C.II: Sobrecorriente direccional de fase y tierra

C.II: Sobrecorriente direccional de fase y tierra
Curso: Introducción a los Sistemas de Protección de Sistemas Eléctricos
de Potencia
IIE-Fing-UdelaR
Facultad de Ingeniería - UDELAR
(IIE - UDELAR)
Curso: IPROSEP
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Indice
1
Consideraciones generales
2
Sobrecorriente direccional de fase
3
Sobrecorriente direccional de tierra
4
Elemento direccional de secuencia negativa
5
Sobrecorriente direccional de tierra para un sistema aislado
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Sobrecorriente direccional de fase y tierra
En general los sistemas de trasmisión de alta tensión, están interconectados
por líneas de trasmisión. Las interconexiones de muchas líneas presentan
nuevos requerimientos a la coordinación de los sistemas de protección, ya
que por los dos extremos de la líneas hay fuentes de corriente de falta.
Una de las funciones de protección que se consideran para los sistemas de
protección de las líneas de trasmisión son las funciones sobrecorrientes
direccionales.
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Sobrecorriente direccional de fase y tierra
Las funciones de sobrecorriente, instantáneas y temporizadas, utilizadas en
las protecciones de sobrecorriente direccionales son las mismas empleadas
en las protecciones de sobrecorriente no direccionales.
Las protecciones direccionales solo operan para faltas en una sola dirección.
La direccionalidad habilita a la protección operar solo para faltas dentro de la
zona protegida, lo cual le permite ser ajustada más sensible.
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Elementos direccionales
P ORQUE
EMPLEAR ELEMENTOS DIRECCIONALES ?
Hay dos métodos que se utlizan para proporcionar la direccionalidad en las
protecciones de sobrecorriente:
Para determinar la dirección de la falta : Cuando se utilizan funciones de
sobrecorriente en las líneas de trasmisión, se precisan de los
elementos direccionales para determinar la dirección de la falta.
Supervisar las funciones de distancia : Los elementos direccionales
proporcionan seguridad a las funciones de distancia.
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Polarización:
Para obtener la dirección de una falta, se compara el ángulo del fasor de una
corriente de operación, que varía con la dirección de la falta, y el ángulo del
fasor de otra señal del sistema que no depende de la ubicación de la falta.
Esta señal se la conoce como señal o magnitud de polarización.
S EÑAL
O MAGNITUD DE POLARIZACIÓN
Para las funciones de fase: las magnitudes de polarización son las tensiones
de fase o una combinación de ellas en donde está ubicada la
protección.
Para las funciones de tierra: las magnitudes de polarización pueden ser
magnitudes de secuencia negativa o magnitudes de secuencia
cero. Generalmente se aplican las magnitudes de secuencia
negativa cuando el acoplamiento de secuencia cero no permite
distinguir la dirección.
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Sobrecorriente direccional de fase y tierra
C ARACTERÍSTICA
DIRECCIONAL :
DE OPERACIÓN DE UN ELEMENTO
El máximo torque, o mayor sensibilidad, se produce cuando el ángulo entre la
corriente de operación y la señal o magnitud de polarización (generalmente
se utiliza la tensión como señal o magnitud de polarización) es igual al ángulo
característico, ángulo de máxima sensibilidad o máximo torque.
Cuando el ángulo entre la corriente de operación y la magnitud de
polarización es igual al ángulo característico, la corriente de operación es
mínima.
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Sobrecorriente direccional de fase y tierra
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Sobrecorriente direccional de fase
Durante condiciones de carga normal en líneas radiales, los fasores de
tensiones y corrientes están casi en fase (carga con alto consumo de
potencia activa).
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Sobrecorriente direccional de fase
Para poder distinguir la dirección durante una falta se debe tener en cuenta
que:
- La tensión del sistema colapsa en el lugar de la falta. Por lo tanto para
obtener la suficiente sensibilidad de la protección bajo condiciones de
falta, la tensión de polarización no debe incluir las tensiones en falta.
- El factor de potencia de una falta es bajo, la corriente esta atrasada casi
90◦ de la tensión. De todas las conexiones posibles para obtener una
correcta discriminación de la dirección durante una falta, la conexión a
90◦ es la más usada.
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The reactance and resistance elements are nondirectional and require a separate directional
Conexiones
element to make a directional distance characteristic [1].
HASE DIRECTIONAL ELEMENT DESIGN
Sonnemann [2] describes the popular 90° connected phase directional element. Table 1 lists the
and polarizing
quantities
of these
elements.
Laoperating
conexión
más popular
para
los elementos
direccionales de fase es la que
se utiliza una señal
de
polarización
en
cuadratura
o conectada
a 90◦ .
Table 1 Inputs to the 90° Connected Phase Directional
Element
Phase
Operating Quantity (IOP)
Polarizing Quantity (VPOL)
A
IA
VPOLA = VBC
B
IB
VPOLB = VCA
C
IC
VPOLC = VAB
The following equations represent the torque (TPHASE) calculations for each 90° connected phase
directional element:
TA
VBC • I A • cos
VBC
IA
TB
VCA • I B • cos
VCA
IB
TC
VAB • I C • cos
VAB
IC
where:
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Conexiones
Las siguientes ecuaciones representan el cálculo del torque (Tfase ) para cada
elemento de fase:
TA = |IA |cos(∠VBC − ∠IA )
TB = |IB |cos(∠VCA − ∠IB )
TC = |IC |cos(∠VAB − ∠IC )
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Positive-sequence
voltages
and currents Phase-Phase
are the onlyFaults
sequence-quantities
present forFaults
balanced
Sequence
Quantity
Phase-Phase-Ground
faults. We
can use these quantities to produce a single three-phase directional element and
Otras
conexiones
V
Yes
replace the three separate
90° connected phase directional
elements. UsingYes
a balanced fault
1
V2supervise phase overcurrent
Yes and distance elements does
Yes require a separate
directional element to
directional element for
V0 unbalanced faults. However,
No the total number of phase
Yes directional
elements is reduced by one.
I1
Yes
Yes
Otras
señales
deinputs
operación
y polarización
queelement.
se utilizan en
Table
2 shows the
to a positive-sequence
directional
I2
Yes
Yes los relés
numéricos:
I0
No
Yes
Table 2 Inputs to a Positive-Sequence Directional Element
From Table 3, we see that only positive- and negative-sequence quantities are available for both
Phase
Operating
Quantity (I1OPload
) quantities
Polarizing
Quantityelement
(V1POL)
unbalanced
phase fault
types. As positive-sequence
mislead a directional
for unbalanced faults, only negative-sequence quantities remain as viable inputs to an unbalanced
3V1
Three-Phase
3I1 • (1 ZL1)
fault directional element.
Table 4 shows the inputs to a traditional negative-sequence directional element, and (2) shows the
Equation
(1) represents
torque
expression. the calculated positive-sequence directional element torque (T32P).
Otra alternativa para la conexión:
T32P4 =Inputs
3V1to •a Traditional
3I1 • cos[Negative-Sequence
3V1 – ( 3I1 + Directional
ZL1)] Element
Table
where:
Operating Quantity (IOP)
(1)
Polarizing Quantity (VPOL)
3V2
3I2 • (1 ZL1) current: 3I1 = (IA + a • IB + a2 • I–C).
= Positive-sequence
3I1
3V1
= Positive-sequence voltage: 3V1 = (VA + a • VB + a2 • VC).
a
= 1 120T32Q
. = 3V2 • 3I2 • cos[ – 3V2 – ( 3I2 + ZL1)]
= Positive-sequence line angle.
Zwhere:
L1
(2)
2
=isNegative-sequence
current:three-phase
3I2 = (IA + afaults
• IB + and
a • ICnegative
).
2
The sign of 3I
T32P
positive for forward
for reverse three-phase
– 3V2 = Negative-sequence voltage: – 3V2 = (VA + a2+VB + a • VC) • (1 180°).
faults. As an
additional security step, the magnitude of T32P should exceed a minimum threshold
before the
element
considers
thefaults
directional
decision
valid.faults.
This As
requirement
avoids
erroneous
T32Q
is positive
for forward
and negative
for reverse
with the T32P
element,
the
I2 from
in (2), we
magnitude
of T32Q
must
exceedV
a 1POL
minimum
Using
V2 and
directional
decisions
when
either
or threshold.
I1OP is so
small
as to
makeFigure
their3angles
unreliable.
calculate
T32Q
(IIE
- UDELAR)
= – 50.13 for Relay 2. TheCurso:
negative
sign of T32Q correctly indicates a reverse
IPROSEP
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Sobrecorriente direccional de fase
En la Figura se muestra un ángulo de desfasaje de 30◦ del fasor de la tensión
de polarización y el ángulo de mayor sensibilidad corresponde a
90◦ − 30◦ = 60◦ .
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Sobrecorriente direccional de fase
Aplicación:
Se debe aplicar una protección direccional temporizada de fase si la máxima
corriente de falta hacia atrás(4) o la máxima corriente de carga hacia atrás es
superior a la mínima corriente de falta en (2) o la mínima corriente de falta en
(3). En el primer caso es para cuando el relé protege solo la línea y en el
segundo es el caso que actúa como respaldo del relé en H.
Se debe aplicar una protección direccional instantánea de fase si la máxima
corriente de falta hacia atrás (4) es superior a la máxima corriente de falta en
(2).
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Sobrecorriente direccional de fase
Ajustes
Para los ajustes de las corriente de operación para la función temporizada e
instantánea, así como para la elección de la curva de operación, se aplican
los mismos criterios que se aplican a las protecciones de sobrecorriente no
direccionales de fase.
ángulo característico: desfasaje que se aplica, conociendo la referencia de
ángulos, a la tensión de polarización o la corriente de
operación, para obtener la máxima sensibilidad. Depende de
cada protección y es el resultado de los estudios de
cortocircuitos en la línea a proteger. En caso de tener una
conexión a 90◦ , una buena aproximación es:
ϕajuste = 90◦ − ϕlnea
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Sobrecorriente direccional de tierra
P OLARIZACIÓN
POR TENSIÓN DE NEUTRO :
Para las faltas a tierra, la corriente de operación es la corriente de neutro
(In = 3I0 ). La tensión de neutro (3V0 ) se puede usar como tensión de
polarización, ya que siempre tiene la misma dirección independiente de la
ubicación de la falta. Generalmente, se filtran los armónicos, por ej. 3◦ .
Durante la operación normal del sistema de potencia, la tensión de neutro es
0.
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from the broken-delta secondary of grounded-wye
voltage transformers (Fig. 12-9). Phase voltages are
also required for the phase relays, instrumentation, etc.
In such cases, either a double-secondary voltage
transformer or device, or a set of auxiliary wyegrounded, broken-delta auxiliary transformers, can be
used. The voltage across the broken delta, VXY, always
equals 3 V0, or VAG plus VBG plus VCG.
Sobrecorriente direccional de tierra
cannot be used for polarizing (Fig. 1212-10c). The grounded wye of three
wye-wye-delta banks can be used (Fig. 1
and g).
The separate neutral currents of the three
wye-delta-wye transformers cannot be used f
izing, but current transformers in each g
neutral must be parallel with inverse ratios,
in Figures
and 12-10g.
t
0 12-10f A
B If we assume
C
the high- and low-voltage sides connect to
source, ground faults on the low-voltage side
10g) result in current flowing up the low
neutral and down the high-voltage neutral. Co
for faults on the high-voltage side (Fig. 12-10f
flows up the high-voltage neutral and down
voltage neutral. Hence, the reversal in eithe
does not provide a reference. By paralleling
neutral current transformers, however, IP alw
in the same direction for faults on either side
a per unit basis, the current flowing down the
always less than the current flowing up t
neutral. The actual current distribution wil
determined by the zero sequence network.
The tertiary or delta winding can also be
polarizing source. If there are no external circ
the delta, one current transformer connected i
of the delta will provide I0. A current trans
required in each of the three windings if th
connected to external circuits, so that positiv
negative sequence currents can exist during
faults. These current transformers must be c
in parallel to cancel out positive and negative
and provide 3I0 only.
Autotransformers should not be used fo
polarizing without careful analysis because
frequently unreliable as a reference. Autotran
Conexión de la señal de polarización: Tensión de neutro: 3V = V + V + V
Figure 12-9
(IIE - UDELAR)
Zero sequence polarizing voltage source.
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displaced from the residual current
A suitable quantity is the residual voltage of the system. This is
of the source impedance. The residu
If the
the directional element of the earth
voltage
transformer or three single-phase units are connected in
The residual current is phase offse
broken delta,
the voltage developed
across its terminalsywill
En el ejemplo se muestra
la tensión
de polarización
labecorriente
and hencede
angle adjustment is requ
the vector sum of the phase to ground voltages and hence the
will lag the polarising voltage. The
operación para una falta
fase
residual
voltageAof a
thetierra.
system, as shown in Figure 9.19.
also affects the Relay Characteris
vector sum of the individual
voltages.
Sobrecorriente the
direccional
de phase
tierra
secondary windings of a three-phase, five limb
A
following settings are usual:
B
! Resistance-earthed system: 0
C
! Distribution system, solidly-e
! Transmission system, solidly-
The different settings for distribution
arise from the different X/R ratios fo
I
>
9.17.3 Negative Sequence Curren
(a) Relay connections
Va
Va
3Io
Va2
Vc
Vb
(b) Balanced system
(zero residual volts)
Vc
3Vo
Vb
(c) Unbalanced system
phase A to ground
fault (3Vo residual volts)
Figure 9.19: Voltage polarised directional earth fault relay
(IIE - UDELAR)
The primary star point of the VT must be earthed. However, a
three-phase, three limb VT is not suitable, as there is no path
for the residual magnetic
flux.IPROSEP
Curso:
The residual voltage at any poin
insufficient to polarise a directio
transformers available may not
providing residual voltage. In thes
sequence current can be used as th
fault direction is determined by co
sequence voltage with the negativ
RCA must be set based on the an
sequence source voltage.
9.18 EARTH FAULT PROTEC
INSULATED NETWORKS
Occasionally, a power system is run
earth. The advantage of this
is tha
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Sobrecorriente direccional de tierra
La siguiente ecuación representan el cálculo del torque (T0 ) para el elemento
de tierra:
T0 = |3I0 |cos(∠ − 3V0 − (∠3I0 + ∠ZL0 ))
(IIE - UDELAR)
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Sobrecorriente direccional de tierra: Ejemplos
C IRCUITO
BAJO ESTUDIO :
Se considera el sistema de potencia que se detalla en la siguiente figura,
donde se estudian las magnitudes de operación (corriente de neutro) y la de
polarización (tensión de nuetro) en el relé, para las faltas ubicadas en 1 y 2.
(IIE - UDELAR)
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Sobrecorriente direccional de tierra
Falta 2
Falta 1
Zn
Relé
Red de secuencia cero
ZoL2
Falta 2
Io
ZoL1
ZoT
3Zn
Falta 1
+
Uo
-
3ZnLoad
Caso de Falta 1.
Falta fase-tierra en la línea protegida.
U o   I o ZoT  3Z n 
aterrado:
(IIE - UDELAR)Sub-caso de sistema rígidamenteCurso:
IPROSEP
Io
Io
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Sobrecorriente direccional de tierra
Caso de Falta 1.: Falta fase-tierra en la línea protegida.
U0 = −I0 (Z0T + 3Zn )
Caso de sistema rígidamente aterrado: Zn = 0, Z0 = jX entonces
U0 = −jX I0
Io
Io
Uo
(IIE - UDELAR)
Curso: IPROSEP
-Uo
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Sobrecorriente direccional de tierra
Sub-caso de sistema aterrado con alta resistencia:
Zn = R, Z0 ≈ jX , 3R X entonces U0 ≈ −3RI0
Io
Uo
(IIE - UDELAR)
Curso: IPROSEP
-Uo
Io
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Sobrecorriente direccional de tierra
Caso de Falta 2.: Falta fase-tierra externa a la línea protegida.
U0 = +I0 (Z0 L1 + 3ZnLoad )
Caso normal:
Uo
-Uo
Io
(IIE - UDELAR)
Io
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25 / 35
Sobrecorriente direccional de tierra
Aplicación
Se aplican las mismas reglas que se aplican para la protección de
sobrecorriente direccional de fase.
Se debe aplicar una protección direccional temporizada de tierra si la máxima
corriente de falta hacia atrás(4)es superior a la mínima corriente de falta en
(2) o la mínima corriente de falta en (3). En el primer caso es para cuando el
relé protege solo la línea y en el segundo es el caso que actúa como respaldo
del relé en H.
Se debe aplicar una protección direccional instantánea de tierra si la máxima
corriente de falta hacia atrás (4) es superior a la máxima corriente de falta en
(2).
(IIE - UDELAR)
Curso: IPROSEP
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Sobrecorriente direccional de tierra
Ajustes
Para los ajustes de las corriente de operación para la función temporizada e
instantánea, así como para la elección de la curva de operación, se aplican
los mismos criterios que se aplican a las protecciones de sobrecorriente no
direccionales de tierra.
ángulo característico: desfasaje que se aplica a la tensión de polarización
para obtener la máxima sensibilidad. Depende de cada
protección y es el resultado de los estudios de cortocircuitos en
la línea a proteger.
Señal de polarización: Tensión de neutro (−3V0 ):
sistema puesto a tierra mediante una resistencia:
ϕajuste = 0◦
sistema de distribución: ϕajuste = −45◦
sistema de trasmisión: ϕajuste = −60◦
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Elemento direccional de secuencia negativa
P ORQUE UTILIZAR SEÑALES DE SECUENCIA NEGATIVA PARA LAS
FUNCIONES DIRECCIONALES DE TIERRA ?
Los elementos direccionales de secuencia negativa presentan ventajas frente
a los elementos direccionales de secuencia cero:
- Los elementos de secuencia negativa son insensibles a los
acoplamientos mutuos de las líneas 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.
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Elemento direccional de secuencia negativa
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 .
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: Z 2medida =
Falta hacia atrás: Z 2medida =
(IIE - UDELAR)
V2
−IR2
V2
IS2
= −ZS2
= +(ZL2 + ZR2 )
Curso: IPROSEP
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Elemento direccional de secuencia negativa
ES
ZS
URELE
IRELE
ZR
ER
ZL
Plano de Impedancia Z2
X2
ZR2+ZL2
Hacia atrás
X2=0
Hacia adelante
(IIE - UDELAR)
ZS2
Curso: IPROSEP
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Sobrecorriente direccional de tierra para un sistema aislado
Hay sistemas de potencia que operan aislados de tierra. La ventaja de este
tipo de sistema es que una falta a tierra no ocasiona corriente de neutro, y el
sistema se puede mantener en servicio. El sistema puede estar diseñado
para soportar sobretensiones en régimen permanente, por lo cual
generalmente se utiliza en sistema de baja o media tensión.
La ausencia de corriente de neutro hace que la detección de una falta a tierra
se vuelva más complicado.
(IIE - UDELAR)
Curso: IPROSEP
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Sobrecorriente direccional de tierra para un sistema aislado
T ENSIÓN
DE NEUTRO
Cuando
√ ocurre una falta a tierra, las tensiones de la fases sanas se elevan un
factor 3 y las tres tensiones no suman cero. Por lo tanto, se puede utilizar
un elemento de tensión de neutro para detectar la falta a tierra. Sin embargo,
el método no proporciona discriminación, ya que todos las protecciones del
sistema aislado van a detectar la falta.
(IIE - UDELAR)
Curso: IPROSEP
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Sobrecorriente direccional de tierra para un sistema aislado
FALTAS
A TIERRA SENSIBLES
Este método se aplica generalmente en sistema de media tensión, y se basa
en detectar los desbalance en las corrientes capacitivas de las fases.
(IIE - UDELAR)
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are required, as voltage is being measured. However, the
requirements for the VTs as given in Section 9.17.1.1 apply.
Sobrecorriente direccional Grading
de tierra
para un sistema aislado
is a problem with this method, since all relays in the
affected section will see the fault. It may be possible to use
definite-time grading, but in general, it is not possible to
provide fully discriminative protection using this technique.
Figure 9.21: Phasor diagram for insulated system with
fault
Use of Core Balance CTs is essential. With refer
9.21, the unbalance current on the healthy fe
residual voltage by 90º
. The charging currents on these feeders will b
normal value, as the phase-earth voltages hav
amount. The magnitude of the residual curre
three times the steady-state charging current p
the residual currents on the healthy and faulted
antiphase, use of a directional earth fault relay c
discrimination required.
The polarising quantity used is the residual voltag
this by 90o, the residual current seen by the
faulted feeder lies within the ‘operate’ region of
characteristic, while the residual currents on
feeders lie within the ‘restrain’ region. Thus, the
is 90o. The relay setting has to lie between
times the per-phase charging current.
Figure 9.20: Current distribution in an insulated system with a C
phase–earth fault
9.18.2 Sensitive Earth Fault
(IIE - UDELAR)
This method is principally applied to MV systems, as it relies on
detection of the imbalance in the per-phase charging currents
that occurs.
Curso: IPROSEP
This may be calculated at the design stage, bu
by means of tests on-site is usual. A single phas
deliberately applied and the resulting currents no
made easier in a modern digital or numeric
measurement facilities provided. As noted earl
of such a fault for a short period does no
disruption to the network, or fault currents, bu
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a single phase-earth
phase-earth fault is present. The relays on the healthy feeders
n fault detection. Two
see the unbalance in charging currents for their own feeders.
dethe
tierra
para
unsees
sistema
aislado
ays.Sobrecorriente direccional
The relay in
faulted
feeder
the charging
currents in the
rest of the system, with the current of its’ own feeders
cancelled out. Figure 9.21 shows the phasor diagram.
urs, the healthy phase
e three phase voltages
o. Hence, a residual
he fault. However, the
scrimination, as the
of the affected section
method is that no CTs
sured. However, the
tion 9.17.1.1 apply.
, since all relays in the
may be possible to use
it is not possible to
ing this technique.
Figure 9.21: Phasor diagram for insulated system with C phase-earth
fault
(IIE - UDELAR)
Use of Core Balance CTs is essential. With reference to Figure
9.21, the unbalance current on the healthy feeders lags the
residual voltage by 90º Curso: IPROSEP
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