C.IV: Protección de distancia Sistemas de protección de

C.IV: Protección de distancia
Sistemas de protección de alimentadores,
lı́neas y cables de AT, EAT y MT
Curso: Introducción a los Sistemas de Protección
de Sistemas Eléctricos de Potencia
IIE - Facultad de Ingenierı́a - UDELAR
1.
Introducción
Las protecciones de distancia se utilizan, generalmente, para proteger las
lı́neas de trasmisión, ası́ como las lı́neas de distribución interconectada como también en las lı́neas radiales. Actúan como la protección principal para
las lı́neas aéreas, cables y además proporcionan respaldo a los equipamientos
adyacentes, como barras, transformadores y otras lı́neas o cables.
Las protecciones de distancia son más rápidas y selectivas que las protecciones de sobrecorriente. También son menos susceptibles a los cambios en la
impedancia y condiciones del sistema.
La protección de distancia es una protección de selectividad relativa (nonunit protection) cuya operación depende de medidas locales de las señales
eléctricas.
1.1.
Fundamentos de la protección de distancia:
Dado que la impedancia de una lı́nea es proporcional a su longitud, para la
medida de la distancia es conveniente utilizar protecciones que sean capaces
de medir la impedancia de la lı́nea en una determinada ubicación del sistema
de potencia, ver Figura 1.
Este tipo de protección se denomina protección de distancia y está designada para operar para faltas que ocurran entre la ubicación de la protección
y un punto determinado (ajuste).
La protección de la distancia se basa la medida de la relación entre la tensión
y corriente medidas en el punto de ubicación de la protección. La impedancia de secuencia positiva medida se compara con la impedancia réplica de
la lı́nea. Si la impedancia medida es menor a la impedancia ajustada, se
considera que la falta es interna a la zona y la protección opera.
1
'(1'g ernSg) uortecol ,fu¡er
eqlJI 'ecu€pedun eurl u^\oDI eql qlp\ pereduroc ueq sI ecuepedrur
pue
1¡n€J
pems€sru
eql
sl lln€J IBuJolq uu 'ecuupeduu euq les erp rr€ql Jell€rus sr ecuepedurr llnuJ peJnwetu
're>leerq-lrncJlc eql
q
penssr pu€urruoc dul u prre pelcelep
'Eerrrruqc uorssrrusrr۟
¡euErs ro luerudmbe Iuuorlrppp ,,(r¡e uo puedep 01 el€q
lou seop eJoJeJerll uortrcelord eq1 puu permber sr uo4€rrrJoJur JerIurU ou uorsrJep uoncel
-ord crseq sFR Jod 'uorlucol i(e1er eql lu lueJmc puu e8e1lo,r peJnsueu eql qlrd\ uorsrcep
uorlcelord e rIcBeJ rr€c urroJ 1se¡úurs slr ur uorlcqord ecuulsrp eql luql ser¡durr s¡q¿
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
2
¡3
-srp € rpr,l\ qfuel eurl eW lo ob00I ¡o 8uryes qcueJ uoqcelord e 'lueurernseeru u lou puu
uo4elnclBc B uo peseg,(¡¡ensn $ qclrld\'ecuepedur ouq eqlJo,{cu¡ncc¿ur eql prrB sJoile
'sroue Surmseeru ruog 3u41nseJ 'lueureJnsueur ocuslsm eql ur serc€Jnccuur ol en¡1
Esto implica que la protección de distancia puede tomar una decisión de
operación con la medida de tensión y corrientes en la ubicación del relé.
ecuupedurl }1nu¡ Jo luerueJnseeru 'eldrcur¡d uorlcelo.ld eJuulsrql 1.g arn8r¿
OZ
1.2.
Figura 1: Principio de medida de la protección de la distancia
Medida de la impedancia
El relé de distancia está conectado a la lı́nea a través de los transformadores
de medida. Suponemos que ocurre una falta a una distancia nZL Ω desde el
relé. Dado que la tensión en el lugar de la falta es: VF = 0V , la tensión en
el relé es:
VR = IR nZL
Es decir:
VR
IR nZL
=
= nZL
IR
IR
(1)
Esto implica que la protección de distancia puede llegar a la decisión de
operar solo con las medidas de tensión y corriente medidas en la ubicación
del relé (locales).
Medida de la impedancia: Las protecciones están conectadas a los
transformadores de corriente y tensión, por lo cual las protecciones miden
impedancias secundarias, las cuales resultan de la siguiente fórmula:
Zsec =
Iprim /Isec
.Zprim
Uprim /Usec
(2)
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
3
Los ajustes de las protecciones de distancia, en general, son realizados en
valores de impedancia secundarias.
1.3.
Cálculo de la distancia a la falta:
ES
ZS
M
UM
IL
N
xZL
(1-x)ZL
Rele de
distancia
Figura 2: Principio de medida de la protección de la distancia
Según el tipo de falta se deben utilizar diferentes expresiones para determinar la distancia. La Figura 2 se toma como ejemplo para el cálculo de la
impedancia y distancia a la falta.
Falta trifásica FFF :
U1M = xz1L I1L + U1N
U2M = xz2L I2L + U2N
U0M = xz0L I0L + U0N
F alta : UAN = UBN = UCN = 0 ⇒ U1N = U2N = U0N = 0
F alta : IAN + IBN + ICN = 0 ⇒ I0N = 0
UAM = xz1L IAL
UAM
= xz1L
IAL
⇒ Zmed = xz1L
como z1L es una constante (impedancia en Ω por unidad de longitud
de una lı́nea uniforme) se tiene:
UAM 1
.
=x
IAL z1L
(3)
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
4
de igual forma:
UBM 1
.
=x
IBL z1L
UCM 1
.
=x
ICL z1L
(4)
(5)
Falta fase-fase (B-C) FF :
U1M = xz1L I1L + U1N
U2M = xz2L I2L + U2N
U0M = xz0L I0L + U0N
F alta : UBN − UCN = 0
F alta : IBN + ICN = 0
recordemos:
j
I1 − I2 = √ (IB − IC )
3
j
V1 − V2 = √ (VB − VC )
3
⇒ U1M − U2M = xz1L (I1L − I2L ) + U1N − U2N
UBM − UCM
= xz1L
IBL − ICL
⇒ Zmed = xz1L
como z1L es una constante (impedancia en Ω por unidad de longitud
de una lı́nea uniforme) se tiene:
UBM − UCM 1
.
=x
IBL − ICL z1L
(6)
de igual forma, para defectos C-A y A-B:
UCM − UAM 1
.
=x
ICL − IAL z1L
UAM − UBM 1
.
=x
IAL − IBL z1L
(7)
(8)
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
5
Falta fase-tierra (A-T) FT :
U1M = xz1L I1L + U1N
U2M = xz2L I2L + U2N
U0M = xz0L I0L + U0N
F alta : UAN = 0
⇒ U1M + U2M + U0M = xz1L (I1L + I2L ) + xz0L I0L + U1N + U2N + U0N
UAM = xz1L [I1L + I2L + I0L − I0L ] + xz0L I0L = xz1L [IAL +
UAM = xz1L [IAL + (
z0L
− 1)I0L ]
z1L
llamando :
(
k0 =
z0L
I0L − I0L ]
z1L
z0L −z1L
3z1L
IRESL = 3I0L
UAM = xz1L [IAL + k0 IRESL ]
UAM
= xz1L
IAL + k0 IRESL
⇒ Zmed = xz1L
como z1L es una constante (impedancia en Ω por unidad de longitud
de una lı́nea uniforme) se tiene:
UAM
1
.
=x
IAL + k0 IRESL z1L
(9)
de igual forma, para defectos B-T y C-T:
UBM
1
.
=x
IBL + k0 IRESL z1L
UCM
1
.
=x
ICL + k0 IRESL z1L
(10)
(11)
Para determinar las expresiones básicas que permiten medir la distancia se
ha supuesto un sistema sencillo, con alimentación unilateral y resistencia de
falta nula.
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
6
Si consideramos una falta fase a tierra, con resistencia de falta R y alimentación a la falta bilateral, tenemos:
U1M = xz1L I1L + U1N
U2M = xz2L I2L + U2N
U0M = xz0L I0L + U0N
F alta : UAN = RI
⇒ UAM = xz1L (I1L + I2L ) + xz0L I0L + RI
UAM = xz1L [IAL + k0 IRESL ] + RI
UAM
I
= xz1L + R
IAL + k0 IRESL
IAL + k0 IRESL
I =
corriente
circula
por
1 into
an impedanceque
measurement
by dividing
Convert Equation
F
kO.IJ.
I = (IA + kO.IJ,
la
resistencia
de
every term by I, where
f alta
This yields:
I = IAL + k0 IRESL
Z
Z
=
=
v
~
-=
I
I
= m
.Z
+ R .~
m.Z1L
lL
F I
Equation
Equation
z includes the line impedance to the fault plus RF.(IF/I).
RF"(IF/I}"
Z
Z
= xz
I
I
ForF the radial system,
+R
If =
L IF
2
2
L I
(12)
1L Figure 2 shows the resistance and
med to the fault,
fault.
and Z accurately measures the reactance
reactance impedance measured by the relay for an AG fault at m = 0.85, with ~ = 4.60
secondary (or 500 primary
given PTR/CTR
3500/320}.
= 3500/320),
F
En Im(V/I)
la Figura
se I,tiene
que the
R IImagnitude
es real.
= m.
m" 3I X1L
regardless
of RF,
RF.
Rf"(IF/I} is all real,
Because RF.(IF/I)
Jm(+)
RF'(-1fj
E
Re (+
Figure
Figure 2:
2:
AG Apparent
AG
Apparent
)
Impedance Method
Impedance
Method Correctly
Correctly Measures
Measures Reactance
Reactance to Fault
Fault
Figura 3: Medida de impedancia
for a Radial
for
Radial Line
Line
Para
sistema
de can
potencia
de oflaground
Figura
4, protection
en la Figura
se muestra
la
Thiselsuggests
that we
define a zone
distance
with two 5reactance
and
i.e.,
resistance thresholds;
the V
geometric
is a rectangle.valores de R
impedancia
medidai,e.,
Z=
/I paratestdiferentes
F y condiciones de
carga.
Figure 3 shows how these threshold checks enclose AG faults up to m = 0.85 with ~ less
than 9.20 secondary .Reactance Threshold 2 and Resistance Threshold 2 define the desired
reactance and resistance reach thresholds respectively.
Reactance Threshold 1 and Resistance
Threshold 1 restrict the zone definition to mostly the first quadrant in the impedance plane.
Their small negative settings accommodate slight measurement errors near either axis (Im[V /1]
or Re[V/I]).
These later thresholds must be replaced with a separate directional element to
insure directional
security ,
II approach is not inherently
Thus, the first major problem to note is the Z = V /1
ground faults.
directional
for
where:
v
= A<t> voltage
m = per-unit
ZlL
measured
distance
at Bus S
to the fault
= positive-sequence
IA = A<t> current measured
kO = (ZoL -ZlL)/(3.Z1J
IR = residual
current
from
Bus S
line impedance
at Bus S
(ZoL = zero-sequence
measured
line
impedance)
at Bus S
RF = Sistemas
fault resistance
C.IV:
de protección de alimentadores, lı́neas y cables
IF = futotal
(V~ current
(l"
II
mlT)
flowing
through
7
RF
IF-R F
'F.RF
ELcS
,
'.R L
'.R
L-.
0Re(+)
a Impedance
ImpedancePlane
Plane
b. Voltage
Voltageand
and Current
Current Phasors
Phasors
b.
a
Figure 4: AG Apparent Impedance Overreach with R.. and Load Flow Out (0 = 300)
215 = Z1L .(0,1)
21R =215
Z1L =10+j.110!2pri.
Z 05 = 3 ' Z 15
2 OR = 2 os
0.91 + j a10.06
Q sec
Figura 4:=ofofFalta
Figure
the
II approach
Figure 5 illustrates
illustrates underunder- and
and overreaching
overreaching
the Z = V
Vtierra
approach for
for different
different ~ and
and
PTR
=
3500:1
Z
OL
=
3.
Z
1L
load
0.85. The
load flow
flow conditions.
conditions. The
The relay
relay reach
reach is
is set
set to
to r.ZlL'
r.ZlL' where
where r = 0.85.
The Z
Z = VII
VII
CTR = 320'1
approach
approach underreaches
underreaches for
for incoming
incoming load
load (IF
(IF leads
leads I),
I), and
and overreaches
overreaches for
for load
load out
out (IF
(IF lags
lags I).
I).
m
= 0,85
kV
= 400
Im(V/I)
Im(V/I)
20
20
0=.60 .
/
/
Figure 1: System Single Line Diagram
vv
(1)
(1)
In
tn
/
I
0:
0:
LJ.J
LJ.J
u
u
z
z
<1:
<1:
ffu
u
<I:
«
~
LJ.J
cx:
k
10
/
/
2
:
;:!
N-'
m=O.85
m::0,85
0.
=
6=0.
5=+60
8::+60 .
15=+30.
Re(V/I)
a
G
6+
8+ -+ LOAD OUT
68- -+ LOAD IN
-5
0
-5
-so
20
10
10
RESIST
RESIST ANCE
ANCE [Q
[..\2sec.]
sec.]
FAUL T RESIST ANCE LEGEND'
x RF=O..\2
~ RF::50..Q PRI.
Figura 5: Variación de.RF::25..Q
la impedancia
medida
Figure
2.
2.1.
~
5: AG Apparent
.RF::10..\2
Impedance
Method
Performance
Depends on RF and 0
Diagrama de impedancia
5
Introducción
El diagrama de impedancia es una herramienta esencial en el momento de
evaluar el comportamiento de la protección de distancia. En ese diagrama
se representa, en el plano complejo R-X, la caracterı́stica del relé, la impedancia de carga y la impedancia de falta. En el diagrama, la relación de las
tres impedancias es un indicador del desempeño del relé.
La lı́nea es protegida por una protección de distancia, a instalar en G. Se
toma G como el origen, pues es el punto de medida de la tensión, la impedancia ZL se gráfica en el primer cuadrante y la impedancia ZS en el tercer
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
8
cuadrante. En H se gráfica la impedancia ZU .
Figura 6: Impedancia de carga y de falta
2.2.
Diagrama de impedancia
Durante la operación normal del sistema, la impedancia medida corresponde
a la impedancia de carga. El valor de la impedancia de carga es inversamen2
/Pcarga ). El ángulo
te proporcional a la potencia transferida (Zload = Ulinea
entre la corriente y la tensión en condiciones normales corresponde con el
ángulo ϕload = atan[Qload /Pload ], ver la Figura 7.
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
9
Figura 7: Impedancia de carga y de falta
Luego que ocurre una falta en la lı́nea, la impedancia medida pasa al valor
de impedancia de falta, la cual es generalmente menor que la impedancia de
carga. Este valor corresponde a la impedancia de la lı́nea entre la ubicación
del relé y la falta, en la Figura 7 serı́a ZLF 1 para una falta cercana y ZLF 2
para una falta lejana. Cuando está presente una resistencia de falta, esta
impedancia se le suma a la impedancia de falta y el ángulo de falta es ϕSC .
La caracterı́stica de operación de la protección de distancia es definida por
una forma fija, en el diagrama de impedancia.
3.
Medida de la distancia:
Las protecciones de distancia tradicionales comparan la impedancia de falta
con una impedancia réplica (ajustada) para determinar si la falta está dentro o fuera de la zona protegida.
Las protecciones más comunes comparan la amplitud relativa o el ángulo
relativo entre 2 o más señales de entrada para obtener la caracterı́stica de
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
10
operación, las cuales pueden ser cı́rculos o rectas en el diagrama R-X.
3.1.
Comparadores de fase y amplitud:
Los elementos de distancia que se basan en el principio de comparar señales,
generalmente comparan las tensiones y corrientes en la ubicación de la protección.
Hay muchos métodos disponibles, que dependen de la tecnologı́a usada.
Ellos varı́an desde los métodos usados en los relés electromecánicos como
los comparadores de fase (”induction cup”) y los comparadores de amplitud
(”balaced-beam”), a los métodos usados en relés de estado sólido (comparadores con diodos y amplificadores operacionales), a los algoritmos usados en
los relés numéricos.
Figura 8: Comparador de fases y de amplitud
Caracterı́stica de operación utilizando comparadores de fase:
Señal de polarización: Vpol = V
Señal de operación: Vop = IZ − V , Z=impedancia réplica
Si arg(Vpol , Vop ) > 90◦ opera (Z dentro de la zona protegida)
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
11
Figura 9: Caracterı́stica MHO: Comparadores de fase
Implementación según la tecnologı́a :
Algunas de las protecciones electromecánicas usaban un puente rectificador
como balance de impedancias, ver Figura 10.
Con la modificación adecuada en el circuito de medida, se puede mover la
caracterı́stica en el diagrama R-X, para poder cubrir resistencia de faltas
más altas.
3 Mode of Operation
|
{ 14"
operating condition: I Isc I >,
tE
or
rfrr
=t
4ct
1"1< r.: internal fault
f,
<
rz
-l>
lL"
Figure 3.4a Rectified bridge comparator
Figure 3.4b Impedance circle
Figura 10: Caracterı́stica de operación: comparador puente
rectificador
Los relés de inducción, Figura 11 requieren de 2 fuentes de flujo magnético,
entre las cuales el elemento móvil puede girar. Estos dos flujos deben estar
desfasados para poder producir un torque.
Figure 3,5
Tripping characteristic
of the electro-mechanical protection (German
manufacturers)
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
3.I Fundamentals of distance
12
protection
rnobile drum
f-u
Ur. . 1." . cos(p -
@)
&
1r"
cos(rP
= Zsc < zR'
W.,:
Wr:
<
t^ r""'
-
@
operate
restrain
W.+Wo: polarise
Figure 3.6a Induction cup relaY
Figure 3.6b MHO charucteristic
The setting of gis normally adapted to the impedance angle of the protected line so that
Figura to
11:a Caracterı́stica
operación:
reléwith
de inducción
high speed elecffoThis
was important
replica of the line.de
Z* corresponds
(line
impedance) to
replica
transactor
a
they
used
mechanical and static relays, because
measuredistance
on
the
current
fault
of
the
component
DC
eliminate the impact of the
set the
practice
to
general
it
was
lines,
of
short
In
case
overreach).
(tendency
to
3.2.mentCaracterı́stica
MHO self-polarized:
The
trancompensation'
arc
the
improve
to
angle
impedance
line
the
than
RCA lower
general
tolin
was
offset
current
La caracterı́stica
de
operación
más
conocida
es
la
caracterı́stica
MHO.
of
the
not
ideal
compensation
by
the
caused
error
sient
we arrive at the
withesta
0 = 0',caracterı́stica
case, 12,
In the ver
extreme
relays.R-X,
with
particularen
in dibuja
Cuando
el slower
diagrama
Figura
erable,se
in
so-called conductance circle, shown in figure 3.5. This relay characteristic was used
un cı́rculo cuya circunferencia pasa por el origen.
Germany with the electro-mechanical relays for the distribution network, in particular
on cables where the short circuit angle is below 30 degrees. For the distance protection
measurement only the feactance component X. of the fault impedance can be used to
effectively determine the distance to fault. The resistive component may vary due to the
indeterminate arc resistance (fault resistance) at the fault location. The reach limit in Xdirection should therefore be as flat as possible, running parallel to the R-axis (ideally
a straight reactance üne). The reach in R-direction must be
-".rt
limited to prevent encroach-
óf load impedances. Electro-mechanical relays attempted to achieve this with
a
combination of circles and straight lines (figure 3.7).
There is a MHO-circle with healthy phase voltage polarisationl (called polarised MHO
or cross polarised MHO) which provides an improved arc resistance reserve (figure
3.8). In this case the diameter of the circle changes to include the source impedance
(for faults in forward (line) direction). A satisfactory resistance coverage is however
only achieved with relatively weak in-feeds, i.e. large source impedances [3.3].
1
The implementation of healthy phase voltages by the distance protection is referred to in paragraph 3.3.
Figura 12: Caracterı́stica de operación MHO self-polarized
25
es
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
13
Esto demuestra que la caracterı́stica de operación es direccional y opera para faltas solo hacia adelante, en la dirección de la lı́nea AB.
Zn : determina el alcance de la zona.
ϕ: es el ángulo caracterı́stico de la protección, generalmente es el ángulo de
la impedancia de la lı́nea.
Los relés que utilizan caracterı́sticas de operación del tipo MHO ”self-polarized ”,
u otras caracterı́sticas que utilizen la misma polarización, pueden fallar y no
operar para faltas cercanas a la ubicación de la protección, cuando la tensión
medida cae a valores cercanos a ”cero”.
Para cubrir este tipo de falta se utilizan otras caracterı́sticas de operación,
como caracterı́sticas MHO con ”offset”, caracterı́sticas ”cross-polarised ”, direccionales con tensión memorizada.
3.3.
Caracterı́stica MHO con offset:
La caracterı́sticas de operación MHO con ”offset”, ver Figura 13, además
de operar para faltas cercanas a la ubicación del relé, también opera para
faltas en la barra de la estación.
Figura 13: Caracterı́stica de operación MHO con offset
3.4.
Caracterı́stica MHO cross-polarized:
Una forma de asegurar que una caracterı́stica MHO responda correctamente
para falta con tensión cero, es polarizar con las tensiones sanas. Este método
starting zone
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
14
se denomina ”cross-polarized ”, y tiene la ventaja de mantener las propiedades de la caracterı́stica MHO.
Utilizando la tensión memorizada, se mantiene la tensión pre-falta
por3.7
vaFigure
circle- and
Combined
rios ciclos por lo cual este método es efectivo para faltas con tensión
”cero”.
straight line characteristic
aa
tl
a.
.l
'!
I
I
i.
\
\
small\.. -\¡\.
t
t
/"
Z, large
Figure 3.8
I
Cross polarised MHO
zs
Figura
circle (for faults in forward (line) direction)
In this regard the quadrilateral characterisücs introduced by static relays are ideal (figin this case
ure 3.9)
reach can MHO
be set independent ofthe zone reach
14:
Caracterı́stica
de operación
cross-polarized
[3.4]. The resistive
in X-direction. Acceptable arc compensation can therefore be reached even with very
short lines or cables.
Se hace notar que aunque la caracterı́stica de operación MHO ”cross-polarized ”se
extienda en los cuadrantes de reactancia negativa, esto no implica que la protección opera para faltas hacia atrás. Esto es ası́ porque la caracterı́stica es
válida solo para corriente que fluyen de la fuente hacia la lı́nea. La zona hacia atrás solo permite disparo para corrientes capacitivas, ver Figura 15(b) .
26
3
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
Mode of Operation
15
3 Mode of Operation
(a) Sistema
a)
b) voltage diagrarn
a) impedance diagram
(b) Caracterı́stica de operación
voltage diagrarn
impedance
Figure
3.85 Polarised MHo-circle, fault in the reverse direction
diagram
b)
Figura 15:
Caracterı́sitica
operación
cross-polarized
Figure 3.85 Polarised
MHo-circle,
fault de
in the
reverseMHO
direction
inverted. Accordingly, in the equations above the current must be applied with a negative sign. As will be shown, this changes the relay characteristic. Faults in the reverse
direction must therefore be represented in a separate diagram.l Note must also be taken
Caracterı́stica
cuadrilateral:
inverted.3.5.
Accordingly,
in the
equations
must
be quadrant
applied aswith
that
the representation
is chosen
so thatabove
reverse the
faultscurrent
appear in
the third
is a negative sign.
As
will
typical
shown,
in thebe
illustration
this
changes
La
caracterı́stica
cuadrilateral
permitecharacteristics.
ajustar
el alcance
haciatoadelante
y
el
of
self-polarised
the
relay
characteristic.
Faults
In relation
in the reverse
the short-circuit
impedance,
the source
impedance
now in
appears
in thelaopposite
(figure
enbeforma
independiente.
Para
lı́neas cortas,
esta
caracdirection
3.85).
directionalcance
must resistivo
therefore
represented
a separate
diagram.l
Note must also be taken
The polarised
MHO-circle
shrinks
and is displaced
origin by Zr. MHO.
terı́stica
permite
una mejor
cobertura
resistivafrom
que the
la caracterı́stica
that the representation is chosen so that reverse faults appear in the third quadrant as is
* O) now appear outside
faults in theofreverse
direction (Zcharacteristics.
the characteristic
typical inClose-in
the illustration
self-polarised
In relation
to the short-circuit
with a large security margin and are therefore "seen" correctly. Even faults behind
impedance, the source impedance now appears in the opposite direction (figure 3.85).
series capacitors in the reverse direction, which appear as positive reactances are
The polarised
and is
displaced
from the origin
"seen" MHO-circle
correctly, as longshrinks
as X" < about
kr.(\,
+ Xr) agunremains
true. by Zr.
polarised
MHO-circle
directional
behaviour,
Close-in The
faults
in the
similar
(Z a*good
reverse accordingly
the
direction has
O) now
appear
outside
the tocharacteristic
direction determination with healthy phase(s) voltages in the case of quadrilateral charwith a large security margin and are therefore "seen" correctly. Even faults behind
acteristics.
series capacitors in the reverse direction, which appear as positive reactances are
An additional
advantage in comparison to the self-polarised MHO-circle is the incre"seen" correctly,
as long
as X" < about kr.(\, + Xr) agunremains true.
ment of the reach in R-direction (arc-compensation). The increase of the circle is however dependant on the magnitude of the source impedance. As the source impedance
The polarised
MHO-circle accordingly has a good directional behaviour, similar
to the
direction determination with healthy phase(s) voltages in the case of quadrilateral charI
Separate diagrams should actually also be used with self-polarised characteristics for faults in the fomard and reverse
acteristics.directions.
This is however not done, because in this case the rclay characteristic does not chmge
reversal.
in the case of a cunent
An additional advantage in comparison to the self-polarised MHO-circle is the increment of the reach in R-direction (arc-compensation). The increase of the circle is howt22
ever dependant on the magnitude of the source impedance. As the source impedance
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
16
Figura 16: Caracterı́stica de operación cuadrilateral
La caracterı́stica de operación poligonal es más flexible para cobertura de
resistencia de falta, tanto para fases como para tierra. Por esta razón, las
protecciones de distancia tanto digitales como numéricas ofrecen este tipo
de caracterı́stica.
3.6.
Otras caracterı́sticas de operación:
Caracterı́stica reactancia :
Para la protección de distancia se puede medir solo la reactancia de falta
para poder calcular la distancia a la falta. La componente resistiva puede
variar dependiendo de la resistencia de arco o de la resistencia de falta. El
alcance en la dirección de la reactancia es una recta, paralela al eje de las
resistencias, ver Figura 17.
\ de protección de alimentadores, lı́neas y cables
C.IV: Sistemas
t
17
3 Ntode of Operation
starting zone
Figure 3.7
Combined circle- and
straight line characteristic
Figura 17: Caracterı́stica de reactancia
aa
tl
Caracterı́stica lenticular
y de impedancia :
'!.l I
Para faltas cercanas a la ubicación del relé, cuando la tensión cae a un
Network Protection & Automation Guide
valor cercano a cero, las caracterı́sticas
self-polarized pueden operar incoi.
\
\
rrectamente. Algunas caracterı́sticas
que cubren esta condición son las casmall\.. -\¡\.
racterı́sticas lenticular.
a.
I
t
t
/"
Figure 3.8
I
mho impedance characteristic, w
circuits with high impedance an
zs
has limited coverage of arc or fault resistance.
b
aggravated in the case of short lines, since the re
Offset Mho
introduced by static relays
aresetting
ideal (figIn this regard the quadrilateral characterisücsCharacterisitc
ohmic
is low. The amount of the resi
ure 3.9) [3.4]. The resistive reach can in this case
be set
Z
Aindependent ofthe zone reach
3
offered by the mho circle is directly related t
ZD
a
in X-direction. Acceptable arc compensation
can therefore be reached even with very
Z D2
reach setting. Hence, the resulting resistive cov
Z D1
short lines or cables.
Load
too small in relation to the expected values of fau
Z, large
polarised,
plain
MHO
Cross polarised
X
Offset Lenticular
Characteristic
0
Area
faults in forcircle (for
overhead
line
ward (line) direction)
R
ZC
ZB
26
Impedance
Characteristic
Figure 11.11: Minimum load impedance permitted with lenticular,
offset mho and impedance relays
Caracterı́stica
It can beFigura
observed 18:
in Figure
11.11 how thelenticular
load area is defined
according to a minimum impedance arc, constrained by
straight lines which emanate from the origin, 0. Modem
numerical relays typically do not use lenticular characteristic
shaping, but instead use load encroachment (load blinder)
detection. This allows a full mho characteristic to be used, but
with tripping prevented in the region of the impedance plane
known to be frequented by load (ZA-ZB-ZC-ZD).
One additional benefit of applying cross-polarisa
impedance element is that its resistive cov
enhanced. This effect is illustrated in Figure
case where a mho element has 100% cross-pola
cross-polarisation from the healthy phase(s) or f
system, the mho resistive expansion will oc
balanced three-phase fault as well as for unb
The expansion will not occur under load con
there is no phase shift between the measured v
polarising voltage. The degree of resistive reach
depends on the ratio of source impedance t
(impedance) setting as can be deduced by refer
11.13.
X
Zs
ZL
11.7.5 Fully Cross-Polarised Mho Characteristic
The previous section showed how the non-directional offset
mho characteristic is inherently able to operate for close-up
zero voltage faults, where there would be no polarising voltage
to allow operation of a plain mho directional element. One
way of ensuring correct mho element response for zero-voltage
faults is to add a percentage of voltage from the healthy
Zs
!0
ZL
Figure 11.12: Fully cross-polarised mho relay character
variations of ZS/ZL ratio
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
4.
18
Implementación
4.1.
Introducción
Los elementos de distancia pueden operar con alguna de las caracterı́sticas
de operación ya descritas. Actualmente, existen varios tipos de protecciones
de distancia, los cuales dependen de la velocidad de operación requerida, el
costo del equipamiento o la capacidad requerida en las protecciones numéricas.
Los tipos más comunes son:
- con un único elemento de medida de la impedancia por cada fase.
- con un elemento de arranque que detecta la fase o fases en falta. Los
elementos de arranque conmutan al único elemento o algoritmo de
medida para medir la impedancia de falta apropiada.
- con elementos de medida de impedancia por cada bucle de impedancia
y el alcance aumenta progresivamente a medida que se pasa el tiempo
de cada zona.
- con elementos de medida por cada bucle de medida, en cada zona. Este
esquema es el que ofrece el desempeño mejor, en términos de velocidad
y flexibilidad.
Tecnologı́a :
Con la tecnologı́a electromecánica, cada elemento de medida tiene un relé
separado, por lo cual la protección de distancia termina ocupando un panel
completo.
Las protecciones de distancia con tecnologı́a digital - numérica tienen la
posibilidad de implementar todas las funciones en software.
4.2.
Elemento de arranque:
Las protecciones de tecnologı́a electromecánica y estática muchas veces no
tiene elementos de medida de impedancia por fase. El costo y el tamaño que
alcanza la implementación hacen que este tipo de esquema sea impracticable.
En las protecciones que se denominan protección conmutada, solo se tiene un elemento de medida, que trabaja junto con el elemento de arranque.
El elemento de arranque detecta la/las fase/fases en falta, de manera de
conmutar las señales adecuadas al único elemento de medida.
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
19
Hay varias técnicas diferentes que se utilizan como elementos de arranque,
los más comunes están basados en:
- sobrecorriente. Se debe asegurar pueda operar para faltas en toda la
zona protegida.
- subtensión
- subimpedancia. Generalmente se utilizan en redes donde hay múltiples
aterramientos.
En las protecciones numéricas se detecta la/las fase/fases en falta por un
método que se denomina selección de fase.
Hay varias técnicas diferentes que se utilizan como selección de fase, como:
- comparando las corrientes (algoritmo ”Delta”), que compara los valores prefalta con los valores de falta de la corriente. Esto permite una
detección muy rápida de la/las fase/fases en falta.
- cambios en la magnitud de la tensión
- cambios en la magnitud de la corriente
4.3.
Determinación de la dirección:
La dirección de la falta puede determinarse por el ángulo relativo entre la
tensión de falta y la corriente de falta. Un requisito es que la protección mida
una impedancia inductiva, donde la tensión siempre adelanta a la corriente.
Esto es lo normal en los sistemas eléctricos de potencia.
Faltas con cero tensión:
Para faltas delante o detrás del transformador de tensión, la impedancia de
falta se hace muy pequeña (teóricamente es cero), por lo cual tomar una
decisión en cuanto a la dirección es imposible.
Esta zona donde no se puede tomar ninguna decisión en cuanto a la dirección, se denomina zona muerta. Para estas faltas, la solución radica en la
utilización de una dirección pre-seleccionada. En algunos paı́ses se utilliza
una pre-selección de dirección hacia adelante mientras que otros prefieren la
dirección hacia atrás.
E7,T
La polarización cross-polarization y la polarización por tensión memorizada
se utilizan en las protecciones para lı́neas de trasmisión.
El principio de cross-polarization utiliza las tensiones de fase sanas para
determinar la dirección. En el caso de una falta trifásica, no hay tensiones
sanas disponibles. Para esta eventualidad, los relés modernos usan una tensión memorizada; la cual almacena la tensión de polarización previa a la
falta. Esto asegura que hay tensiones sanas disponibles para determinar la
dirección de la falta. La Figura 20 muestra las tensiones de polarización para
los diferentes tipos de falta, donde kE = ZE /ZL .
Cross-polarization:
Figura 19: Influencia de la carga por la lı́nea
(e8e11on (s)eseqd ,(qtlueq qtl^a uortesuelod gn¡)
olsrrc-oHl^l posuelod eqt Jo uollTsod eqt uo reJsuurt puol Jo ecuengul
9B'E arn8¡g
(zc)
3:
ouo-ourl
0üuoduji
peol
\s+
\
.ts'-¡-'
/
I
(
rc)
pus-outl
0úruodxó
f-\
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rc1,rz\-\"","
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I
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I
I
I
..--tt¿//2
X
t2
<--
peol
'(g¿.9 ern8g ,1.g.g qdurEered o1 re¡er) 1e
pe{ool ure8e ecuo s¡ 'eu¡¡ pepeolrm eq1¡o eldurexe snor¡re¡d eql ur se .lpu¡-qgee esuqd
-e¡8urs eql '99'g em8g ur u^\oqs se 'Ig Srue eJmos eq1 s8u¡
e8el¡ozr pesrJoruoru
ro (s)esuqd ,{wleeq eql 're,t.od ¡uer Surl.rodxe pue eql lv 'g eq ol perunssg ruute sr Sure
En lı́neas de trasmisión largas, la determinación de la dirección está influenciada por la corriente de carga pre-falta debido al ángulo entre tensiones en
ambos extremos de la lı́nea.
I[
ecJnos eql lsure8u uon€rol ,{e1er eq1 1u e8el¡o,l oql Jo Urqs e¡8ue eq¡ .uoq€urrurelep
uorlcerp eql qll^\ esur eql sr s3 ecuonuul JBIITUIS 3 s€g esEc srgl ur JeJSrrBrl p€ol eqJ
Carga por la lı́nea:
selrrlr-OHtr I pes¡.re¡od uo eruongq pBoT €.?.9
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
20
'seu{ uogs uo cqsuelJeJuqc lerep¡¡rpenb
€ esn or pepueruuoceJ sr 1r pue ¡erus nrel JeAe^\oq sr rceJJe eqr 'spoeJ-ur Buo¡s r¡1rr1¡
'esBeJcur 01 ecuelsrseJ rJE eql prr" d\og 01 slueDnc
llncJrc
-uorls Jelluu¡s sesnuc ecuepedrur ecmos eql ur eseercur rru su 'trceJJo elDrsod e sr srq¿
uorlusuedruoc-cJu
'(¡'¡'gqdefiered ur g'g ern8g o¡ re¡er)
eql '(¡a5 turseercur) qceer euoz les eql ol uoD?IoJ ur
seseercur
ses€eJcur
,ffiolouqoel luJrJerunu qllrn sorlsueJceJeqc JuIn3JrJ
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
21
Figura 20: Tensiones de polarización
Secuencia negativa
Los elementos direccionales de secuencia negativa presentan ventajas frente
a los elementos direccionales convencionales para faltas desbalanceadas:
- Los elementos de secuencia negativa son insensibles a los acoplamientos
mutuos de las lı́neas de trasmisión en paralelo. También es aplicable
cuando la red de secuencia cero está aislada.
- Si la fuente equivalente en secuencia cero detrás de la ubicación de
relé es fuerte, entonces la tensión de secuencia negativa diponible en
la ubicación del relé es mayor que la tensión de secuencia cero.
Relación entre Z2 y la dirección de la falta: El elemento direccional
de secuencia negativa utiliza la tensión de secuencia negativa, la cual es
influenciada por la corriente de secuencia negativa I2 . De la Figura 21 , el
relé mide la corriente IS2 para faltas hacia adelante y mide IR2 para faltas
hacia atrás. De las medidas de V2 y de I2 se puede calcular la impedancia
de secuencia negativa.
Falta hacia adelante: Z2medida =
Falta hacia atrás: Z2medida =
V2
IS2
V2
−IR2
= −ZS2
= +(ZL2 + ZR2 )
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
ES
ZS
URELE
IRELE
ZR
22
ER
ZL
Plano de Impedancia Z2
X2
ZR2+ZL2
Hacia atrás
Hacia adelante
X2=0
ZS2
Figura 21: Polarización por secuencia negativa
El criterio para declarar una falta hacia adelante es:
Falta hacia adelante: si z2 < que el ajuste hacia adelante, la falta es hacia
adelante.
Falta hacia atrás: si z2 > que el ajuste hacia atrás, la falta es hacia atrás.
5.
Protección de distancia: Zonas de operación
Debido a las inexactitudes en la medida de la distancia, debido a los errores
de medida, errores en los transformadores de corriente y tensión, y los errores
de la impedancia de la lı́nea; un ajuste de la zona de distancia que alcance
el 100 % de la impedancia de la lı́nea no es posible. Se elige un margen de
seguridad, de manera que la zona 1 subalcanza la longitud de la lı́nea.
El resto de la lı́nea se protege por una zona 2 que sobrealcanza la longitud
de la misma, la cual para asegurar selectividad debe temporizarse. La zona
3 se emplea como respaldo de la zona 2 y de las protecciones de las lı́neas
adyacentes, ver Figura 22.
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
23
Figura 22: Zonas de operación
Definiciones:
Subalcance (underreach) : es una forma de protección en la cual los relés
no operan en forma instantánea para faltas en el terminal remoto del
equipo protegido.
Sobrealcance (overreach) : es una forma de protección en la cual los relés
operan en forma instantánea para faltas más allá del terminal remoto
del equipo protegido.
5.1.
Ajustes de las zonas de operación:
En la Figura 23 se muestra los alcances de las diferentes zonas.
tests of the calculated r.
C.IV: Sistemas de
For example, a Zone 1 mho circle test might test r
against 0.85, which represents a reach of 85%.
Figure 4 illustrates mapping of mho circles into
points for a four zone relay.
2. Because V could be zero, we cannot rely on the
sign of r to reliably indicate direction. Fortunately,
the denominator of the r-equation is a directional
element de
because
it tests the angle
a
protección
alimentadores,
lı́neasbetween
y cables
voltage and a current. The sign of the denominator
reliably indicates fault direction.
than 90° apart, so we barely produce an outpu
were the only two inputs. Input Z does not inte
output as long as its leading edge is between the
of X and Y. (Assuming all pulses are 180° wide
make the parallel argument about the trailing edg
The first condition is X and Y overlap by at
two-input comparator XY represents this co
second condition is that the leading edge of Z lie
leading edges of X and Y. The ZX condition en
within ±90° 24
of X. The YZ condition ensures th
±90° of Y.
If Z leads X, then we lose the YZ output. If
we lose the ZX output. Therefore Z must be betw
which is the same condition we noted for th
comparator.
X
Y
Z
90°
Output T
0°
X
Y
Z
X
Y
90°
Y
Z
90°
Z
X
90°
90°
90°
Figure 4: Each Mho Circle Maps Onto a Point on the M-Line
de operación
III. MFigura
ULTIPLE-I23:
NPUTZonas
COMPARATORS
ARE REALLY A
FAMILY OF TWO-INPUT COMPARATORS
Multi-input comparators are widely used in distance relays.
90°
Figure 5: Coincidence-Timing Multi-Input Logic
Zona 1 : These comparators can be easily understood by representing
IV. A QUICK REVIEW OF MHO ELEME
El extremo remoto
las zonas
de comparators.
las protecciones de distancia no se pueden
them asdeseveral
two-input
POLARIZING CHOICES
The top
of Figure
shows
three-input
If
determinar en forma
precisa,
por5 lo
cuala no
se tienecomparator.
certeza sobre
el alcance
inputs
X, Y, andEstas
Z overlap
by at least 90 son
, then
output Ta los errores de
real (selectividad
relativa).
incertidumbres
debidas
Vp. There are many choices for the polarizing
asserts.
los transformadores
de medida, a los errores en el cálculo de la impedancia,
What characteristic does a multiple-input comparator Table 1 reviews some of them.
etc.
provide?
Lo ideal es que todas la faltas en el equipo protegido sean despejadas en forma instantáneas. Por lo tanto, debido a los errores y para estar seguro de no
sobrealcanzar el extremo remoto, se acepta una zona de subalcance: Zona 1.
Generalmente se ajusta el alcance de Zona 1 entre el 80 % - 90 % de la impedancia de la lı́nea y opera en forma instantánea.
La zona 1 no protege toda la lı́nea de trasmisión, el área entre el final de la
zona 1 y el extremo remoto no está protegido.
6 | 2W]ZVITWN:MTQIJTM8W_MZ
Zona 2 :
Las protecciones de distancia están equipadas con otra zona, que sobrealcanza más allá del extremo remoto de la lı́nea de trasmisión.
Esta zona es conocida como Zona 2, y debe ser más lenta que la zona 1, de
manera de permitir que la zona 1 de la lı́nea adyacente opere. Este tiempo
de coordinación, para la zona 2, es generalmente de orden de 0.3s a 0.5s.
Generalmente se ajusta el alcance de Zona 2 entre el 120 % - 150 % de la
impedancia de la lı́nea. El ajuste de zona 2 de la lı́nea protegida deber ser
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
25
menor a los alcances de zona 1 de las lı́neas adyacentes. Si esto no se cumple,
hay faltas que compiten las dos zonas 2 y pueden conducir a que operen las
2 lı́neas.
La zona 2 también actúa como protección de respaldo de parte de las lı́neas
adyacentes.
Zona 3 :
De manera de tener una protección de respaldo para las lı́neas adyacentes,
se habilita otra zona. Esta zona de protección se denomina, Zona 3.
La zona 3 debe coordinar en tiempo y distancia con las zonas 2 de las lı́neas
adyacentes.
Generalmente se ajusta el alcance de Zona 3 entre el 120 % - 180 % de la
impedancia de la lı́nea adyacente.
La temporización de la zona 3, generalmente se ajusta en el orden de 0.9s 1.2s.
Ajuste Zona reversa (hacia atrás) :
En las protecciones numéricas se pueden tener otras zonas de manera de
tener funciones de protección adicionales.
La zona 4 se puede ajustar para atrás de manera de dar un respaldo local
para faltas en la barra (hacia atrás).
Alguna de las zonas también se puede ajustar no direccional de manera
de dar protección frente a faltas cercanas a la ubicación de la protección,
cuando no hay tensión memorizada. Esta función se denomina cierre sobre
defecto (SOTF) y no requiere medida de tensión de la lı́nea. Esta función
opera en forma instantánea cuando se energiza una lı́nea con una falta, por
ej. con la seccionadora de tierra de la lı́nea cerrada.
6.
Bibliografı́a
- Network Protection and Automation Guide, Alstom
- Numerical Distance Protection, Gerhard Ziegler
- Protective Relaying Theory and Applications, Walter A. Elmore, Marcel Dekker Inc. 2nd ed. 2004
- Protective Relaying: Principles and Applications, J. Lewis Blackburn,
Marcel Dekker Inc. 2nd ed. 1997
C.IV: Sistemas de protección de alimentadores, lı́neas y cables
26
- Power System Relaying, S. Horowitz, A. Phadke 3rd ed. 2008
- Curso Medidas y Protección en Sistemas Eléctricos de Potencia (IIEFING-UdelaR). Jorge L. Alonso, 1988
- Z=V/I Does Not Make a Distance Relay, J. Roberts, A. Guzman. 20th
Annual Western Protective Relay Conference, 1993.