Prueba y verificación en campo de una protección de

Prueba y verificación en campo de una protección de

Prueba y verificación en campo de una protección de barra
utilizando un método de simulación de bucle cerrado
iterativo
Christopher Pritchard | OMICRON electronics
[email protected]
Thomas Hensler | OMICRON electronics
[email protected]
1 Introducción
Debido a la alta potencia de cortocircuito presente en transmisión y grandes subestaciones de
distribución, se utilizan protecciones dedicadas para las barras. El gran impacto de un corte de
suministro de la barra es el motivo de la alta exigencia de velocidad y estabilidad de una protección
de barra. Debido a las diferentes topologías de barra dentro de las subestaciones, cada configuración
y, sobre todo, la lógica de la protección detrás de cada protección son únicas. Para garantizar un
comportamiento correcto, es indispensable realizar pruebas de toda la protección de barra durante
la puesta en servicio.
La prueba y verificación de una protección de barra para topologías complejas de barra con múltiples
barras, acopladores de bus, bahías y alimentadores siempre ha sido una de las tareas más difíciles
de la puesta en servicio. Un único dispositivo de prueba que inyecte corrientes en una única
ubicación del TC, no proporciona la suficiente confianza en el correcto funcionamiento de la
protección. El uso de un método basado en simulación, en el que se modela toda la topología de
barra con todas sus configuraciones de seccionadores en un software de prueba, ofrece nuevas
posibilidades para todos los escenarios de fallas cuya verificación es importante, como fallas dentro
y fuera del área protegida o incluso fallas en las "zonas muertas" de la protección entre un IP y sus
correspondientes TCs. Con un software de prueba que pueda reaccionar a los disparos de IP
individuales con una simulación de bucle cerrado iterativo, se puede ver el comportamiento real de
la protección de barra, incluidas las funciones de fallo de interruptor. Esto se puede lograr con
múltiples dispositivos de prueba sincronizados mediante GPS.
2 Dificultades de las pruebas tradicionales de la protección de barra
Es preciso saber qué queremos probar, antes de hablar de cómo realizar la prueba. Nos centraremos
exclusivamente en los relés diferenciales de barra digitales de baja impedancia. Un relé moderno
digital de protección de barra es un dispositivo multifuncional que contiene, además de su función
de protección principal, funciones adicionales, como fallo de interruptor y supervisión, que también
hay que tener en cuenta.
La función principal de protección de una protección de barra es la medición diferencial, que aplica
la ley de Kirchhoff para identificar las fallas dentro de su área. Pero debido a las altas exigencias de
velocidad y estabilidad, el disparo de los modernos relés de protección de barra se basa en varias
mediciones independientes. Por ejemplo, un relé de protección de barra puede combinar dos
mediciones basadas en la topología de la barra y una tercera medición, la zona de control, que es
independiente de cualquier estado del seccionador [1]. Las mediciones diferenciales se estabilizan
generalmente mediante una característica porcentual como se muestra en la figura 1. Cuando las
mediciones diferenciales indican una falla en una zona de la barra, el relé de protección de barra
utilizará una lógica de disparo que garantice que la falla se elimina de forma selectiva, por ejemplo,
mediante disparo selectivo de los interruptores en las bahías que alimentan la barra en falla.
𝐼𝑑 = |𝐼1 + 𝐼2 … + 𝐼𝑛 |
𝐼𝑆 = |𝐼1 | + |𝐼2 | … + |𝐼3 |
1
Differential current I d
Tripping
zone
Stabilizing
zone
Id>
Stabilizing current Is
Figura 1: Característica porcentual de un relé de protección diferencial de barra
Otro factor importante a considerar es cómo se distribuyen estas funciones en los dispositivos físicos
y la distancia entre ellos. Una respuesta razonable a la pregunta de qué hay que probar en cuanto a
la protección de barra sería:

Característica diferencial porcentual

Supervisión de la medición

Lógica de disparo incluyendo la protección de fallo del interruptor de potencia
Si vemos cómo se ha probado esto hasta ahora, aparecerán las limitaciones de las soluciones
actuales y al mismo tiempo se llegará a las ventajas del nuevo método de utilizar pruebas basadas
en simulación.
Para probar una característica diferencial porcentual hay que inyectar al menos dos corrientes en la
protección de barra, para poder simular una corriente de paso y una corriente de falla al mismo
tiempo. Por lo general, el moderno software de pruebas de protección lo realiza mediante la
visualización de la característica y el cálculo de las corrientes en base a un punto de prueba colocado
en la característica. Para la protección diferencial de barra, este tipo de pruebas puede tener sus
limitaciones. Como ya se ha descrito, una protección de barra puede tener múltiples mediciones
diferenciales, que se pueden ajustar de forma independiente. En caso de que estén activas y
ajustadas de manera diferente, estas mediciones diferenciales se solapan. Por lo tanto, muy a
menudo se vuelve a parametrizar el relé de protección de barra en el momento de la prueba.
Consideramos esto un método muy peligroso y cuestionable. Es muy alto el riesgo de dejar el relé
con la configuración incorrecta y probar el relé con ajustes que no son los de operación.
Otro desafío al probar la característica, o en general cuando se inyectan corrientes, surge cuando el
sistema de protección de barra es distribuido y las unidades de bahía están separadas por largas
distancias. O bien se necesitan cables de prueba muy largos o, si no es posible, el sistema de prueba
tiene que manejar varios equipos de prueba distribuidos. Para evitar una corriente diferencial no
intencionada durante la prueba, hay que inyectar las señales de forma sincronizada en los diversos
equipos de prueba. Probar la característica de la zona de comprobación [2] requiere inyectar tres
corrientes para poder probar la selección de la corriente de estabilización. Debido a que la cantidad
de salidas de corriente de los equipos de prueba es limitada, esto se realiza a menudo haciendo un
bucle de la corriente a través de las unidades de bahía. Pero como los modernos relés digitales de
barra de baja impedancia pueden contar con diferentes relaciones de transformación de corriente en
cada bahía, esto no siempre es posible.
Puesto que hay una gran cantidad de funciones de supervisión en los modernos relés digitales de
protección de barra, no vamos a detallar cómo pueden probarse. Sin embargo hay que tenerlas en
2
cuenta al probar las principales funciones de protección del relé. Muy a menudo se desactivan
durante la prueba, para no bloquear la función que se prueba. Ya se ha mencionado el riesgo de
desactivar o cambiar funciones y parámetros. Por ejemplo, si la supervisión detecta y considera que
una medición analógica no es admisible, se suspenderá el cálculo del algoritmo de protección
diferencial. Este puede ser el caso, cuando solo se ha inyectado una corriente monofásica en las
entradas de corriente del relé. A menudo se intenta utilizar la inyección monofásica para poder
inyectar en múltiples unidades de bahía con un único equipo de prueba.
Probar la lógica de disparo a menudo es la parte más compleja de una prueba de campo de
protección de barra. Debido a todas las posibles topologías de barra, casi todas las aplicaciones de
un sistema de protección de barra son diferentes. Por tanto, no hay manera estándar de probar la
lógica de disparo. Para determinar las bahías correctas que deben disparar para despejar la falla, la
protección de barra tiene que conocer la topología exacta de la barra. Por lo tanto, la protección de
barra necesita conocer el esquema de conexión y comprobar la posición del seccionador de todos
los alimentadores, seccionalizadores y acopladores durante la operación.
Para probar la lógica de disparo del sistema de protección, el sistema de prueba tiene que imitar
todo el sistema eléctrico de la barra con toda la información binaria sobre los estados del seccionador
y las diferentes corrientes de bahía de una manera coherente. Coherente significa, por ejemplo, que
los valores analógicos sean admisibles y que la corriente solo se mida cuando el seccionador
correspondiente esté cerrado. Por otra parte, esto puede conducir de nuevo a que influyan en la
prueba la supervisión de la medición, la supervisión del seccionador y la función de fallo de
interruptor.
Hasta ahora esto se lograba mediante la creación de una hoja de cálculo con los diferentes estados
del seccionador y las corrientes como columnas, y cada paso de la prueba como la fila
correspondiente. Para la ejecución se imitan las posiciones del seccionador de acuerdo a la fila de
la hoja de cálculo, cerrando los contactos binarios en las unidades de bahía o accionando el
conmutador real para evitar la detección de fallo de interruptor después de cada prueba. Dada la
cantidad de corrientes a inyectar y la posibilidad de que el sistema de protección pueda ser
distribuido, esto implicaría una configuración de prueba extremadamente compleja. Una cuestión no
técnica es que estas hojas de cálculo no son muy comprensibles. Por lo general las prepara un
técnico de pruebas que transforma el esquema de conexión en una hoja de cálculo. Si el técnico en
campo es una persona diferente y tiene que entender un paso de la prueba, puede que para
investigar una reacción inesperada, tenga que transformar mentalmente la hoja de cálculo de nuevo
en un esquema de conexión. Esta permanente cartografía mental hace que la prueba de la lógica
de disparo a menudo sea incomprensible.
3 Requisitos de un sistema de pruebas para protecciones de barra
Cuando se resumen los requisitos de un sistema de pruebas utilizados para probar la protección
diferencial de barra, obtenemos la siguiente lista:




Configuración de prueba escalable. La cantidad de bahías de las barras difiere de una
subestación a otra. Por ello la configuración de la prueba debe permitir controlar tantos
equipos de prueba como sean necesarios para simular las corrientes que hay que inyectar.
Capacidad para operar múltiples equipos de prueba distribuidos. El sistema de pruebas no
solo tiene que ser capaz de inyectar una gran cantidad de corrientes, también puede ser
necesario inyectarlas en diferentes ubicaciones separadas por largas distancias.
Creación rápida, fácil y coherente de los pasos de la prueba. Al definir, por ejemplo,
escenarios de falla, el sistema de pruebas deberá cuidar de que todas las corrientes estén
en consonancia con las posiciones del seccionador. No se requerirá inhabilitación o nueva
parametrización del relé.
Comunicar la intención. La persona que realice la prueba de la protección de barra en campo
debe poder entender la intención de la prueba.
La mejor manera de cumplir estos requisitos es mediante el uso de un método basado en simulación.
En un método de este tipo es posible dibujar el esquema de conexión de barra como se muestra en
la figura 2. La topología puede definirse accionando los seccionadores del esquema. A continuación
se definen los pasos de la prueba mediante la colocación de las fallas en el esquema de los
diferentes equipos. Mediante la definición de la posición de los transformadores de corriente en el
esquema y la definición de sus ajustes, con la posibilidad de diferentes relaciones, la simulación
3
puede calcular todas las corrientes secundarias en una simulación de un solo paso de prueba. A
partir de ese punto, el software de prueba puede comenzar la inyección en varios dispositivos de
prueba, que debe realizarse de forma sincronizada.
Figura 2: Editor para dibujar el esquema de conexión de barra
Este método no está orientado a una función o elemento del relé. Se centra en probar el sistema
completo como un todo, antes de ponerlo en funcionamiento, y en verificar que la barra está
protegida en condiciones reales. Por tanto, se trata más de verificar el comportamiento correcto y si
la barra está protegida, que de validar que los ajustes se hayan parametrizado correctamente. Los
casos prácticos de prueba seleccionados deben verificar los siguientes principios básicos para el
sistema de protección de barra [3]:

Estabilidad en condiciones normales de funcionamiento

Estabilidad ante fallas fuera de la zona protegida

Alta velocidad de funcionamiento ante fallas dentro de la zona protegida

Condiciones de fallo de interruptor
Las pruebas de la característica están, por el contrario, orientadas a la función. El uso de un método
basado en simulación, es decir orientado a la aplicación, para probar la característica, sería un uso
incorrecto con más puntos débiles. Simplemente no sería la herramienta adecuada. Si en la filosofía
de prueba se considera importante probar la característica, estas pruebas ya pueden realizarse con
software de prueba existente. Sin embargo, habrá de tenerse en cuenta la posible necesidad y el
peligro de deshabilitar o volver a ajustar los parámetros. Hay un requisito que no se ha mencionado,
que surge del uso de un método basado en simulación.
En muchos pasos de la prueba es importante reaccionar a las acciones de relé. Esto quiere decir
que cuando la protección de barra envía un comando de disparo, el interruptor tiene que abrirse
dentro de la simulación y no deberá simularse ningún flujo de corriente, es decir, la simulación debe
mantener la consistencia. Si esto no se produce, el relé lo consideraría un fallo del interruptor y no
podrían ejecutarse los escenarios previstos para las acciones posteriores al primer disparo. Esta
capacidad de una simulación para reaccionar a la acción del sistema que se está probando, por lo
general se denomina bucle cerrado en tiempo real. Pero debido a que los equipos de prueba pueden
estar distribuidos, a menudo no es posible la reacción a las acciones del relé.
Una nueva alternativa a esto, que combinaría las ventajas de reaccionar a la acción del relé y de
inyectar con equipos de prueba distribuidos, es el uso de un método de bucle cerrado iterativo.
Cuando se aplica un método de bucle cerrado iterativo a una simulación de una falla en barra, la
primera iteración se inyecta sin ninguna reacción al comportamiento del relé. No obstante, el relé
reaccionará a la falla con un comando de disparo que el software de prueba registrará. Como el relé
debe reaccionar de manera determinista cuando se inyectan las mismas corrientes, la siguiente
iteración se iniciará con la misma forma de onda, pero esta vez el interruptor se abrirá una vez
transcurrido el tiempo de disparo de la iteración anterior más un tiempo de disparo constante del
interruptor de potencia. Cuando se produce un segundo disparo o cierre de la protección de barra,
que no ha sido parte de la primera iteración, pero es parte de la segunda iteración, se ejecuta una
tercera iteración incluyendo ambos eventos del interruptor. Esto se repite hasta que la protección de
4
barra ya no envíe ningún nuevo comando de disparo o cierre desconocido. Al final se registra la
secuencia completa de eventos y los requisitos se cumplen suficientemente, manteniendo las
ventajas y la facilidad de un método distribuido basado en simulación. La Error! Reference source
not found.figura 3 muestra un ejemplo con dos iteraciones.
First iteration
Second iteration
Circuit breaker trip time
Figura 3: Ejemplo de secuencia de bucle cerrado iterativo
4 Prueba de campo en una subestación de 380 kV
En marzo de 2014 tuvimos la oportunidad de probar en campo la aplicabilidad de un método de bucle
cerrado iterativo basado en simulación. La sección de 380 kV de una subestación se volvió a poner
en servicio tras instalar un nuevo sistema de protección. Si bien los técnicos de pruebas de la
compañía eléctrica pusieronm en servicio la protección de barra de la forma en que solían hacerlo,
tuvimos un día extra en el que pudimos utilizar el método basado en simulación.
La subestación y la barra están aisladas por gas (GIS). La Error! Reference source not
found.figura 4 muestra el esquema de conexión. La barra es una barra doble con un bus combinado
[2], dos segmentos y seis bahías. Dos bahías alimentan una línea aérea de 380 kV cada una, una
bahía es el campo de acoplamiento, una bahía es para el seccionalizador, otra bahía es para futuras
ampliaciones y la última bahía alimenta un transformador de potencia de 350 MVA con una tensión
secundaria de 110 kV. Excepto la del seccionalizador, cada bahía tiene un interruptor de potencia y
un transformador de corriente. Asimismo, todas las bahías del alimentador tienen un seccionador de
derivación para transferir al bus combinado.
5
BB1 A
C1
C2
C3
C4
C5
BB2 A
C6
BB1 B
BB2 B
Figura 4: Esquema de conexión de la barra de 380 kV
Como dispositivo de protección se instaló un relé Siemens 7SS52 con una unidad maestra y 6
unidades de bahía. La unidad maestra y las de bahía están instaladas en el mismo armario.
Utilizamos tres equipos de pruebas con salidas de corriente hexafásica cada uno para inyectar
simultáneamente en cinco bahías. Los equipos de prueba se sincronizaron con un reloj grandmaster
de GPS utilizando el protocolo IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol). Los equipos de prueba
registraron los comandos de disparo para todos los interruptores de potencia más las alarmas para
una falla de barra en el bus 1 y el bus 2 en la unidad principal. La configuración de la prueba se
muestra en la figura 5.
Figura 5: Protección de barra con la unidad principal y las bahías incluida la configuración de prueba
6
5 Escenarios de prueba simulados
En un método basado en simulación, los casos de prueba se definen de manera orientada a la
aplicación. Primero tenemos que definir las configuraciones comunes de barra en condiciones
normales. Basándonos en las configuraciones comunes se pueden definir los casos de prueba
razonables. Vamos a mostrar solo un subconjunto de los casos de prueba que se requieren para
poner en servicio una protección de barra como se ha descrito aquí. Estos casos de prueba
mostrarán el principio básico de la forma de verificar una protección de barra.
En la configuración por defecto de la barra, las bahías C1-C2 se conectan a la BB1 y las bahías C5C6 a la BB2. Ambas barras están acopladas y los seccionalizadores están cerrados.
Funcionamiento estable con diversos flujos de carga alta
Para alterar el flujo de carga entre los pasos de un caso de prueba, se puede modificar o variar el
ángulo de fase de un alimentador. La posibilidad de variar los ajustes arbitrarios del equipo es una
propiedad importante de un software de prueba cuando se quieren crear rápidamente muchos pasos
de prueba.
Falla interna en la sección de barra BB1 A
Se espera que la falla se elimine selectivamente mediante el disparo de los interruptores de las
bahías C5, C6 y el acoplador de barras. También queremos asegurarnos de que no se emitan
comandos de disparo retardados. Este es el motivo de que alarguemos la duración de la simulación
y utilicemos la función de bucle cerrado iterativo para interrumpir el flujo de corriente en la barra. Si
no se interrumpe la corriente, la función de fallo de interruptor disparará todos los demás
interruptores. En este caso de prueba el tipo de falla se varió entre los pasos de la prueba. La Figura
6: Transitorios y evaluación de una falla interna muestra las señales transitorias y los tiempos de
disparos medidos para el caso de prueba.
Figura 6: Transitorios y evaluación de una falla interna
Función de Fallo de Interruptor
Para probar la función de fallo de interruptor reutilizamos el mismo caso de prueba anterior sin activar
el bucle cerrado iterativo. Los tiempos de disparo de la figura 6 muestran que, después de cierto
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retardo, también se disparan las bahías C1 y C2. Otra capacidad importante es poder definir
mediciones separadas que puedan evaluarse. De esta manera el software puede realizar una
evaluación automatizada. Los dos últimos casos de prueba también se repiten para las fallas en las
otras secciones de barra de la barra.
Figura 7: Tiempos de disparo medidos para un escenario de fallo de interruptor
Falla en la zona muerta
Una falla en la zona muerta es una falla entre el interruptor y el transformador de corriente de la
bahía del acoplador [2]. Una zona muerta solo puede evitarse teniendo dos transformadores de
corriente en el acoplador y, por tanto, mayores costos. Con un solo transformador de corriente la
lógica de disparo no es capaz de eliminar instantáneamente la falla en la zona muerta cuando se
cierra el interruptor de acoplamiento. La protección se comporta igual que si fallase el disparo del
interruptor de potencia de acoplamiento. Se dispara en todas las bahías, con un retardo.
Estabilidad ante fallas fuera de la barra
Una vez más se pueden probar diferentes tipos de fallas en diferentes nodos fuera de la barra. En
ninguno de los pasos de la prueba se espera un disparo. También es posible colocar una falla
después de un transformador conectado en una bahía.
Como ya se ha mencionado hay muchos otros casos de prueba que se ejecutaron en campo.
Básicamente hay que considerar todas las posiciones de seccionador y de falla posibles para decidir
entre los casos de prueba.
6 Conclusiones
La prueba de campo demostró que es factible una verificación de una protección de barras utilizando
un método de bucle cerrado iterativo basado en simulación. En comparación con los métodos
utilizados anteriormente, el método de bucle cerrado iterativo basado en simulación mostró sus
ventajas en términos de facilidad de uso y velocidad. El mayor esfuerzo para la configuración de un
sistema de prueba distribuido con varios equipos de pruebas se compensó con una ejecución de
prueba muy rápida y sencilla. Teniendo en cuenta el futuro con las subestaciones IEC61850, donde
la protección de barra solo necesita flujos de Sampled Values y mensajes GOOSE, el trabajo de
configuración de la prueba se simplificará enormemente.
El método basado en simulación descrito puede mejorarse incluso mediante la capacidad de simular
la saturación del transformador de corriente. De esta forma podría verificarse la estabilidad ante
fallas cercanas fuera de la barra, que provocan la saturación de los transformadores de corriente.
En general se puede decir, a la hora de elegir la herramienta de prueba o de decidir sobre la forma
de realizar la prueba, que es importante examinar primero lo que se desea probar. Cuando se
observa una protección de barra con su compleja lógica de disparo que se ha parametrizado
especificando la aplicación, es decir, el esquema de conexión de barra, la elección correcta es un
método de bucle cerrado iterativo basado en simulación. Esto se puede generalizar incluso para
otras aplicaciones, como la protección de distancia con esquemas de teleprotección o esquemas de
restauración automática.
8
7 Referencias
[1]
G. Ziegler, Numerical Differential Protection: Principles and Applications, Erlangen:
Publicis Publishing, 2012.
[2]
Siemens, SIPROTEC 7ss52x Manual, Siemens, 2004.
[3]
A. Apostolov y B. Bastigkeit, «Testing of Modern Bus Protection Systems,» de CIGRE,
Paris, 2008.
[4]
Z. Gajic, «Protecting Busbars,» PAC World, nº December, 2011.
[1]
G. Ziegler, Numerical Differential Protection: Principles and Applications, Erlangen:
Publicis Publishing, 2012.
[2]
Siemens, SIPROTEC 7ss52x Manual, Siemens, 2004.
[3]
A. Apostolov and B. Bastigkeit, “Testing of Modern Bus Protection Systems,” in CIGRE,
Paris, 2008.
[4]
Z. Gajic, “Protecting Busbars,” PAC World, no. December, 2011.
Acerca de los autores
Dipl.-Ing. (FH) Christopher Pritchard nació en 1982 en Dortmund / Alemania. Recibió
su diploma en Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Dortmund
en 2006. Se unió a OMICRON electronics en 2006, donde trabajó en el desarrollo de
software de aplicación en el campo de soluciones de pruebas para sistemas de
protección y medida. Actualmente es responsable de la gestión de productos de
software de aplicación para las pruebas de protección.
[email protected]
Dipl.-Ing. Thomas Hensler nació en 1968 en Feldkirch / Austria. Recibió su diploma
(licenciatura) en Informática en la Universidad Técnica de Viena en 1995. Se unió a
OMICRON electronics en 1995, donde trabajó en el desarrollo de software de
aplicación en el campo de soluciones de pruebas para sistemas de protección y
medida. Además es responsable de la gestión de productos de software de aplicación
para las pruebas de protección.
[email protected]
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