conclusión: Para lograr lo anterior, se deduce que se debe ajustar la primera zona en un % menor al 100%. Eso está implícito en la frase “asegurar que una falla en una línea vecina no ocasione….”. El tiempo se deduce del párrafo “en el tiempo más rápido posible”. Es decir, debe ser 0 segundos o 20, 50 mseg.
Ajuste Propuesto: Z1 = 85% Z,
tiempo = 0 segundos
Z = impedancia de secuencia positiva de la línea protegida
CRITERIOS AJUSTE ZONAS ZONA 2 Principio fundamental: Esta zona debe garantizar que toda falla que ocurra en su línea protegida, debe ser despejada por este relé, como mínimo en zona 2, asegurándose que para fallas en las líneas vecinas, sea más lento, que la ZONA 1 del relé de cualesquiera de dichas líneas y no vea fallas en la Zona 2 de dichos relés Conclusión: Debe ajustarse en un % mayor al 100%. Es la única forma de asegurar que se cumpla la frase “toda falla que ocurra en su línea protegida, debe ser despejada por este relé”. Asimismo el tiempo debe ser mayor al tiempo de zona 1 de los relés de distancia de las líneas adyacentes, (“asegurándose que para fallas en las líneas vecinas, sea más lento, que la ZONA 1 del relé de cualesquiera de dichas líneas”). cagallegos@gmail.com
CRITERIOS AJUSTE ZONAS ZONA 2 Ajuste Propuesto Z2 = 100% Z + 40% Zlc
Tiempo: 400 mseg
Z = Impedancia línea protegida Zlc = impedancia de la línea adyacente de menor impedancia. Notas importantes: Se debe verificar que el ajuste de ZONA 2 no sea menor al 110-120% de la impedancia de la línea protegida, esto con el fin de garantizar el cubrimiento del 100% de la línea, más una tolerancia del 10-20% debido a posibles errores de medición u otros. Generalmente 20% debido a imprecisiones de TC´s y TP´s; y otros, pero se puede utilizar 15% para ser coherente con el 85% (100-15)% anterior.
CRITERIOS AJUSTE ZONAS En ningún caso la zona 2 debe cubrir más del 50% - 60% de la línea adyacente. Se ajusta en un 40%, ya que corresponde aproximadamente al 50% del ajuste de primera zona de dicha línea adyacente. Esto garantiza que las segundas zonas no se traslapen. Porque se ajusta en función de la línea adyacente de menor impedancia?. Debido a que se garantiza que se cumpla: “y no vea fallas en la Zona 2…” de una línea adyacente. Si se escogiese la línea más larga o la promedio no podría garantizarlo.
CRITERIOS AJUSTE ZONAS Zona 2: Cuando el % cubierto, es menor al 115%, se
recomienda instalar protección diferencial, POTT, PUTT, etc (para la línea protegida). Con el criterio anterior, no es valido modificar el alcance. Otra posibilidad es modificar el tiempo, y esto permite lograr selectividad, pero es algo que debe analizarse cuidadosamente. XM: “El objetivo principal de esta zona es proteger completamente la línea en consideración y actuar como zona de respaldo ante la no operación de la Zona 1 de las líneas ubicadas en la subestación remota. Como valor mínimo de ajuste se escoge el 120% de la impedancia de la línea a proteger,”….
Empresa Transmisión Zona 2 Mínimo. 120% de la línea a proteger
Zona 1
Máximo. 50% de la línea mas corta adyacente
85% Líneas largas
Máximo. 80% Z de los Transformadores
70% Líneas cortas
Tiempo = 300-400 ms
Tiempo 0 Sg.
Estabilidad = 150-250 ms
Zona 3 Menor valor entre:
a ) Z L 80% Z T b) ( Z L Z L1 ) * 120% Tiempo 1000 ms 1sg
CRITERIOS AJUSTE ZONAS ZONA 3 Principio fundamental: Esta zona debe garantizar que ante falla (mal funcionamiento) de cualquiera de los relés de distancia de las líneas vecinas, este relé sirva de respaldo. Asimismo, debe ser más lento que cualesquiera de los relés adyacentes. Conclusión: La única forma que logre servir de respaldo a todos los relés adyacentes, es ajustándolo con respecto a la línea de más impedancia (“debe garantizar que ante falla – malfuncionamiento – de cualquiera de los relés de distancia de las líneas vecinas, este relé sirva de respaldo”). cagallegos@gmail.com
CRITERIOS AJUSTE ZONAS ZONA 3 Obsérvese que debe respaldar a cualquiera de estos relés debido a su malfuncionamiento y por lo tanto, prácticamente debe cubrir parte de la segunda zona de todos estos relés. La única forma de lograr esto es ajustándolo a un valor superior al 100% de la línea protegida + el 100% de la línea adyacente de mayor impedancia. Para lograr que sea mayor, se debe agregar un % de la línea de menor impedancia que siga a la de mayor impedancia. Finalmente el tiempo debe ser mayor a la segunda zona de cualesquiera de estos relés adyacentes. Es decir mayor a 400 mseg.
CRITERIOS AJUSTE ZONAS
ZONA 3 Ajuste Propuesto: Z3 = 100% Z + 100% Zll + 20% Zlc Tiempo: 800 mseg Z : Impedancia línea protegida Zll = Impedancia de la línea adyacente de mayor impedancia Zlc = Impedancia de la línea de menor impedancia, adyacente a la línea de mayor impedancia
CRITERIOS AJUSTE ZONAS ZONA 3 Notas importantes: Se incrementa un 20% ya que corresponde al 50% de la segunda zona (visto desde el segundo barraje) del relé asociado a la línea adyacente más larga. Esto garantiza que no habrá traslape con la tercera zona de dicho relé adyacente al cual se está dando respaldo. En ningún caso la zona 3 debe cubrir más del 30% de la línea adyacente corta a la línea larga. Para evitar problemas de sobrealcance de zona 2 y zona 3, se recomienda ajustar sin tener en cuenta el mayor aporte de corriente de falla en el cálculo de las constantes de fuente Intermedia (“infeed”), pero se debe revisar el resultado final con la fuente intermedia.
CRITERIOS AJUSTE ZONAS Zona 3: Cuando el % cubierto sea menor al 1.15 (Z + ZLL), se
recomienda instalar protección diferencial, POTT, PUTT, etc para las líneas donde hay relés que se deben respaldar. Con el criterio anterior, no es necesario modificar el alcance. Otra posibilidad es modificar el tiempo, y esto permite lograr selectividad, pero es algo que debe analizarse cuidadosamente.
XM: Impedancia de la línea a proteger más el 80% de la impedancia equivalente de los transformadores en la barra remota. – Impedancia de la línea a proteger más el valor de Z de la línea adyacente con mayor impedancia, multiplicada por un factor de seguridad del 120%. Donde: Z3: Ajuste de zona 3 ZL: Impedancia de la línea a proteger ZLAMI: Impedancia de la línea adyacente de mayor impedancia
DIAGRAMA R-X
IEEE C57.113
DIAGRAMA DE SELECTIVIDAD
FACTOR DE COMPENSACIÓN El factor de compensación de una línea, es un valor constante, independiente del punto de falla. Se puede calcular con base en impedancias por unidad de longitud o con base en la impedancia total de la línea. El resultado será igual
Ea Z1 f
I a m * (3I 0 ) Z1 f
Ea I a m * (3I 0 ) m = k0
Para medir correctamente Z1f se requiere medir: •
voltaje línea neutro: Ea
(TP)
•
corriente de fase en falla (fase a): Ia (TC)
•
corriente de secuencia cero: 3I0
(TCn)
Factor de Compensación Falla Monofásica
XM: Para ajustar este factor se utiliza la siguiente expresión:
Donde: Z0: Impedancia de secuencia cero de la línea a proteger Z1: Impedancia de secuencia positiva de la línea a proteger
EJEMPLOS Sea el siguiente sistema:
Z Z1 m 0 3Z1
(20 180 j ) (8 80 j ) m 0.417 0.0082 j 3(8 80 j ) 0.4176 1.13
EFECTO FUENTE INTERMEDIA (INFEED) Se presenta cuando existen una o mas fuentes de corriente de cortocircuito, al interior de la zona protegida por un relĂŠ de distancia. Generalmente se afectan las zonas 2 y 3.
A
B
ZA
R. DIST.
IA
ZB
C
IA + IB
IB IEEE - infeed: A flow of fault current from a source that is physically located between a relay location and a fault location. cagallegos@gmail.com
EFECTO FUENTE INTERMEDIA (INFEED) VA Z A I A ( I A I B ) Z B VA ZA IA Z medida
IB 1 Z B IA
VA Z A (1 K ) Z B IA
Corriente Infeed K I relé
El relé está midiendo una impedancia superior a la esperada
EFECTO FUENTE INTERMEDIA (INFEED) A
B
C
8000 Amp. 4 + 5j 6 + 3j
4000 Amp.
Supongamos que se desea ajustar zona 2 al 50% de la lĂnea BC; el relĂŠ ubicado en A medirĂĄ: đ?‘? = (4 + đ?‘—5) +
1+
4000 6 + đ?‘—3 ∗ 8000 2
đ?‘?
= 4 + đ?‘—5 + 1.5 ∗ (3 + 1.5)
đ?‘?
= 8.5 + đ?‘—11,25
EFECTO FUENTE INTERMEDIA (INFEED) Por lo tanto la segunda zona del relé en A deberá ajustarse en el valor anteriormente calculado. Si no existe la fuente de corriente, se ajustará en:
Z medida (4 j5) 0.5 * (6 j 3) Z medida 7 j 6.5 Este valor es menor al anterior. Si la fuente se desconecta y el relé sigue ajustado en 8.5 + j11.25, quedará “viendo” fallas en un valor mayor al 50% de la línea B-C.
EFECTO FUENTE INTERMEDIA (INFEED) Dado que debería “ver” ZA + ZB y en realidad “ve” ZA + (1+K) * ZB queda “viendo” fallas en el tramo adicional +K*ZB Entre mayor sea Ib (corriente infeed) mayor será el error. En conclusión el ajuste de la zona 2 deberá ser:
Z adj Impedancia de la línea adyacente mas corta. Chequeando que pasa cuando la fuente “infeed” se desconecta.
FUENTE INFEED - XM
TIPOS DE RELÉS DE DISTANCIA X
ZL
RELÈ DE ADMITANCIA Ò MHO carga R R X
ZL
carga R
RELÈ CUADRILATERAL
TIPOS DE RELÉS DE DISTANCIA Siemens
ABB
RELÈ CUADRILATERAL
GE
SEL
RESISTENCIA DE FALLA ZF
Ir
F RF (I + Ir)
E
La resistencia de arco consiste en un arco elĂŠctrico entre el conductor de alto voltaje y un objeto puesto a tierra, como por ejemplo el cable de guarda o la torre. En estos Ăşltimos casos (cable de guarda o torre) la resistencia de falla incluye la resistencia de la torre (entre 5 y 50 Ohm) y la del arco propiamente dicho.
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RESISTENCIA DE FALLA Para la figura anterior:
E ZF I R F ( I I r ) E Ir Za Zr R F 1 I I
Dado que Ir no necesariamente esta en fase con I, la resistencia de falla, introduce error tanto en la resistencia como en la reactancia.
RESISTENCIA DE FALLA Grรกficamente significa que : X
R
RESISTENCIA DE FALLA
X
Rango corto circuito
ZL ZL
RF
ZLF2
ZLF1 ZLF2
ZF2
Característica de Protección de Distancia
ZLoad RF F1
RF
ZLoad
RF
ZLF1
F2
ZF1
D SC1
SC2
L R
Corto circuito en dirección hacia atrás
Siemens
ALCANCE RESISTIVO
NERC en USA exige que las lĂneas no se disparen cuando estĂŠn en condiciones de emergencia, es decir 150% de la corriente nominal y que el voltaje caiga al 85% del nominal. Si se requiere que se este al 20% (80%) de distancia, entonces
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ALCANCE RESISTIVO
Ejemplo: supongamos una línea de 115 kV, con corriente nominal de 400 A, en tal caso el máximo alcance resistivo sería de
Criterio NERC: 74.7 Ω
ALCANCE RESISTIVO
Si se permite una sobrecarga del 35% y en tal caso el voltaje operativo es 0.9, dejando un margen del 25% (0.75) para el ajuste, se obtendría que el máximo alcance resistivo es de 0.5*Vl-n/In. Se debe consultar el manual del relé ya que frecuentemente tiene limitaciones en alcance resistivo
ALCANCE RESISTIVO Dado que este valor es alto y que no hay criterio para diferenciar el alcance resistivo de las tres zonas, en general se recomienda que el alcance resistivo de todas las zonas sea igual
ALCANCE RESISTIVO
Ziegler, Siemens
Alcance Resistivo – 3F Sea una falla 3F, al 90%, con una resistencia de falla de 80 ohm
100*0.9*(0.053+j0.53) = 4.77 + j47.7
Alcance Resistivo – 1F Sea una falla 1F, al 90%, con una resistencia de falla de 80 ohm
100*0.9*(0.053+j0.53) = 4.77 + j47.7Ω
Z1 f
Ea I a m * (3I 0 )
Gracias CĂŠsar A. Gallego S. cagallegos@gmail.com Cel. 302 307 1111
9/16/2020
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