B5-60 - Comité Nacional Venezolano de CIGRÉ
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III CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Marzo 2012 Comité Nacional Venezolano B5-60 ESTUDIO SOBRE LOS CRITERIOS PARA AJUSTAR LOS RELÉS COMPARADORES DE FASE Y DIFERENCIALES DE LAS LÍNEAS A 230KV DEL CENTRO DE TRANSMISIÓN CAPITAL DE CORPOELEC L. Brito*,**,*** Y. Blanco* E. Sorrentino ** * Corpoelec - Centro de Transmisión Capital (CTC) ** Universidad Simón Bolívar *** Actualmente en Cielemca, C.A. RESUMEN En este artículo se presenta un estudio sobre los criterios para ajustar los relés comparadores de fase y los relés diferenciales de las líneas de transmisión a 230kV del Centro de Transmisión Capital (CTC). El estudio abarcó 32 relés, de 6 modelos distintos, correspondientes a la protección de 16 líneas de transmisión. Los 6 modelos de relés estudiados pueden ser clasificados de la siguiente manera: diferenciales de línea segregados por fase (1 modelo) y no segregados por fase (2 modelos), y comparadores de fase no segregados por fase (3 modelos). Se analizó el principio de operación de cada modelo de relé, ante fallas trifásicas, bifásicas y monofásicas, y se establecieron los criterios de ajuste para cada relé. Se definió un criterio de ajuste para los coeficientes del filtro de secuencias de los relés no segregados por fase, y para los demás ajustes necesarios para cada relé. En el caso de relés diferenciales de línea segregados por fase, se definió un criterio para el ajuste de la característica diferencial. En todos los casos se buscó obtener una buena sensibilidad ante fallas dentro de la línea protegida y se buscó evitar que el relé opere ante fallas externas. Los ajustes calculados para las 16 líneas en estudio fueron evaluados en cuanto a su sensibilidad para detectar fallas dentro de la línea protegida, mediante simulaciones de fallas a través de resistencia. Dichas simulaciones fueron realizadas con el software disponible en el CTC para análisis de fallas en sistemas eléctricos. El estudio realizado es un avance en el análisis de los criterios deseables para el ajuste de los relés que fueron estudiados. PALABRAS CLAVE Criterios de ajuste de protecciones, relés comparadores de fase para líneas, relés diferenciales de línea. Leandro Brito: Universidad Simón Bolívar, 58412-369-56-75, email: [email protected]. 1. INTRODUCCIÓN En la literatura no hay mucha información sobre los criterios para ajustar relés diferenciales de línea y comparadores de fase. Por lo general, dichos relés suelen ajustarse siguiendo lo recomendado por el fabricante. Este artículo presenta un estudio sobre los criterios para ajustar los relés comparadores de fase y diferenciales para las líneas a 230kV del CTC, con el fin de analizar la posibilidad de obtener mejor desempeño de los equipos y evaluar la sensibilidad que ofrecen estos relés con los ajustes recomendados. 2. PRINCIPIO DE OPERACIÓN COMPARADORES DE FASE Y CRITERIOS DE AJUSTES DE LOS RELÉS Los relés comparadores de fase (78) en estudio son tres 3 modelos, los cuales según su tecnología de fabricación son: dos de fase no segregada analógicos y uno de fase no segregada numérico. Los dos relés analógicos son marca General Electric (GE) modelos SLD41F y SLD51A, mientras que el numérico es marca Asea Brown Boveri (ABB) modelo REL-352. 2.1 Principio de operación de los relés modelos SLD41F y SLD51A GE Los relés de cada extremo de la línea protegida, combinan las corrientes de las fases (Ia, Ib, Ic) en una cantidad monofásica obtenida a la salida del filtro de secuencias (FS) [1]. Dicha cantidad se calcula como: e : Corrientes de secuencia negativa y positiva. : Tap de ajuste de la cantidad de secuencia positiva. Fig. 1 Funcionamiento de los 78 analógicos [1] Esta cantidad monofásica es utilizada para ejecutar la comparación de fase entre los terminales de la línea protegida, y al mismo tiempo es usada para operar los detectores de nivel FDL y FDH [1]. Con las polaridades de los transformadores de corrientes (TC´s) mostradas en la Fig. 1, la corriente local y la remota tienden a estar en fase para una falla interna (condición de disparo), mientras que tienden a estar desfasadas cerca de 180º ante una falla externa [1]-[2]. El detector de nivel bajo FDL (ó ) permite la transmisión de la señal cuadrada local a comparar con el terminal remoto, si es activado por el valor de la corriente de comparación. Mientras, el detector de nivel alto FDH (ó ) arma la lógica de disparo si su valor es sobrepasado por la corriente de comparación. La decisión de disparo, depende del resultado de la comparación fases [3]-[4]. 2.2 Criterios de ajuste para los relés modelos SLD41F y SLD51A GE Los posibles ajustes que posee este tipo de relé son y los dos detectores de fallas. Para garantizar la operación del relé, se necesita que los dos detectores sean activados para cualquier tipo de falla interna. En este sentido, se asumirá un margen del 50% por previsión de errores por saturación en los TC´s y por retardo del canal de comunicación, entre otros factores. El valor del debe cumplir con las expresiones obtenidas en la Tabla I, para cada tipo de falla mínima. 2 Tabla I Corriente de salida del filtro de secuencias en el extremo local para cada tipo de falla Falla trifásica Falla bifásica Falla monofásica Se puede aproximar | y | ( Se puede aproximar ) | | : Corrientes de secuencia negativa y positiva del extremo local De acuerdo con [1], se puede seleccionar directamente ajustarlo al 50% del detector de alto nivel, es decir: | de la falla monofásica y el detector | Respecto al valor de , tal como lo indica [1], si este valor tiende al infinito el relé perdería la sensibilidad de detectar fallas trifásicas, como puede verse de la ecuación (2). Además, según [1] y [3]-[4], si es un valor elevado pero admisible, se minimizan los efectos no deseados de flujo de carga durante una falla interna; y en caso contrario, aumenta la seguridad para fallas externas, donde las corrientes de cortocircuitos sean elevadas. No obstante, para estos tipos de relé se recomienda el ajuste de ; y en caso de que se desee aumentar la sensibilidad para la falla monofásica, se puede ajustar a un valor mayor ( ). 2.3 Principio de operación del relé modelo REL-352 ABB El relé de cada terminal de la línea protegida, combina las corrientes de las fases a una corriente monofásica a través de un FS, de la siguiente manera: : Corriente de secuencia cero , y : Coeficientes de secuencia positiva, negativa y cero : Corriente de salida del FS De acuerdo con [1] y [5], para realizar la comparación de fase entre la onda sinusoidal local ( ) y la remota ( ), el relé de cada terminal transforma la onda sinusoidal local en tres ondas cuadradas equivalentes en fase, por medio de los siguientes umbrales: de corriente ( ), positivo local ( ) y negativo local ( ). El y representan el semiciclo positivo y negativo respectivamente de la onda local, mientras que el genera la onda cuadrada que es enviada al extremo remoto. Además la operación del relé depende del modo en que se utilice el enlace de onda portadora. En modo Frecuency Shift Key (FSK), el relé compara tanto el semiciclo positivo y negativo de la onda local con la remota, mientras que para ON-OFF, sólo se realiza la comparación en el semiciclo negativo. El enlace de comunicación de todas las líneas protegidas con este tipo de relé en el CTC es en modo FSK [1]. En la Fig. 2 se aprecia que el extremo local genera las señales y a partir de , además el se genera en el terminal remoto y es transmitido por el canal de comunicación. La señal es recibida como MARK y SPACE sujeta a un retardo de propagación de comunicación, por consecuencia, el terminal local compensa este error retardando las señales y , para permitir la correcta comparación [1] y [5]. 3 Las señales MARK y son multiplicadas lógicamente y se produce la condición de “coincidencia de disparo positivo”, de la misma forma con la señales SPACE y se obtiene “coincidencia de disparo negativo”, finalmente, el relé local emite la señal de disparo, si y sólo si el tiempo de coincidencia es al menos 4ms [1] y [5]. Para permitir la transmisión de señales entre los relés de cada terminal y hacer posible la comparación de fase se deben activar dos detectores de fallas FD1 y FD2. Las unidades FD1 y FD2 se recomienda que sean operadas sólo por dos niveles de corrientes ( e ) [1] y [5]. Fig. 2 Operación del REL-352, para una falla interna en modo FSK [5] 2.3.1 Criterios de ajuste para el relé modelo REL-352 ABB Los ajustes de este relé necesarios para realizar la comparación de fases son: , , , , , , y . Por otro lado, el análisis de cada falla se muestra en la Tabla II. Este análisis se basó en la condición definida en la ecuación (9), que es requerida para que el relé opere ante cualquier falla [1]. El tiempo mínimo de la ecuación (9), se calcula de la siguiente forma: El valor de en la ecuación (10) corresponde con el periodo de la señal. En este mismo sentido, los 0,5 ms representan el error del retardo [1]. Los 2 ms Fig. 3 Corriente de salida del FS en función del tiempo [1] involucrados en la ecuación del , son para asegurar que el ancho del pulso de por lo menos 4 ms. Este es el tiempo de coincidencia necesario entre las ondas locales y remotas para que el relé opere. Por último el 1,1 representan un margen de seguridad. En el caso de una frecuencia nominal de 60Hz, el para que el LP sea superado por IT es 1,52 ms [1]. Como puede verse de la Tabla II, a partir de la falla trifásica mínima se puede determinar los umbrales , e . Además se observa que el ajuste de puede ser un valor arbitrario. Cabe acotar, que el seleccionado debe estar dentro del rango de ajuste disponible en el relé numérico. Sin embargo, se recomienda el valor de [l]-[5]. Los ajustes de los coeficientes y , se determinan del análisis de las fallas bifásicas y monofásicas, por medio de las ecuaciones (19) y (22) respectivamente. 4 En cuanto al margen de seguridad del 40% usado para el ajuste umbral (Ver ecuaciones (12) y (14)), permite aumentar el ancho del pulso de la onda cuadrada local, la cual usada para la comparación la onda cuadrada remota. Por otro lado, respecto al umbral , se recomienda el ajuste de 50% de LP (Ver ecuación (15)), ya que el umbral debe estar por debajo el , para el buen funcionamiento del equipo. , y : Fasor de las corriente de secuencia positiva, negativa y cero, vistas por relé local , y : Valor eficaz de las corrientes de secuencias, vistas por el relé local : Umbral del positivo local, en amperes secundarios del transformador de corriente Tabla II Análisis de operación del relé REL-352 para cada tipo de falla Falla trifásica La corriente de salida del FS es: Falla bifásica La corriente de salida del FS es: Falla monofásica La corriente de salida del FS es: Por medio de la expresión (9) se tiene: Por medio de la expresión (9) se tiene: A partir de la ecuación (9), y si definimos: Se tiene: √ Luego con un margen de 40%, se tiene el siguiente umbral para la falla mínima como: Si se aproxima: Si se aproxima: √ El umbral LP se calcula de la ecuación (12) El umbral IKEY al 50% de LP: Se puede escribir C2 como: ( Finalmente: ) √ ( ) √ El umbral negativo como: Finalmente, con respecto al detector , si se asume un margen de seguridad del 20% para que sea activado ante cada una de las corrientes de falla mínima, el valor de ajuste de corresponde con el menor de las ecuaciones agrupadas en la Tabla III. En este sentido, como el enlace de comunicación es onda portadora en FSK, no existe inconveniente en la transmisión de señales continuas entre los relés y se puede ajustar inferior a la corriente de carga, aunque se recomienda ajustarlo al 50% de [1]. Tabla III Posibles ajustes de ITA2 de acuerdo al tipo de falla Falla trifásica Falla bifásica | | 3. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DIFERENCIALES DE LÍNEA Falla monofásica | | Y CRITERIOS | DE AJUSTES || | DE LOS RELÉS Los relés diferenciales de línea (87L) en estudio son tres 3 modelos, los cuales según su tecnología de fabricación corresponden con dos de fase no segregada y uno de fase segregada numérico. Los 2 modelos no segregados por fase son marca ABB, uno analógico modelo LCB-II y uno numérico modelo REL-356. En cuanto el segregado por fase, es marca GE modelo L90. 5 3.1.1 Principio de operación del relé analógico modelo LCB-II ABB El relé de cada terminal transforma las tres fases de las corrientes a una cantidad monofásica de voltaje, por medio de un FS, de la siguiente forma [6]: : Voltaje de salida del FS : Ajuste de sensibilidad de corriente del FS Luego de que la cantidad monofásica de voltaje es obtenida en ambos extremos de la línea, se calcula la cantidad operativa ( ) y la restrictiva ( ) de la siguiente forma [6]: | | (27) | | | | | | (28) : Voltaje de salida local retardado y : Voltaje de salida de los terminales remoto 1 y 2 Finalmente la condición de disparo del relé ante una falla interna queda determinado como: , 3.1.2 : Valor umbral configurado dentro de la lógica del relé Criterio de ajuste del relé analógico modelo LCB-II ABB Los ajustes de este tipo de relé son los coeficientes de secuencia y . Para establecer el criterio de ajustes, se debe tomar en cuenta, que según [6], para que el disparo ocurra en un terminal, la tensión de salida del FS debe mayor o igual a 1,414 V. Esta tensión límite es una condición que se debe cumplir en ambos terminales para que ocurra el disparo [1]. Por consecuencia, ante cualquier de falla mínima, se cumple: | | De acuerdo con [1], se recomienda ajustar y , ya que estos valores de coeficientes permiten garantizar una buena sensibilidad de la falla trifásica y bifásica. Del análisis de estas fallas, se obtuvieron dos ecuaciones ((31) y (32)) que determinan dos posibles valores de . Se recomienda seleccionar el menor, para asegurar que el relé detecte ambas fallas sin tener pérdidas de sensibilidad. Fallas trifásicas: | || | Fallas bifásicas: | || | El factor 12 de la ecuación (31), incluye un margen de seguridad de 20%. Por último, se debe elegir el mínimo valor de que cumpla con la condición de la ecuación (33) para la falla monofásica mínima. | | 3.1.3 | | Principio de operación del relé numérico modelo REL-356 ABB La corriente se salida del filtro de secuencia corresponde con la ecuación (8), ya que posee el mismo filtro que el relé REL-352. Una vez obtenida esta cantidad monofásica, el relé de cada extremo de la línea protegida recibe la corriente remota y envía su corriente local, para determinar la cantidad operativa ( ) y restrictiva ( ) de la siguiente forma [7]: | | | | | | El criterio de operación del relé se calcula por la ecuación (36). La pendiente esta fija en el relé y es 0,7. , : Umbral de corriente diferencial 6 3.1.4 Criterio de ajuste del relé numérico modelo REL-356 ABB La Tabla IV resume los resultados obtenidos en [1] con respecto a la operación del relé ante las diversas fallas. Los ajustes posibles del relé son el umbral y los coeficientes de filtro de secuencias. El umbral queda definido por la sustitución de la ecuación (37) en la (38). El 0,6 representa un margen de seguridad para que el relé opere, pero se recomienda que el umbral esté por encima del valor de las corrientes capacitivas (multiplicadas por , para considerar el efecto del FS); con el objeto de evitar disparos erráticos bajo carga. Con respecto a los coeficientes del filtro de secuencias, se recomienda el ajuste de , mientras que y quedan determinados del despeje de las ecuaciones (39) y (40) respectivamente [1]. Tabla IV Análisis de operación del relé REL-356 para cada tipo de falla Falla trifásica [| | Falla bifásica | | ] | | √ ( ( ) ( * ( ( )) | | | | + : Umbral de corriente de falla bifásica Falla monofásica : Umbral de corriente de falla trifásica | ) )| [ : Umbral de corriente de falla monofásica | ( ) ( )| | | | | ] : Umbral de corriente diferencial, en amperes secundarios 3.2 Principio básico de operación y criterio de ajuste del relé segregado por fase numérico L90 GE Corriente diferencial S2 Idiff S1 BP Corriente de restricción La curva de operación tradicional del relé L90 tiene dos pendientes, con posibilidad de ajuste de ambas. Este relé calcula la corriente restrictiva y diferencial por cada fase. Además, posee una nueva componente de restricción aditiva [8]. De acuerdo con [1] y [9], los ajustes recomendados son: y , : Pendientes del relé. : Break point : Corriente nominal del TC Corriente capacitiva de alguna de las fases. Fig. 4 Curva de operación tradicional del L90 GE 4. RESULTADOS Para el cálculo de ajuste y para la determinación de sensibilidad de los relés con los ajustes propuestos, se utilizó el programa Digsilent Power Factory usado en el CTC para análisis de fallas. Las fallas se simularon al 100% de la línea, vista desde el extremo en estudio, con generación mínima en el sistema eléctrico del CTC. Por otro lado, para el cálculo de los ajustes de los relés se consideró el siguiente valor de las resistencias de falla: 0 Ω para las fallas trifásicas, 50 Ω para las bifásicas, y 80 Ω para las monofásicas. Además, se consideró un valor estimado de la resistencia de arco, usando la referencia [10]. Estos criterios de sensibilidad deseada fueron proporcionados por el CTC como una manera de limitar la probabilidad de operación de los relés ante fallas externas. 7 Tabla V Ajustes propuestos para las líneas protegidas con REL-352 y su sensibilidad para detectar las diversas fallas Línea Tacoa- Junquito Tacoa- Convento OMZ- Junquito 2 OMZ- Papelón Ajustes propuestos Extremo LP (A) IKEY (A) C1 C2 C0 ITA2 (A) 1,70 1,40 0,80 0,40 0,60 0,50 1,10 0,70 0,90 0,70 0,40 0,20 0,30 0,30 0,60 0,40 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,40 0,45 0,35 0,45 0,40 0,60 0,45 0,50 2,05 3,40 1,80 3,10 2,05 3,45 2,80 3,50 1,75 1,50 0,90 0,40 0,62 0,50 1,10 0,70 S/E Tacoa S/E Junquito S/E Tacoa S/E Convento S/E OMZ S/E Junquito S/E OMZ S/E Papelón Rf máxima, al 100% del extremo en estudio R3f (Ω) R2f (Ω) R1f (Ω) 8,00 7,50 11,00 6,00 8,00 5,50 7,00 4,50 51,00 50,92 51,25 50,92 51,00 50,82 50,96 50,82 88,20 88,20 88,20 88,20 88,20 88,20 88,20 88,20 Tabla VI Ajustes propuestos para las líneas protegidas con REL-356 y su sensibilidad para detectar las diversas fallas Línea Tacoa - Boyacá 2 Junquito - OMZ 1 Extremo Ajustes Propuestos OTH (A) C1 C2 S/E Tacoa S/E Boyacá S/E Junquito S/E OMZ 1,12 1,52 2,1 1,74 0,1 0,1 0,1 0,1 0,32 0,45 0,5 0,41 Rf máxima, al 100% del extremo en estudio R3f (Ω) R2f (Ω) R1f (Ω) C0 1,83 2,4 2,7 2,26 9,50 7,30 7,90 7,00 51,25 50,92 51,00 50,82 88,20 88,20 88,20 88,20 Tabla VII Ajustes propuestos para las líneas protegidas con SLD41F y SLD51A más su sensibilidad para detectar las fallas Línea Extremo Convento-Boyacá S/E Convento S/E Boyacá S/E Junquito S/E Papelón S/E Pedrera S/E Papelón S/E Tacoa S/E Boyacá S/E Santa Teresa S/E Papelón Junquito – Papelón Papelón - Pedrera 1 y 2 Tacoa - Boyacá 1 Santa Teresa- Papelón Ajustes propuestos FDL (A) FDH (A) 0,33 0,37 0,21 0,24 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,66 0,74 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 K Rf máxima, al 100% del extremo en estudio R3f (Ω) R2f (Ω) R1f (Ω) 7 7 7 7 7 7 7 7 10 10 65,00 60,00 58,00 62,50 0 al 95% 48,50 40,00 6,00 25,00 26,00 330,00 300,00 360,00 400,00 4,00 370,00 300,00 66,50 250,00 265,00 125,00 130,00 110,00 125,00 8,50 90,00 82,50 12,00 76,00 63,00 Tabla VIII Ajustes propuestos para las líneas protegidas con LCB-II y su sensibilidad para detectar las diversas fallas Línea Extremo Convento - Santa Teresa S/E Convento S/E Teresa S/E Convento S/E Curupao S/E Magallanes S/E Tacoa Convento – Curupao Tacoa – Magallanes T(A) 6,73 10,5 20 2,1 4,8 4,8 Ajustes Propuestos C1 C2 C0 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 2,45 2,45 1,25 1,25 1,25 1,25 Rf máxima, al 100% del extremo en estudio R3f (Ω) R2f (Ω) R1f (Ω) 14,50 13,80 37,00 0,00 0,00 No se logró simular 50,97 51,25 131,00 14,00 10,00 No se logró simular 115,00 125,00 178,00 72,00 18,00 No se logró simular Las Tabla V y Tabla VI muestran que todos los relés REL-352 y REL-356, con los ajustes propuestos, tienen buena sensibilidad para detectar fallas internas cercanas a su extremo remoto. Las Tabla VII y Tabla VIII muestran que los relés de tecnología analógica (SLD y LCB) tienen buena sensibilidad para detectar fallas internas, pero existen casos donde no se obtuvo la sensibilidad deseada, por limitaciones propias del relé (en estos casos, se buscó obtener la máxima sensibilidad posible). La Tabla VII muestra los ajustes para el caso del relé L90. Este caso, al igual que el caso de la última fila de la Tabla VIII, no se pudo simular de manera adecuada para la determinación de las sensibilidades del relé (usando los datos establecidos en el programa disponible en el CTC), y se recomienda analizarlo adecuadamente en un futuro. Tabla IX Ajustes propuestos para las líneas protegidas con L90 Línea OMZ - Papelón - Raíza Ajuste propuestos para cada extremo en por unidad de la Inct Idiff (pu) BP (pu) S1 (%) S2 (%) 0,37 2 15 30 8 5. CONCLUSIONES - - - La aplicación de los ajustes propuestos garantiza la operación de los relés ante fallas bifásicas y monofásicas de alta impedancia, dentro de línea protegida. Para los relés 78 y 87L no segregados por fase numéricos, la aplicación de los criterios de ajustes propuestos garantiza la elección de valores de los coeficientes de secuencias que cumplen con la sensibilidad deseada por el CTC. El ajuste del valor umbral en el 87L segregado por fase (Idiff) condiciona la sensibilidad para la detección de fallas con valores de resistencia elevados. En condiciones normales del sistema, la corriente diferencial en la línea teóricamente es la corriente capacitiva. Como el ajuste propuesto está por encima de las corrientes capacitivas en un factor de 2,5, esto debe garantizar una buena sensibilidad para detectar fallas internas en la línea, sin sacrificar excesivamente la seguridad. El estudio realizado es un avance en el análisis de los criterios deseables para el ajuste de los diferentes relés tratados en este artículo. REFERENCIAS L. Brito, “Criterios de ajustes para la protección primaria de las líneas a 230kV de La Electricidad de Caracas”, Informe final de pasantía larga, Universidad Simón Bolívar, Septiembre 2011. [2] S. Horowitz, A. Phadke, “Power system relaying”, John Wiley & Sons, Ltd, 3ra edition, Londres, 2008, págs. 148-154. [3] General Electric, “GEK-27854 Instructions Static Phase Comparison Relay Type SLD41F”, Power Systems Management Department. [4] General Electric, “GEK-36791C Instructions Static Phase Comparison Relay Type SLD51A”. [5] ABB, “Instructions REL352 Numerical Phase Comparison Transmission line Protection System” version 1.12”, 1999, section 3. [6] ABB, “Descriptive Bulletin Type LCB-II Current Differential Line Protection Relay System 41476S”, 1995. 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