07 - Protección de Líneas de Transmisión (97)
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1/18/2015 1. Conexión de los relés de protección 2. Función de protección distancia 3. Algoritmos de arranque y selección de fase fallada 4. Esquemas de teleprotección 5. Función Eco y Fuente débil 6. Función de Oscilación de Potencia 7. Función sobrecorriente direccional de tierra 8. Función cierre sobre falla 9. Función de sincronismo 10. Función diferencial de corriente 1 1/18/2015 Conexión de un relé de protección multifunción: Entradas analógicas RELÉ MULTIFUNCIÓN 4 2 1/18/2015 Conexión del transformador de corriente 5 I V Protecciones redundantes: PL1 : con las funciones 21, 67N, 25, 59, 79, 68, 74, … PL2 : con las funciones 21, 67N, 25, 59, 79, 68, 74, … PL1 Protecciones complementarias: PL1 : con las funciones 21, 67N, 25, 59, 79, 68, 74, … PL2 : con las funciones 67/67N, 50-51/50N-51N, 59 PL2 3 1/18/2015 Circuito monofásico: Rth Lth RL LL Zth t=0 RC e(t) 01 2 Método trapezoidal 7 Circuito monofásico: Rth Zth e(t) Lth RL LL t=0 RC 01 2 8 4 1/18/2015 Circuito monofásico previa a la falla: ZL Zth1 V1 Vth1 δ I = Zth2 I2 I1 V2 Vth1 δ – Vth2 0 I = I1 = -I2 = Zth1 + ZL + Zth2 Vth2 0 V1– V2 ZL 9 Circuito monofásico previa a la falla: x ZL Zth1 I1 V1 Vth1 δ x ZL = R +j X = V1 (1-x) ZL Zth2 I2 V2 Vth2 0 X = 2ΠfL I1 V1(t) = R i1(t) + L δ i1(t) δt 10 5 1/18/2015 Circuito monofásico previa a la falla: x ZL Zth1 Vth1 δ (1-x) ZL Zth2 I2 Rf I1 V1 V2 Vth2 0 V1(t) = R i1(t) + L δ i1(t) + Rf (i1(t) + i2(t)) δt V1 = (R +j X) I1 + Rf (I1 + I2) Zrelé= V1 = R +j X + (I1 + I2) Rf I1 I1 11 Circuito monofásico previa a la falla: x ZL Zth1 Vth1 δ (1-x) ZL V1 Zth2 I2 I1 VPF V2 Vth2 0 VPF : tensión en el punto de falla, previa a la falla Vth1 δ = (Zth1 + ZL) I1 – Zth2 I1 + Vth1 0 VPF = Vth1 δ – (Zth1 + x ZL) I1 12 6 1/18/2015 Circuito monofásico previa a la falla: x ZL Zth1 Vth1 δ I1 + ΔI1 V1 + ΔV1 (1-x) ZL + -VPF I2+ ΔI2 V2 + ΔV2 Zth2 Vth2 0 VPF : tensión en el punto de falla, previa a la falla 13 Circuito monofásico previa a la falla: x ZL Zth1 ΔI1 ΔV1 (1-x) ZL + -VPF ΔI2 ΔV2 Zth2 - ΔV1 / ΔI1 = - Zth1 ΔV2 / ΔI2 = - Zth2 14 7 1/18/2015 Principio de superposición: Principio de superposición: Falla en dirección hacia delante. Si la falla se encuentra en dirección hacia inversa, la impedancia vista por el relé será entonces la suma de la impedancia de línea más la impedancia de la fuente remota. 8 1/18/2015 Lugar geométrico de la variación de la tensión y corriente de falla: RΔI ω0L < R ω0L = R ω0L > R ΔV t=0 Lugar geométrico de la variación de la tensión y corriente de falla para una falla hacia delante sin considerar la componente exponencial de la corriente. Características de operación del relé de distancia Z línea Z Falla2 Z Falla1 X Z carga ZFalla Rf Rf ZFalla2 Relé ZCarga Rf ZFalla1 jcarga Falla atrás 17 R Falla 1 Rf Falla 2 Carga Falla fase – fase RR RF / 2 Falla fase a tierra Zona de Carga RR RF /(1 + RE/RL) 18 9 1/18/2015 Lugar geométrico de los diagramas de impedancia: X Falla en la línea remota Zona de carga Oscilaciones de potencia estable Falla en la línea protegida Oscilaciones de potencia estable R Zona de carga Falla en la línea hacia atrás 19 Zona de protección: LAZO DE IMPEDANCIA DE FALLA X Line Z5 Z4 Z2 Z1B a Z1 j Load Load R Z3 20 10 1/18/2015 Control de tiempo de disparo: 21 FD Faul Detector Carrier signal receive 21 Z1 21 Z2 21 ZTel T1 Carrier Zone Zone 1 T2 Zone 2 21 Z3 21 Z4 T3 Zone 3 T4 T5 Zone 4 85 AND Carrier signal send AND Teleprot. Logic AND AND 79 ARC Tripping Logic 68 PSB Trip L1 Trip L2 Trip L3 Control de tiempo de disparo: 21 FD Faul Detector Carrier signal receive 21 Z1 21 ZTel Zone 1 21 Z2 Carrier Zone 21 Z3 Zone 2 21 Z4 Zone 3 T5 Zone 4 85 T1 Carrier signal send Teleprot. Logic T2 T3 T4 79 ARC Tripping Logic 68 PSB Trip L1 Trip L2 Trip L3 11 1/18/2015 Clasificación según sus zonas de protección: X X X R R R Característica de impedancia Característica de admitancia o mho Característica de reactancia X X R R Característica lenticular Característica poligonal o cuadrilateral 23 Zona 3 Zonas de protección: Zona 2 Zona 1 A B Zona 3 Zona 1 Zona 2 Z1 = (70 – 90)% ZL1 (Instantánea) Z2 = 120% ZL1 (Valor Mínimo) (400 ms) Zona 3 Tiempo de coordinación de las zonas 2 Zona 2 Zona 2 Zona 1 Z3 = ZL1 + 80% Xtransformador ZR Zona 1 = 120% (ZL1 + ZL adyacente mas larga) (800 - 1000 ms) Linea larga Linea corta = 20% ZL local mas corta = 20% Xtransformador local = Igual a alcance de zona 3 adelante Alcance resistivo : Z Mínimod eC arg a 0,85 *VL L 3 Im ax (1500 - 2000 ms) 24 12 1/18/2015 • Fallas entre Fases – Resistencia de Arco – Otras Componente (arboles, etc.) • Fallas a Tierra – Resistencia de Arco – Resistencia de la Torre y de la Puesta a Tierra – Retorno por Tierra – Otras Componente (arboles, etc.) R arc 28710 L Ω 1.4 I L: Longitud de arco en metros I: Corriente de arco en amperios 13 1/18/2015 • Reducen los valores de la corriente de falla • Reduce la caida de tensión en la fase fallada • Incrementa los Valores de Impedancia Medida • Limita la sensibilidad de la Protección V mZL I R F 21 Z V I mZL RF La resistencia de falla produce un Subalcance 14 1/18/2015 V mZL I RF IF 21 V I m Z L IF R F Z V I mZL IF I X IF I RF RF mZL Z R 15 1/18/2015 E I BARRA S m•ZL ZS E 0 BARRA R ZR (1-m)•ZL RELE RF IF Z1S = 2 80° Z1L = 8 80° Z1R = Z1S Z0S = 3•Z1S Z0L = 3•Z1L Z0R = Z0S Im (V/I) Reactancia ( sec.) 10 = -60° 8 = -30° 6 4 0 -2 -2 X =0 =1 = 0° =4 = +30° = +60° =8 X 2 RF ( sec.) Re (V/I) 0 2 4 6 8 10 12 14 Resistencia ( sec.) 16 1/18/2015 Comportamiento con la carga: 159,3 km R1 R2 80 km Sistema eléctrico utilizado para las simulaciones Extremo exportador 33 Comportamiento con la carga: R1 Falla trifásica cada 5% de la longitud, con resistencia de falla de 5 ohms 34 17 1/18/2015 Comportamiento con la carga: R1 Falla bifásica cada 5% de la longitud, con resistencia de falla de 5 ohms 35 Comportamiento con la carga: R1 Falla monofásica cada 5% de la longitud, con resistencia de falla de 0 ohms 36 18 1/18/2015 Comportamiento con la carga: R1 Falla monofásica cada 5% de la longitud, con resistencia de falla de 20 ohms 37 Comportamiento con la carga: R2 Falla monofásica cada 5% de la longitud, con resistencia de falla de 20 ohms 38 19 1/18/2015 I0M Z0M IR, I0 Relay 20 1/18/2015 • • • • Ocurre en líneas de Doble-Circuito Afecta a la red de secuencia Cero Z0M= 50–70% de Z0 Bajo acoplamiento en la red de secuencia positiva y negativa (5–7%) V a m Z 1 L I a k 0 I re s m Z 0 M I 0 M Z Va I a k 0 I res m Z IL m Z 0 M I0M I a k 0 I res El Relé Subalcanza Cuando I0M y I0 fluyen en la misma dirección 21 1/18/2015 Principio de operación tipo Mho: X ZR: Impedancia de ajuste ZF: Impedancia de falla R Multiplicamos por la corriente: • Corriente de fases, ejemplo: IR-IS • Corriente compensada, ejemplo: IR+3K0I0 ZS 43 Principio de operación tipo Mho: Tensión Imaginario VR S1 VF S2 Tensión Real S1 = VR – VF S2 = VF -90 ≤ Ángulo (S1) – Ángulo (S2) ≤ 90 ZS 44 22 1/18/2015 Principio de operación tipo Mho: X Alcance de relé (ZR) Característica ajustada R Característica expandida ZS 45 Principio de operación tipo Mho: 23 1/18/2015 Source-to-line impedance ratio (SIR) ZL SIR = ZFuente / ZL Muestra la influencia de la longitud en la elección del sistema de protección. Línea corta (SIR>4.0) Relé ZFuente Líneas largas (0.5>SIR) • Corriente diferencial • Comparación de fase • Comparación de fase • Comparación direccional con bloqueo • Esquema de Comunicación POTT • PUTT, POTT • Comparación direccional • Comparación direccional Línea Media (4.0>SIR>0.5) • Sobrecorriente • Las anteriores • Esquema de comunicación PUTT • Distancia • Sobrecorriente IEEE Guía para aplicaciones de relés de protección en líneas de transmisión: IEEE std C37.113-1999 Disparo monofásico: Para realizar disparo monofásico se debe realizar los siguiente. • Detectar una falla • Determinar la direccionalidad • Selección de la fase fallada • Determinar la ubicación 24 1/18/2015 Método de impedancia: Caso 1 Caso 2 X X ZTE (Eliminado) ZTE (Eliminado) ZRE min ZRE min R ZRE min * 1,5 R ZRE min * 1,5 ZSE (Eliminado) ZSE Selecciona la fase R No determina la fase fallada (debido a que ZSE y ZSE> ZRE min*1.5) (debido a que ZSE < ZRE min*1.5) Método de la corriente de secuencia cero y negativa: Falla I2 =aI0 I2= I0 V - I0 L1-E Falla Z1 Z´1 I1 Z2 Z´2 + L3-E Falla L2-E 3Rf I2 Z0 I2=a2I0 Fuente en un extremo Z´0 I0 Falla L3-E IL3 IL2 Falla L2-E I2 I0 IL1 Falla L1-E Fuente en ambos extremos Donde: a = 1 120º 25 1/18/2015 Método de variación de corriente y tensión de fase: UL1E < 0,6 UN UL2E < 0,7 UN OR AND OR OR Selección Fase R utilizando U OR UL3E < 0,7 UN IL1E > 2 INOM IL2E > 1,2 IN Selección L2-E ò L3-E OR IL3E > 1,2 IN Criterio de selección de fase fallada: Fault Impedance comparison of fault loop impedances n=1? Y Comparison of I2 and I0 componentes Comparison of load compensated (delta) currents n=1? Y Trip three-phase Trip single-phase 26 1/18/2015 Necesidad de un esquema de teleprotección: Las protecciones de distancia de ambos extremos de la línea de transmisión no pueden brindar selectividad absoluta para fallas en el 100% de la línea, a menos que se intercambien señales entre ellas. Zona 2 PL Zona 1 Zona 1 PL Zona 2 53 Canales de Comunicación: B A TX PL1 RX RX TX RX TX PL2 CANAL A CANAL B PL1 RX TX PL2 54 27 1/18/2015 Medios de comunicación: Medios de comunicación: • Onda Portadora (OP) • Radio o Microondas (MO) • Fibra Óptica (FO) • Hilo piloto 55 Interferencias: • Interferencias durante el estado normal (Efecto corona, Operaciones con seccionadores, Operaciones con interruptores) • Interferencias durante el estado de falla y despeje de la falla (Fallas con arco eléctrico, Interrupción de la corriente de falla) • Pérdida de la señal transmitida • Retardo de la señal transmitida • Operación indeseada 56 28 1/18/2015 Esquemas de Teleprotección: • Disparo transferido con zona en subalcance (PUTT) • Disparo transferido con zona en sobrealcance (POTT) • Esquema de 67N en comparación direccional (67NCD) • Esquema fuente débil (Weak Infeed) • Disparo directo transferido (DDT o DTT) 57 Configuración típica de canales de comunicación: 21 (PL1) 21 (PL1) 21 (PL2) 21 (PL2) Canal 1 Canal 2 67N (PL1/PL2) 67N (PL1 / PL2) Canal 3 DTT (PL1/PL2) Canal 4 Linea protegida S.E. A PL1 PL2 S.E. B PL1 PL2 58 29 1/18/2015 Esquema simplificado PUTT: (Permissive Underreaching Transfer Trip / Disparo Transferido con Subalcance) Zona 2 PL Zona 1 Zona 1 PL Zona 2 OR Disparo Disparo OR Z1 Z1 Z2 Tx Tx AND AND Rx Rx Z2 59 Esquema simplificado POTT: (Permissive Overreaching Transfer Trip / Disparo Transferido con Sobrealcance) Zona 2 PL Zona 1 Zona 1 PL Zona 2 OR Disparo Disparo OR Z1 Z2 Z1 AND AND Rx Rx Tx Tx Z2 Esquema simplificado POTT 60 30 1/18/2015 Esquema simplificado 67NCD: Dirección hacia delante PL PL Disparo 67N Dirección hacia delante Disparo AND AND Rx Rx Tx Tx 67N Esquema simplificado 67NCD 61 Necesidad del bloqueo transitorio del 67NCD: PL 1º PL PL PL PL Hacia delante Hacia delante PL 2º (0 ms) PL Hacia atrás Hacia delante PL Esquema 67NCD 62 31 1/18/2015 Necesidad del bloqueo transitorio del 67NCD: PL Hacia delante PL 3º (40 ms) PL Hacia delante Hacia atrás PL PL PL 4º (65 ms) PL PL Esquema 67NCD 63 Esquemas simplificado de Fuente Débil (Weak Infeed): Zona 2 PL Zona 1 Zona 1 PL Zona 2 OR Disparo Disparo OR Tx Z2 Tx AND AND 52 -Abierto Reversa Z2 52 -Abierto U< Rx Rx U< Reversa Esquema simplificado Fuente débil (Weak Infeed) 64 32 1/18/2015 Circuito equivalente: Lugares geométricos representativos de la impedancia aparente. ZA P + jQ ZB ZL B A E A EA Relé E B EB 0 Relé EB EB 65 Lugar geométrico de los diagramas de impedancia: Falla en la línea remota Zona de carga Oscilaciones de potencia estable Falla en la línea protegida Oscilaciones de potencia estable Falla en la línea hacia atrás Zona de carga 66 33 1/18/2015 Lugar geométrico de las tensiones y corriente: EA δ – EB 0 A IRelé = P + jQ ZL ZA E A EA ZB R R B E B EB 0 ZA + ZL + ZB ZRelé = EA δ – IRele*ZA IRele = EA δ (ZA + ZL + ZB) - ZA EA δ - EB EA EA - EB ZA = jXA Sí: ZL = jXL ZB = jXB VRelé EA δ – EB 0 IRelé = kEA jXA + jXL + jXB = -jBEA δ + jBEB 0 jBEB VRelé = -jBEA δ EB + (EA-EB)* (jXL+jXB) IRelé jXA + jXL + jXB (1-k)EB Con: k = (XL+XB)/(XA+XL+XB) EB VRelé = EB (1-k) + kEA 67 Lugar geométrico de las tensiones de acuerdo a la ubicación: VRelé = EB (1-k) + kEA EA EB δ A B Centro eléctrico Ubicación del relé k=1 k=0 68 34 1/18/2015 Comportamiento en el diagrama de impedancia: ZRelé = R+ jX ZA = 15<85° ohms ZL = 36<75° ohms ZB = 15<85° ohms 69 Comportamiento de la tensión y corriente: Comportamiento de la tensión durante una oscilación de potencia con pérdida de sincronismo: Periodo: T = (0,5 – 0,167) = 0,333 s Frecuencia: f 0= 1/T = 3 Hz Amplitud 1 0.5 0 -0.5 0 0.1 0.2 -1 Amplitud Tensión: 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0.3 0.4 0.5 0.6 Tiempo [ s ] 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Tiempo [ s ] Corriente: 2 1.5 Amplitud 1 0.5 0 -0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 -1 -1.5 -2 Tiempo [ s ] 70 35 1/18/2015 Comportamiento en el diagrama de impedancia: Lugar geométrico de la impedancia aparente durante una oscilación de potencia: (1) : Comportamiento durante una falla (2) : Oscilación amortiguada de potencia (3) : Oscilación amortiguada de potencia (4) : Oscilación con pérdida de sincronismo 71 Zonas de detección según las características de los relés de distancia: X X R R R Característica de impedancia X Característica de admitancia o mho X R R Característica poligonal o cuadrilateral Característica lenticular 72 36 1/18/2015 Direccionalidad del relé: Secuencia cero VP VT K.1⎳76°.Iy IT 3V0 Hacia delante VR 3V0 122º IS IR VS 3I0 IE = -3I0 Hacia atrás 338º 73 Direccionalidad del relé: Potencia homopolar Secuencia negativa 3V2 Sr = 3I0. 3V0.cos(φ - φcomp) -3I2 74 37 1/18/2015 Direccionalidad del relé SEL: Secuencia cero Secuencia negativa X0 Reversa Z0F = 85,28 Ω Z0R = 87,11 Ω Angle Z0 = 81,55 Ω X2 Forward Reversa R0 Z2F = 26,28 Ω Z2R = 28,11 Ω Angle Z2 = 81,16 Ω Forward R2 75 Direccionalidad del relé ABB: Secuencia cero Corriente adicional de Polarización UIPol = Z0S.IPol = (RNPol + j.XNPol).IPol Polarización dual UIPol = UUPol +UIPol = -3U0 + Z0S.IPol = -3U0 + (RNPol + j.XNPol).IPol 76 38 1/18/2015 La función de SOTF debe ser condicionada para un cierre trifásico de los interruptores (3PA) o por un comando de cierre manual del interruptor (CM) y debe ser activado por el arranque de la zona 2 (Arr. Z2) ó una función de sobrecorriente (I>). Asimismo, después del cierre del interruptor la variable (3PA) debe tener un retardo de 1 segundo, con el objetivo de realizar disparo rápido y trifásico para una falla durante este periodo. 77 Lógica del relé SEL SEL421: La variable CLSMON es configurable para ser activado por cualquier variable interna del relé SEL421, normalmente se habilita por corriente y/o impedancia en zona 2. 78 39 1/18/2015 Ajustes de sincronismo de sincronismo: Máxima diferencia de tensión Máxima diferencia de frecuencia Máxima diferencia de ángulo : ΔV = 10%Vn = 12,8 kV : Δf = 0,10 Hz : ΔΦ = 20 º Condiciones de cierre con mando de cierre manual: Condición Cierre Interruptor Tensión Línea> and Tensión Barra> and Sincronismo Si Tensión Línea< and Tensión Barra> Si Tensión Línea> and Tensión Barra< Si Tensión Línea< and Tensión Barra< Si 79 Comparación de fases: Falla interna R1 R1 + + - R2 R2 + - + - 80 40 1/18/2015 Comparación de fases: R1 R1 Falla externa + R2 R2 + - - + + - 81 Diferencial porcentual: IR1 R1 IR2 Falla interna Corriente de cortocircuito (Icc) R2 Id = |IR1 + IR2| = Icc IRes = (|IR1| + |IR2|)/2 Id Zona de Operación (Corriente diferencia) Falla interna IRes (Corriente de restricción) 82 41 1/18/2015 Diferencial porcentual: IR1 R1 IR2 Falla externa R2 Corriente de cortocircuito (Icc) Id = |IR1 + IR2| = 0 IRes = (|IR1| + |IR2|)/2 = |IR1| = |IR2| Id Zona de Operación (Corriente diferencia) Falla externa IRes (Corriente de restricción) R1 83 Falla externa R2 I R a jb r re j IL IR a cos r cos Donde: IL IR b sin r sin IL 42 1/18/2015 I O P K IR T IR T IL IR Región de Operación Región de Restricción I O P K IR T IR T IL IR 43 1/18/2015 Característica Simplificada (2 ajustes) jb Operating region a R a -1 1/R Restraining region jb Característica de operación función diferencial de línea del relé SEL411L Operating region a R a -1 1/R Restraining region Dispone de tres (3) elementos diferenciales: De fases (87LP). Segundo de secuencia negativa (87LQ) Secuencia cero (87LG). El área de bloqueo está definida por el parámetro 87LXA, el radio exterior 87LXR y el radio interior 1/87LXR 44 1/18/2015 45
