proteccion de lineas

CONSTRUIMOS FUTUROCONSTRUIMOS FUTURO

Facultad de Ingenierías Físico-MecánicasEscuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones


martes 11 de abril de 2023

Protección de Líneas de Transmisión

Protecciones Eléctricas

Gilberto Carrillo Caicedo


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PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISIÓN Por su longitud las líneas de transmisión están más

expuestas a los cortocircuitos que cualquier otro elemento del sistema. Dependiendo de los requisitos que se deben llenar, las líneas están protegidas por equipo de protección de sobrecorriente, distancia y piloto.

PROTECCION CON FUSIBLES

Este tipo de protección primaria (está en el circuito de potencia), que se usa en alimentadores de distribución; el fusible se selecciona para que en caso de falla separe la zona afectada del resto del sistema. Los tipos de fusibles más comunes son los de tipo K y los de tipo T, siendo los de tipo K rápidos y los de tipo T lentos. Curvas características de funcionamiento se muestran en la siguiente figura.


4




5



El fusible A se selecciona de manera que su característica mínima de fusión esté por encima de la curva de carga fría (arranque del sistema de distribución después que los motores de los electrodomésticos, etc. han perdido su diversidad y que su característica de interrupción esté debajo de la curva del elemento a proteger (cable).

El fusible B se selecciona de tal forma que la curva de fusión de B esté por encima de la curva de interrupción de A.


6


Para mantener selectividad se debe asegurar que la característica de fusión del fusible “protegido” (B) esté siempre por encima de la interrupción del fusible “protector” (A) esto se asegura considerando:

Los fusibles tienen un bajo costo de adquisición, una operación rápida para altas corrientes, un mantenimiento bajo y la limitación de corriente (en el caso de los tipo HH) solo la hace para corrientes de coci. Por otra parte, los fusibles no son reutilizables, su operación es monopolar (si no tienen disparador) y su operación ante transitorios puede ser errónea.

75,0)(_

)(_. Bprotegidofusión

Aprotectorterrupciónin

t

t



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PROTECCION CON RELÉS DE SOBRECORRIENTE

Se usa para líneas más importantes si se logra justificar el costo extra impuesto por los transformadores de corriente, relés e interruptores. Tiene la cualidad de poderse utilizar después de operar y de facilitar la coordinación.Fijación:La fuerza ejercida por el disco del relé depende del flujo, y este es directamente proporcional a (NI), esto es, si se aumenta el número de vueltas, la corriente necesaria para apenas hacer operar el relé disminuye y viceversa. Para que se produzca el mismo par se necesitan los mismos amperios vuelta

(NI); esa condición es la que permite variar la corriente mínima de operación, es decir al variar el tap se varía el número de espiras, y por tanto la corriente mínima de operación.


8



Características de tiempo inverso.

Bobina y disco de relé.


9


El tiempo de operación, a su vez depende de la posici6n de arranque del disco. Si el disco arranca de una posición más alejada, se demora más en llegar a la posici6n de cierre de contactos para la misma corriente. Esta circunstancia se aprovecha para cambiar el tiempo de operación del relé (Dial). Fijar el relé significa fijar su tap y su dial.TapEl tap se debe seleccionar de manera que cumpla con las siguientes condiciones:— Ser mayor que la corriente de carga para que no opere en condiciones normales de trabajo del sistema.— Ser menor que la corriente mínima de coci para lograr la operaci6n bajo cualquier condición de coci.

Imin coci> Imin operación > Imáx de cargaImin operación = K. Imáx de carga

K varia entre 1.25 y 2La fijación del tap debe tener en cuenta el punto a partir del cual arrancan las características de operación de los relés (normalmente 1,5 veces el tap), para que la corriente mínima de cortocircuito sea mayor que ese valor.



10


Si no tiene protección específica de falla a tierra.

Si tiene protección de falla a tierra adicional.

Se acostumbra a dividir por (2) para tener en cuenta algunos valores de impedancia de falla, ya que los estudios de coci consideran fallas sólidas (sin impedancia de falla).Después de fijar el relé más alejado de la fuente, se debe fijar el de la estación siguiente

21

minf

coci

II

22

minf

coci

II

22 min

maxcociI

tapIK

Como Imin coci se acostumbra a tomar, para los rel6s de fase:



11


En el caso mostrado en la siguiente figura la barra A es límite entre las dos zonas de protección y por ello es el punto base para la coordinación entre los relés 1 y 2.

DialLa fijación del relé más cercano a la carga depende directamente de ella, especialmente en cuanto a las corrientes de conexión (arranque, carga fría), pero se debe tratar de selecciona el más bajo posible. Después de fijar el relé más cercano a la carga (1) se debe continuar hacia el generador (2)

Protecci6n de líneas en cascada



12


La característica tiempo—corriente del relé 1 ya se encuentra disponible, por ello, el tiempo de operaci6n tiA para el cocia se puede leer fácilmente. Como el relé 2 es el respaldo del 1, éste debe operar si la falla (correspondiente al relé A) permanece el tiempo t1A más un tiempo de espera (de coordinación t) con el cual se busca asegurar que el relé 2 solo opere si el 1 no actúa.

Curvas de diferentes tipos de relés.

ttt BB 12



13


El tiempo de coordinación t, se obtiene considerando:Tiempo del relé auxiliar 1 ciclo 1 ciclo Tiempo del interruptor de potencia 5 ciclos 5 ciclos Inercia del disco 6 ciclos 6 ciclos Margen de seguridad 6 ciclos 6 ciclos _____________ ____________ 18 ciclos = 0,3 s

Por lo tanto t debe ser del orden de 0,3 Seg. Para relés electromecánicos (0,3 — O5 seg.); calculando t2B se fija el dial. Con esto queda fijada la unidad de tiempo nuevo (51).



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Uso de la Unidad Instantánea (50)

Usando solo unidades de tiempo inverso (51), la operación de los relés a medida que se acercan a los generadores (cortocircuitos más críticos) se hace más demorada. Para hacer más rápida la protección resulta muy económico usar unidades instantáneas (50).La determinaci6n de la corriente de operación de la unidad instantánea del relé 2, por ejemplo, debe tener en cuenta que esta solo debe actuar para fallas en la línea AB, esto es, debe ser mayor que la corriente máxima (asimétrica) de falla del terminal (3), pero menor que la corriente máxima de falla del terminal (A), esto es: 12 2max cocimáscoci KUII



15


El valor de K debe ser de 2 (ó 1.732), a no ser que se haga con análisis más detallado del sistema.

18 ciclos = 0,3Seg.Cuando se está coordinando se deben chequear los tres factores siguientes:Unidad Instantánea (U.I).

1.5 tap 3.I coci en A.

Ejemplo 1: Un relé tipo IAC, se fijó en T2D2 (tap 2, dial 2), la TRC es 100/5, y la corriente de coci, es de 500 A. ¿Cuanto demorará en actuar el relé?Solución:

El múltiplo de la corriente tap:

AI 25)5/100(

500sec

5,122

25Múltiplo



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Esquemas del ejemplo 1


De la figura 4.6 y para el dial 2 se obtiene un tiempo mínimo de operación de 0,48 Seg.


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Ejemplo 2:Seleccionar el relé, fijar el relé para las siguientes condiciones:In = 300 A. El tiempo para el cual opera el relé con coci trifásico debe ser de 0,5 seg. Mínimo. = 2000 A = 5000 A

Solución:Se selecciona la corriente secundaria nominal del transformador como 5 Amperios.Se fija: Iprimaria = RTC A 300 = 60

1fI

3fI

AI f 33,3360

2000sec1 AI coci 67,16

2

33,33secmin_



18


=16,37A

AI coci 33,8360

5000sec3

AI coci 10002

2000secmin_

secmin cociI

5,1min cociI

tap

5,1

67,16tap

Atap 11,11

AItap ac 5,7)60

300(5,15,1 argmax



19


Por lo cual se puede seleccionar el tap de 8 A que es el inmediatamente superior (y menor que la Imin coci/1,5).



20


La unidad instantánea se fija para en la barra anterior,

UI2 =

Uso de la Unidad DireccionalCuando se tienen corrientes en malla, y/o bialimentados se hace imposible mantener la selectividad con los relés usados antes, ya que ellos se tendrían que coordinar en ambos sentidos (los relés de sobrecorriente actúan es por exceso de corriente más no por dirección) y esto implicaría que un aparato que aparece como respaldo en un sentido, será principal en otro.

cociI2

15,1min

1cociI

tap 5,1

min1argmax

cociac

ItapIK



21


Uso de la Unidad Direccional

Sistemas con alimentaci6n no radial

a. Bialimentado b. Enmallado

a.

b.


22


Uso de la Unidad Direccional

Para poder coordinar adecuadamente los relés, éstos tienen que estar “mirando” en una sola dirección o, en otras palabras tener unidad direccional.Los relés situados en los extremos cercanos al generador (ver Fig. b) solo captan (pasa por ellos) corriente hacia el anillo.Sí ocurre una falla en el lado del generador no pasa corriente por ellos, por lo cual no necesitan diferenciar el sentido de circulación de la corriente, esto es, no necesitan(adicionalmente la unidad direccional).No se usa unidad direccional cuando la corriente máxima de coci en el sentido de no disparo es menor que el tap (corriente mínima de operación o de arranque) en el sentido de disparo, o el tiempo de operación del relé que mira en el sentido de no disparo es menor.

No disparo ó Dispara

operacióncoci II minmax5,1

disparodisparonorelé tt


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PROTECCIÓN DE LINEAS CON RELÉS DE DISTANCIA

La protección de distancia debe considerarse cuando la protección de sobrecorriente es muy lenta o no es selectiva y se puede justificar el costo superior de ésta.

La protección de distancia es casi inmune a los cambios de capacidad de generación del sistema, así como de su configuración.

Fijación y Coordinación

Para calibrar un relé de distancia basta con fijar el tiempo al cual debe actuar y el valor de impedancia a partir del cual se necesita la operación (ver Fig. c). Para la protección de líneas, generalmente se usan tres etapas o zonas:


24


PROTECCION DE LINEAS CON RELÉS DE DISTANCIA

Zonas de protección.


25


Primera Zona: Protección principal

Abarca del 85% al 90% de la línea, cualquier falla dentro de esta zona hará que el relé actúe instantáneamente. No se fija para un 100% para prevenir la operaci6n en caso de falla en la línea siguiente.

Segunda Zona: Protecci6n principal y respaldo

Termina de proteger la primera línea y abarca hasta un 50% de la siguiente línea (mínimo 25%). Para evitar que la zona 2 actúe simultáneamente con la zona 1 del segundo relé, se coloca un temporizador para demorar la operación.

Tercera Zona: Protecci6n y respaldo

Abarca como mínimo hasta el 10% de la siguiente Línea. Esta zona también debe temporizarse para prevenir la operación simultánea con la protecci6n de la siguiente línea (normalmente 0,6 seg.).



26


Ejemplo:Tomando el siguiente gráfico

Esquema del ejemplo.



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Línea A = 10; Línea B = 20; Línea C = 10

Estos valores se dan en secundarios. Zona Relé 1 10 (0,9) = 9 0” 2 10 + 20 (0,5) = 20 0,3” 3 10 + 20 +10 (0,15) = 31,5 0,6” Zona Relé 1 20 (0,9) = 18 0” 2 10 + 20 (0,4) = 24 0,3” En este último caso se fijan dos zonas.



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VISUALIZACION EN EL DIAGRAMA R - X

El relé de distancia opera para determinadas condiciones de voltaje y corriente sin importar de donde provengan. las condiciones pasadas al secundario, determina la fijación (y luego la operación) del relé, así:

sec

sec

I

VZ relé

RTP

RTCZZ primrelé



29


Si se considera un sistema como el de la siguiente figura en el cual se obtuvieron los equivalentes de Thevenin hacia ambos lados del relé, se tiene:

BA

ABBA

BA

BA

BA

BAAA

AArelé EE

ZEZE

ZZ

EE

ZZ

EEZE

I

IZE

I

VZ



30


Si se tiene

Si se tiene

0BE

0AE

BA

BArelé Z

E

ZEZ

AB

ABrelé Z

E

ZEZ

Diagrama R-X



31


Desde el punto de vista de potencia se tiene:

Luego

Y

V

jQP

V

I

VZ relé

jQP

jQP

jQP

V

jQP

VZ relé

22

PS

VR

2

QS

VX

2

Visualización de un punto de Visualización de un punto de

carga en el diagrama R-Xcarga en el diagrama R-X



32


SITUACIONES QUE AFECTAN LOS RELÉS DE DISTANCIA RESISTENCIA DEL ARCOEl comportamiento del arco es puramente resistivo y se calcula por medio de algunas formas empíricas.

WARRINGTON

RUSOS

L=Longitud de arco en m. La longitud inicial del arco es la distancia entre las espiras.I= Corriente de falla en (A).

4,1

29000

I

LRARCO

I

LRARCO

050.1


33


FUENTES INTERMEDIASUna fuente de corriente intermedia localizada entre un relé de distancia y una falla puede afectar el funcionamiento de estas (líneas de tres terminales).

El relé en “A” ve:

Al ocurrir un cortocircuito, el relé ve mas impedancia que aquella vista sin la conexión intermedia.

Diagrama unificar para explicación

de fuentes intermedias

A

BAPFAP

A

AreléA I

IIZZ

I

VZ

A

BPFAFreléA I

IZZZ

SITUACIONES QUE AFECTAN LOS RELÉS DE DISTANCIA


34


La protección de la zona 1, se debe fijar sin considerar la alimentación intermedia.

Por tanto se debe calibrar:

- La primera zona: 85% de la parte más corta de la línea sin considerar alimentación intermedia.

- La segunda zona: 25% a 50% de la siguiente línea con alimentación intermedia mayor de las obtenidas.

- La tercera zona: 10% a 20% de la tercera línea considerando el efecto de alimentación intermedia.



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SALIDA DE SINCRONISMO DE LAS MAQUINAS

Diagrama unificar para análisis de salidas de sincronismo



36


ATrelé ZZ

nn

jsennnZ

22

2

cos21

cos

0 BB EE

I

IZE

I

VZ AArelé

ATBA

Arelé ZZ

EE

EZ

Si BA nEE

Si n=1 se tiene:

AT

relé ZZ

gjZ

22cot1



37


En el diagrama R – X se tiene:

Desplazamiento de la impedancia vista por el relé por una salida de sincronismo.



38


Diagrama R-X para la salida de sincronismo



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El relé actuaría en caso de salida de sincronismo, si el tiempo en pasar la característica del relé es mayor que el de operación del relé. Para determinar la acción o no del relé se mide el tiempo de paso del punto por dos sitios, si es cero se debe a que es un cortocircuito y si el tiempo es mayor implica que existe una salida de sincronismo.

Para la medición del tiempo se debe tener en cuenta que:

Donde δe : ángulo de entrada entre EA y EB δs : ángulo de salida entre EA y EB M : momento de inercia del Stma P : potencia Acelerante = Pm – Pe

dt

dt eS

Pd

Mdt

d 2


Y


40


PROTECCIÓN PILOTO

La interrupción a alta velocidad de fallas en las líneas de transmisión se reconoce como necesaria para el buen funcionamiento del sistema.

Para asegurar disparo simultáneo de los interruptores en todos los terminales de una línea de transmisión es práctico y confiable utilizar un esquema diferencial.

La protección piloto corresponde a la protección diferencial aplicada a las Líneas de transmisión. Las formas que toma la protección son: hilo piloto, honda portadora, y microondas.


41


PROTECCIÓN PILOTO

Hilo Piloto

Se usa en circuitos del orden de 30 Km. cuando económicamente no se puede justificar un esquema de onda portadora.

Los dos esquemas que se describen a continuación usan un sólo relé en cada terminal para realizar tanto la protección de fase como la de tierra pero no incluye protección de respaldo para fallas externas, y tampoco protección para la propia línea cuando el hilo piloto está fuera de servicio.


42


PROTECCIÓN PILOTO

Ilustración del efecto de resistencia y de la corriente capacitiva de los alambres pilotos.


43


PROTECCIÓN PILOTO

Corriente circulante

Protección piloto por el método de corriente circulante a. Circuito de aplicación b. Circuito de control.


44


PROTECCIÓN PILOTO

Voltajes opuestos

Su conexión se hace de tal manera que se aplique a las bobinas de operación de los relés, la diferencia de las tensiones secundarias de los transformadores de corriente, como se muestra en la figura.

Protección piloto por voltajes opuestos.


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PILOTO CON SEÑAL DE ALTA FRECUENCIA

La acción de la protección puede darse por la recepción de una señal de disparo) o por la no recepción de la señal, (de bloqueo).

• Microondas El piloto de microondas emplea un canal de radio de

onda corta (frecuencia alta)

• Onda portadora

La protección piloto por onda portadora usa el esquema de bloqueo ya que no se puede garantizar que la señal de disparo llegue a la otra subestación (pues existirá corto en la línea).


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ONDA PORTADORA


47


METODOS

1.Comparación direccional

2.Comparación de fases

3.Disparo transferido directo de subalcance

4.Disparo transferido permisivo de subalcance

5.Disparo trasferido permisivo de sobrealcance


48


1.Comparación direccional


49


2.Comparación de fases


50


3. Disparo transferido directo de subalcance


51


4.Disparo transferido permisivo de subalcance


52


5.Disparo trasferido permisivo de sobrealcance


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APENDICE 4ª. EQUIPO DE ONDA PORTADORA• COMPONENTES Los elementos constitutivos: el transmisor, la línea

de transmisión, el circuito de acoplamiento y el receptor.

• CARACTERISTICAS DE LA LINEA DE TRANSMISION a.Impedancia característica de la línea

b. Atenuación De La Línea

( )dZ=120 Ln [ ]

rW

2*Rz

=


54


54


SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR

La relación señal-ruido (SNR) determina la potencia del equipo transmisor y es la diferencia entre el nivel de la señal recibida y el nivel de ruido o interferencia de la línea.

Niveles de señal portadora


55


55



El procedimiento a seguir para determinar la potencia del equipo transmisor es de la siguiente manera:

• Se calcula el ruido producido en la línea• Se calcula la atenuación• Se obtiene el nivel de transmisión• Se calcula la potencia del transmisor


56


56



El nivel de ruido a la entrada del receptor determina el nivel mínimo de la señal recibida que asegura el funcionamiento adecuado del sistema de comunicaciones.

Nivel de ruido por los conductores en mal tiempo:

Donde,

es el ruido producido por los conductores en mal tiempo (en dbm)

es el gradiente ficticio de potencia, kV/cm.

fN

fE

][150045.095.55.96 2 HzfparaEEN fff


57


57



gradiente efectivo:

Donde:

=3/4, exponente correctivo; densidad relativa del aire.

=1 Para temperatura ambiente de 25ºC y 760 mm de Hg de presión.Gradiente de potencial superficial del conductor, perpendicular a la superficie del conductor.

fE Q

EE f

Q

Q

Kºen ambiente atemperatur

Hg de mmen abarométricPresión 392.0Q

E


58


58



Gradiente de potencial superficial del conductor:

Radio del conductor en cm

Carga superficial

Cuando se tiene un haz de conductores por fase, éste puede remplazarse por un solo conductor equivalente:

Radio del conductor equivalente.

Radio del subconductor.

Distancia entre subconductores más cercanos.

Numero de subconductores.

R

RR

AR

n

C

1

A

n

cR

R

qE

6.0

Rq

E


59


59



La atenuación total para el circuito completo es la suma de:

• Perdidas en el cobre coaxial entre el equipo de

portadora y la unidad de acople.• Perdidas en el quipo de acople y sincronización.• Perdidas en las conexiones en puente.• Perdidas en los circuitos ramales.• Perdidas debida a la baja impedancia

presentada por una línea sin trampa.• Perdidas debidas a la propagación simultánea

sobre caminos alternos.


60


60



El nivel de transmisión debe ser tal que asegure a la entrada del receptor una relación señal-ruido que este por encima del ruido producido por la línea en el valor igual de nivel mínimo de umbral, aprox. 20 Vd, mas el margen de operación.

Para tensiones mayores o iguales a 220 kV:

Para tensiones mayores de 220 kV:

Donde:Señal-ruido para un buen tiempoRelación señal-ruido deseado para mal tiempo.

bS

mS

174min mb SSSNR

172min mb SSSNR


61


61



El nivel de transmisión debe calcularse, entonces:

,

Donde: Numero de canales vocales. Numero de canales de señalización.

Cuando se transmite la señal simultáneamente con la vozNumero de tomos de telemetría.Nivel de canal de voz.Nivel de tono de señalización.Nivel de tonos de telemetría.Nivel de señal de volts.Potencia del transmisor en WattsResistencia del cable coaxial.

fNSNRAP min Cba

WREP 6.115.4

abba

C

vE

sE

tEPEWR


62


Cuando la línea es de una tensión muy elevada, resulta muy costoso el sistema de acoplamiento, por lo tanto se emplea la línea de guarda como medio de transmisión de onda portadora y puede utilizarse en líneas largas y cortas.

Normalmente los cables de guarda se conectan a tierra, pero al conectarlo se puede utilizar en comunicaciones multicanales de ancho de banda con la vual se logra un bajo costo por canal.

Algunas ventajas de este sistema son:• Los cambios debido al accionamiento de interruptores y la

adición de líneas no afecta la comunicación.• Se facilita el uso de estaciones repetidoras en líneas largas.• Se reducen las perdidas de potencia ocasionadas por

inducción.



63


Niveles de la señal portadora, niveles de ruido de la transmisión para onda portadora:



64


Finalmente el nivel de potencia del transmisor esta dado por:


Psvt ECbEaEE

CbaEE Pt 15.4


65



65


OBTENCION DEL LUGAR GEOMETRICO DE LA IMPEDANCIA EN CONDICIN DE SALIDA DE SINCRONISMO DE LA MAQUINA.

Demostración que el lugar geométrico de la impedancia vista por el relé de distancia es un círculo que tiene radio:

Para obtener este resultado partimos del siguiente circuito:

tZn

nR

12

Ea Za ZbRL XL Eb


66


66



º0 aa EE º ba EE

nE

E

b

a

aaa

rele ZI

IZEZ

t

ba

bla

ba

Z

EE

ZZZ

EEI

22 11 n

enZ

n

ZZZ

ftt

arele

(1) (2)

(3)

(4)

cos12

12

21

nn

sennTg


67


67



Diagrama circular de impedancia.


68



68


La ecuación (3) representa un círculo que tiene el centro en el sitio determinado por la resultante de los vectores.

El radio tiene la magnitud del vector el cual describe el

Circulo cuando varia de 0 a . esta determinado por la ecuación (4).

ta Zn

Z

21

1

Jt en

Zn21

2


69



69


Del diagrama circular obtenemos que:

Teniendo en cuenta:

nn

sennTg

2cos1

12

21

cos222babat kEkEkEkEZ

EZap bbp EZ 22 11 n

ZBC

n

ZBC tt




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