Los efectos de la distorsión de la forma de onda en los relés de protección eléctrica Laith Al-Musawi / Andrew Waye / Dr. Nafia Al-Mutawaly, Universidad McMaster, Canadá William Yu, OMICRON, Estados Unidos Introducción Con el aumento de la utilización de variadores de frecuencia (VFD), inversores de estado sólido y otras cargas no lineales, la calidad de la energía ha pasado a ser una preocupación para el funcionamiento de las redes de distribución. Los armónicos producidos por estas cargas pueden causar el sobrecalentamiento de los conductores de neutro, transformadores y motores. Por otra parte, las investigaciones han demostrado que un alto contenido de armónicos puede tener un impacto negativo en el funcionamiento del sistema eléctrico, ya que los relés de protección están diseñados para funcionar a la frecuencia nominal (50/60 Hz) [1]. Investigaciones anteriores han mostrado que algunos relés pueden funcionar mal y disparar en condiciones normales de funcionamiento o, por el contrario, no disparar en absoluto en presencia de armónicos [2]. Un disparo en falso, o la ausencia de disparo de un relé pueden provocar una falla del sistema, la interrupción del servicio u otras pérdidas económicas. En este artículo se describe el trabajo realizado para probar varios tipos de relés (electromecánicos, digitales y dispositivos electrónicos inteligentes) y su desempeño en presencia de armónicos. Aunque investigaciones anteriores ya han abordado este tema [2, 4], sus resultados no cuantificaban exhaustivamente el impacto de los armónicos en el funcionamiento del relé. Los experimentos analizados en este artículo se llevaron a cabo usando un equipo de prueba de relés de OMICRON (CMC 256). En las pruebas realizadas en este estudio se examinaron varios niveles de distorsión armónica total (DAT), incluidos los armónicos individuales hasta el 49o, la superposición de perfiles de armónicos y los diversos ángulos de fase de armónicos. Metodología de la prueba Descripción general Se realizaron pruebas de funcionamiento de relés de protección tanto en relés convencionales (electromecánicos) como en los modernos (digitales). Se utilizó un equipo de pruebas de relés de alta precisión CMC 256plus de OMICRON para sintetizar formas de onda arbitrarias y registrar los tiempos de disparo resultantes. Se aplicaron formas de onda de CA (60 Hz) convencionales directamente a todos los relés objeto de prueba a fin de determinar la línea referencia (tiempo) de activación del relé. Para producir la misma energía que la de la frecuencia fundamental, se sintetizó una forma de onda distorsionada (que incluía tanto la componente fundamental como la del armónico) de acuerdo con la siguiente fórmula de valor eficaz (RMS) de la energía [3]: Se calculó la relación entre los tiempos de disparo de ambas formas de onda inyectadas como se muestra en la siguiente fórmula: La prueba se repitió para todos los relés y los datos se recopilaron, registraron (corrientes y los niveles de distorsión armónica) y se trazaron para un análisis detallado. Configuración de la prueba Con los canales de corriente de OMICRON conectados directamente al relé (sin transformador de corriente), se evaluaron varios tipos de relés (Figura 1). Fig. 1 Configuración de la prueba La salida del relé (señal de disparo) se conectó directamente a una entrada digital del CMC 256plus de OMICRON para determinar el tiempo de disparo. Se probaron relés electromecánicos, digitales y dispositivos electrónicos inteligentes (IED), como se muestra en la tabla 1. © OMICRON 2013 – International Protection Testing Symposium (Simposio internacional de pruebas de protección) Electromecánico Digital ABB CO-8 ABB REU 523 Westinghouse CO-11 SEL 451 (IED) Tabla 1 - Relés probados Resultados Los datos obtenidos de las diferentes pruebas se registraron, tabularon y se representaron gráficamente para reflejar el funcionamiento del relé. Los resultados experimentales se organizaron en cinco categorías: características de tiempo inverso, tiempo de disparo definido, orden de tomas del transformador de corriente (TC) del relé, perfiles de armónicos y distorsión de la tensión. (DSP) elimina las frecuencias superiores a 60 Hz [4]. Cuando se compara el funcionamiento de un relé electromecánico con el digital, es evidente que el tiempo de disparo del relé digital se mantiene constante (independiente del contenido de armónicos), mientras que el tiempo de disparo del relé electromecánico depende de los armónicos (figura 3). Características de tiempo inverso Relés electromecánicos En la figura 2 se presenta el impacto de un orden de armónicos dado (puntos marcados) y la variación de la magnitud de armónicos aplicada (líneas de tendencia) en el tiempo de disparo. Se observó un impacto mínimo en el funcionamiento del relé para la distorsión armónica individual (IHD) < 10 %. Sin embargo, cuando la distorsión armónica total es del 20 % o superior, aparecen dos tendencias: los armónicos de orden inferior tienen menos impacto en el tiempo de disparo, mientras que los armónicos de orden superior (> 19o) tienen un impacto evidente. Fig. 2 Fig. 3 Características de tiempo inverso - Comparación de relés electromecánicos y digitales Disparo de Tiempo Definido Relés electromecánicos - Orden y ángulo de fase de armónicos El tiempo de disparo se vio afectado por los armónicos; específicamente, se halló que el tiempo de disparo depende del orden y el ángulo de fase de los armónicos. En la figura 4, se hace evidente que los armónicos tercero y quinto afectan al dispositivo de diferentes maneras con respecto al tiempo de disparo, una variación que depende del desplazamiento de fase de los armónicos con respecto a la fundamental. Características de tiempo inverso - Relés electromecánicos Relés digitales Con los relés digitales, se observó que los respectivos órdenes o magnitudes de armónicos tienen poco o ningún efecto sobre el funcionamiento del relé (los armónicos parecen invisibles para el relé). La literatura sobre el tema indica que los filtros digitales eliminan los armónicos al convertir las magnitudes de analógicas a digitales (A/D), gracias a que un filtro en la etapa de procesamiento digital de señales Fig. 4 Tiempo de disparo - Orden y ángulo de fase de armónicos Para cuantificar los efectos del desplazamiento de fase del tercer armónico, se aumentaron los niveles de IHD como porcentaje de la fundamental, lo que dio como resultado un aumento observado en el tiempo de disparo (figura 5). © OMICRON 2013 – International Protection Testing Symposium (Simposio internacional de pruebas de protección) Fig. 5 Tiempo de disparo - Porcentaje de distorsión del tercer armónico Relés digitales - Orden y ángulo de fase de armónicos El orden del armónico tuvo un impacto limitado (y mínimo) en el funcionamiento de los relés digitales; sin embargo, el cambio del ángulo de fase del tercer armónico tuvo un impacto notable en el tiempo de disparo. En la figura 6 se muestra que los armónicos de quinto y séptimo orden no fueron detectados por el relé, sin embargo armónico de tercer orden (con un cambio de fase de 120-270 grados) provocó un aumento del tiempo de disparo. Esto se puede atribuir al algoritmo de software de la etapa DSP del relé. Fig. 7 Orden de tomas - Relés electromecánicos Relés digitales Como no hay conexiones de tomas en los relés digitales, el ajuste de las tomas no puede afectar de forma alguna al funcionamiento del relé. Perfiles de armónicos Relés electromecánicos La distorsión armónica mixta tuvo un impacto mínimo en el tiempo de disparo de los relés electromecánicos probados, como se muestra en la figura 8. Fig. 8 Distorsión mixta - Relés electromecánicos Fig. 6 Tiempo de disparo - Desplazamiento de fase de armónicos Relés digitales Orden de tomas del TC del relé Relés electromecánicos El orden de tomas tuvo un impacto mínimo sobre el funcionamiento de los relés probados. La distorsión armónica mixta no tubo impacto alguno en el tiempo de disparo de los relés digitales (figura 9). © OMICRON 2013 – International Protection Testing Symposium (Simposio internacional de pruebas de protección) para detectar solo las frecuencias fundamentales (50/60 Hz). Fig. 9 Distorsión mixta - Relés digitales Distorsión de la tensión Relés digitales - Subtensión Los armónicos de todos los órdenes (distorsión total 20 %) tuvieron esencialmente el mismo impacto sobre el tiempo de disparo del relé en condiciones de subtensión. En la figura 10 se muestra que se observó como se preveía un tiempo de disparo por unidad de 1 (solo para la tensión fundamental). Los armónicos más allá de la fundamental (hasta el 49o) produjeron un tiempo de disparo por unidad de menos de 0,3, lo que indica que los armónicos de la tensión se filtran completamente. Fig. 11 Distorsión de la tensión - Sobretensión digital Análisis Los discos de inducción de los relés electromecánicos se componen de un electroimán tripolar fabricado para funcionar a una frecuencia nominal de 50/60 Hz. El polo central se activa por el flujo de corriente de la red, mientras que el polo exterior está equipado con una bobina de retardo, y el polo restante recibe el flujo generado por los otros dos polos (figura 12). Fig. 12 Disco de Inducción de los relés electromecánicos [2] Fig. 10 Distorsión de la tensión - Subtensión digital Relés digitales - Sobretensión Los armónicos de todos los órdenes (20 % de la distorsión total) tuvieron esencialmente el mismo impacto sobre el tiempo de disparo del relé en condiciones de sobretensión. En la figura 11 se muestra que se observó como se preveía un tiempo de disparo por unidad de 1 (solo para la tensión fundamental). Los armónicos más allá de la fundamental produjeron un tiempo de disparo por unidad de más de 8. El relé tarda más en disparar si el transformador de potencial (PT) está diseñado Al aplicar una corriente fundamental de arranque, se genera un par de magnitud suficiente para vencer la fuerza de retención del muelle, lo que provoca la rotación del disco [2]. Este par resulta de la interacción entre las corrientes del disco producidas por el flujo de cada polo y las de los flujos de los otros dos polos, yendo todas las fuerzas en la misma dirección. Adicionalmente, el flujo total disminuirá en proporción inversa a la frecuencia (armónicos de la corriente de entrada), lo que produce un impacto neto sobre el polo central. A medida que se añaden armónicos, la corriente inducida de la bobina de retardo permanece en gran parte sin cambios, lo © OMICRON 2013 – International Protection Testing Symposium (Simposio internacional de pruebas de protección) que hace que los flujos de los polos tercero y central se acerquen en fase, lo que produce: Aumento de la corriente de arranque Reducción de la velocidad de rotación del disco Tiempos de disparo no uniformes Por el contrario, los relés digitales funcionan con el concepto de registrar las formas de onda de corriente y tensión, filtrar dichas formas de onda y procesarlas utilizando el método de la Transformada Discreta de Fourier (DFT). Como se muestra en la figura 13, la forma de onda se muestrea cada cuarto de ciclo para garantizar el registro correcto de la energía de la forma de onda (área bajo la curva). Fig. 13 Muestreo en relés digitales A través de las muestras resultantes, la etapa DSP del relé calcula la magnitud de cada armónico basándose en la siguiente ecuación: donde: m es el número de muestras n es el orden del armónico N es el número total de muestras X(m) es la magnitud de la señal en la muestra m Las etapas de registro y filtrado de datos son parte esencial de un relé digital. La presencia de contaminación armónica en las señales de entrada puede producir un funcionamiento erróneo de los algoritmos digitales y por lo tanto un funcionamiento incorrecto del relé [5]. Como los relés controlados por microprocesador cuentan con filtros de paso bajo antes del filtrado digital, los relés digitales no responden a los armónicos de orden superior [6]. Por tanto, son incapaces de incluir la energía de los armónicos de frecuencia más alta en sus algoritmos de disparo [6]. Conclusiones Se observó que los tiempos de disparo de los relés electromecánicos, basados en las características de tiempo inverso, dependían de la amplitud y el orden de los armónicos. Se halló que los valores de IHD < 10 % tuvieron poco o ningún impacto sobre el funcionamiento del relé; esto se puede atribuir al flujo magnético mínimo introducido en el disco de inducción. Los valores de IHD > 20 % tuvieron un impacto observable debido a la generación de flujo magnético no lineal. Los armónicos superiores al 19o causaron una variación significativa en el tiempo de disparo (figura 2). Por el contrario, los tiempos de disparo de los relés digitales se mantienen constantes independientemente de la amplitud y el orden de los armónicos gracias al filtrado con que cuenta el relé; sin embargo, el tiempo de disparo del relé digital parecía tener un desplazamiento constante en presencia de armónicos (figura 3). Se observó que los tiempos de disparo definidos de los relés electromecánicos se vieron afectados por los ángulos de fase de los armónicos de orden inferior (tercero y quinto). Poco o ningún impacto se observó con los armónicos de orden superior o los ángulos de fase (figuras 4 y 5). Relés digitales experimentan un impacto mínimo en presencia de desplazamiento de fase de armónicos de quinto orden, sin embargo, se observó un impacto notable con los armónicos de tercer orden (figura 6). El ángulo de fase tiene más impacto para armónicos de orden bajo (tercero y quinto), mientras que los armónicos más altos tienen un impacto mínimo. El desplazamiento de fase del tercer armónico a 150180 grados introducirá un efecto destructivo sobre la fundamental; el fenómeno inverso se aplica al quinto armónico que introduce un efecto aditivo sobre la fundamental. Sin embargo, con armónicos más altos, una acción aditiva o destructiva debida al desplazamiento de fase tiene relativamente menos impacto en la fundamental. El orden de tomas de TC de los relés electromecánicos tuvo poco o ningún impacto en el desempeño del relé; el cambio de tomas no modifica el flujo magnético inducido por los armónicos. Las desviaciones de los tiempos de disparo registrados eran evidentes, pero estos aumentos no eran atribuibles a la posición de toma del TC (figura 7). Con formas de onda de subtensión distorsionadas, el relé no detectó la presencia de armónicos, y trató la señal como una fundamental con una magnitud inferior lo que produjo una reducción del tiempo de disparo (figura 10). Por el contrario, se observó que las formas de onda distorsionadas por sobretensión aumentan el tiempo de disparo ya que el relé no puede detectar la energía de armónicos (figura 11). Sin embargo, los resultados indican que este cambio es independiente del orden del armónico, tanto para condiciones de subtensión como de © OMICRON 2013 – International Protection Testing Symposium (Simposio internacional de pruebas de protección) sobretensión, ya que el cambio del tiempo de disparo resultante fue constante. En la medida en que los dos tipos de relés probados produjeron tiempos de disparo no uniformes (para la misma entrada de energía), es difícil identificar una solución única en cuanto a qué escalonamiento debe aplicarse cuando hay presencia de armónicos en los sistemas de protección. Dado que los relés digitales filtran armónicos (a excepción de los armónicos segundo y cuarto en el caso de la corriente de avalancha para la energización del transformador) sería necesario un mecanismo de detección de armónicos paralelo para mejorar el desempeño del relé digital en presencia de alto contenido de armónicos. Sin embargo, los relés electromecánicos no presentan cambios predecibles de funcionamiento cuando se ven influidos por armónicos y, por tanto, no pueden modificarse de manera eficaz para detectar de forma confiable el contenido de armónicos. Esto sigue siendo una preocupación, teniendo en cuenta la aplicación generalizada de los relés electromecánicos en toda Norteamérica en este momento. Trabajo futuro Los datos recogidos recientemente (formas de onda y perfiles de armónicos) de los hogares típicos modernos revelan la presencia de significativa distorsión armónica y de forma de onda (figuras 14 y 15). Por tanto, es evidente la necesidad de una mayor investigación de los efectos de la distorsión armónica en el sistema de distribución. Reconocimientos Los autores desean dar las gracias a los programas del Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) que sirvieron de apoyo a esta publicación. Referencias [1] Donohue, Paul; Islam, Syed: The Effect of Nonsinusoidal Current Waveforms on Electromechanical and Solid-State Overcurrent Relay Operation. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.46, Nº.6, Noviembre/Diciembrer 2010 [2] A. Elmore, W.; A. Kramer, Cheryl; E. Zocholl, Stanley: Effect of Waveform Distortion on Protective Relays. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.29, Nº.2, Marzo/Abril 1993 [3] Y., Recep; G., Kayhan; B., Altug; K., Celal; U., Mehmet: Analysis of Harmonic Effects on Electromechanical Instantaneous Overcurrent Relays with Different Neural Networks Models. Yildiz Technical University [4] E. Zocholl, Stanley; Benmouyal, Gabriel: How Microprocessor Relay Respond to Harmonics, Saturation, and Other Wave Distortions. 24 Annual Western Protective Relay Conference, 1997 [5] Zamora, I.; Mazón, A.J.; Valverde, V.; San Martín, J.I.; Buigues, G.; Dyśko, A.: Influence of Power Quality on the Performance of Digital Protection Relays. IEEE [6] Medina, A.; Martínez-Cárdenas, F.: Analysis of the Harmonic Distortion Impact of the Operation of Digital Protection Systems. IEEE Acerca del autor Fig. 14 Datos recopilados en un hogar moderno típico Laith Al-Musawi obtuvo su grado BTech. en Ingeniería Técnica de Energía en la Universidad de McMaster, Canadá en 2013. Actualmente está matriculado en un máster (MSc) en Ingeniería Eléctrica en la Universidad de McMaster. También trabaja como ayudante de investigación en el departamento de Tecnología de Ingeniería de la Universidad McMaster. Sus intereses de investigación incluyen la protección y el control de sistemas de eléctricos, la calidad de la energía y la instrumentación. Fig. 15 Perfil de armónicos de un hogar moderno típico © OMICRON 2013 – International Protection Testing Symposium (Simposio internacional de pruebas de protección) © OMICRON 2013 – International Protection Testing Symposium (Simposio internacional de pruebas de protección)