NUEVOS SENSORES DE CORRIENTE Y TENSION DE MEDIA TENSIONAPLICADOS EN RELES DE PROTECCION

INTRODUCCION

Los requerimientos técnicos y económicos en tableros de Media Tensión (MT) se han ido incrementandoen estos últimos años. Las propiedades más requeridas son:

− Dimensiones pequeñas.− Planeamiento e implementación rápido de las instalaciones.− Flexibilidad para permitir futuros incrementos de los sistemas de distribución.− Alta confiabilidad, compatibilidad electromagnética y minimización del mantenimiento.

La nueva tecnología capaz de reunir estos requerimientos tiene las siguientes características:

− Integración de funciones y componentes para aprovechar al máximo permitido sus habilidades.− Prefabricación y soluciones estandarizadas.− Equipos de medición no convencionales e innovadores.− Moderno equipamiento secundario.

Los sensores expuestos abajo son del tipo de bobina de “Rogowski” para la medición de corriente y losdivisores resistivos de tensión para medición de tensión. Sus principales beneficios son:

− Pequeño tamaño – ayuda a optimizar el espacio dentro de tableros.− Gran rango dinámico – permite la minimización del número del tipo de sensores necesarios y la

mejora de algunas funciones de protección.− Funciones de medición y protección combinadas.− Alta confiabilidad y seguridad.− Bajo costo.

Estos nuevos sensores también utilizan mejor las ventajas de los modernos equipamientos secundariosque los transformadores de medición clásicos. Basado en un procesador de señal, los relés deprotección necesitan solamente la información concerniente de los transformadores de corriente ytensión y también tienen la capacidad necesaria para procesar los datos medidos.

PRINCIPIOS DE LA NUEVA MEDICION EN LA PRACTICA

Medición de Corriente

El sensor de Rogowski está formado por una bobina toroidal, y la corriente pasa a través del centro deltoroide (tal como indica la figura 1). La tensión de salida del sensor es proporcional a la derivada de lacorriente. Como la bobina no tiene núcleo de hierro no ocurre el fenómeno de saturación. Esto resulta enun gran rango dinámico y una alta linealidad.

Figura 1. Bobina de Rogowski

En realidad que la señal de salida no tenga relación directa con la corriente primaria, tiene que tenerseen cuenta dentro del contador en el diseño del equipamiento secundario. Esto puede ser realizado pormedio de la integración digital de la señal.

En las figuras 2 y 3 se muestra la corriente primaria real, la salida de tensión del sensor y la señal decorriente obtenida por integración de la salida. La corriente primaria fue medida con shunt. La tensión delshunt y de la bobina de Rogowski fueron mostradas via enlaces ópticos. La integración fue diseñadautilizando una computadora.

Cur

rent

/kA

-80

-60

-40

-20

0

20

40

Figura 2: Corriente primaria (línea continua) y salida de tensión del sensor de corriente (línea de puntos)

Medición de Tensión

El sensor de tensión es un divisor resistivo de tensión y entrega una señal proporcional a la tensiónprimaria fase-tierra. Las principales ventajas de esta medición son las buenas características en loinherente a las condiciones de gran rango dinámico y alta linealidad.

Algunas modificaciones son necesarias en la realización de los esquemas de protección:

− Sustracción digital para obtener la tensión fase-tierra.− Uo para la suma digital de la tensión fase-tierra

La señal digital procesada utilizada en un moderno equipamiento secundario (UPCM) que hace fácil laimplementación de estos cálculos.

Figura 4: Divisor de tensión resistivo

Señales muy alta calidad

A diferencia de los relés electromecánicos, estos modernos equipos no pueden ser alimentados contransformadores de medida. Ellos necesitan solamente los datos provenientes de las corrientes ytensiones primarias, en donde los sensores descriptos anteriormente son los ideales y poseen lassiguientes características:

− Directamente compatible con la electrónica.− No igualado en sus necesidades por los transformadores de medida− Mejoramiento de la clase de precisión

Figura 5: TV, Sensor de Tensión, TI y Sensor de Corriente( de izquierda a derecha)

Figura 6: Combisensor (sensor de corriente y tensión combinados)

La no linealidad magnética de los núcleos de los transformadores de medida nos pone limitacionesfísicas inevitables para los rangos y clases de medición. Sin embargo, estos novedosos sensores no danbeneficios que no son factibles con la tecnología convencional incluyendo,

− Gran rango de medición combinada con alta clase. (ver figuras 11 y 12).− Integración de las funciones de protección y medición utilizando para ambas los mismos sensores.

Tabla 1

Sensor de Corriente Sensor de TensiónTipo

Ith/IdynIprimariaUsalida

FrecuenciaPrecisiónRango de tempInterferencia telefónica

KECA_A1

31,5/80kA80, 300, 800 o 1600 A0,150 V

50-60 hzclase 1-40...80°C< 0,2%

Tipo (para GIS) (para AIS)Ensayo de TensiónUnominalUprimariaUsecundariaFrecuenciaPrecisiónRango de tempInterferencia telefónicaNivel de descargasparciales

KEVI 24 A1KEVA 24 A150/125 kV24 kV20/√3 kV2//√3 kV50-60 hzclase 1/3P-40...80°C< 0,1%< 2pC

CombisensorTipo (para GIS) (para AIS)

KEVICI 24 AKEVCA 24 A

La especificación de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) tiene cada ves más importancia en losdiseños de equipamientos eléctricos. Estos nuevos sensores son superiores con respecto a sus colegasconvencionales también en este aspecto.

Los niveles de interferencia electromagnética invocados por las pequeñas salidas de tensión sondespreciables, por el contrario la corriente secundaria de los transformadores de corriente (TI)encondiciones de falla alcanza altos valores, del orden de algunos de cientos de amperes por lo cuál estosestán produciendo un disturbio significativo.

Como contraste, los sensores son más susceptibles a interferencia debido a su pequeños niveles deseñales. Este problema puede ser eliminado usando cables mallados de pequeñas longitudes diseñadoconvenientemente para sensores y equipos electrónicos.Los nuevos sensores y los tableros

Dimensiones pequeñas

El tamaño de los tableros de Media Tensión se ha ido reduciendo drásticamente en estos últimos años.Esto visto especialmente a los tableros aislados en SF6 (GIS), el volumen de cuanto puede ser, tieneque ver con que actualmente estos son la mitad de los aislados en aire (AIS).

Los transformadores de medida convencionales ocupan una parte creciente del espacio disponible en losmodernos tableros y hacen que una mayor disminución del tamaño sea imposible. Los nuevos ypequeños sensores son, por lo tanto, necesarios para aprovechar todas las ventajas tecnologicas de losGIS (tableros aislados en SF6).

El sensor de Rogowski puede ocupar un lugar alrededor de los bushings, en un espacio muy pequeño yel volumen del divisor resistivo es solamente la tercera parte de lo que ocupa un transformador de

tensión (TV). Adicionalmente el espacio ocupado puede alcanzar para ubicar ambos tipo de sensor o unCombisensor (sensor de tensión y corriente combinados).

El método de triángulo abierto para medición de tensión residual no cumple con la idea del tablerocompacto y el mínimo cableado. La nueva técnica basada en la adición digital de la tensión de fase-tierraayuda a omitir los TV’s antes necesarios para este propósito.

La adición digital puede ser utilizada, también, para la medición de la corriente residual. Asi un sensorseparado para medir Io no es necesario.

Tableros Standarizados

La standarización de los tableros en una tendencia beneficiosa para ambos, las fábricas y los usuariosque puede ser utilizada para disminuir los tiempos de fabricación y paradas de planta. Las Unidades deControl, Protección y Medición(UCPM) pueden precablearse y ensayarse en la fábrica, dejandosolamente el las barras y la conexión del cable primario como los trabajos en sitio.

Figura 7-Dos generaciones diferentes de tableros. A la izquierda se encuentra un tablero ZS1(AIS) para24 kV2kA, con transformadores convencionales de Corriente y Tensión. A la derecha se encuentra a untablero ZX1 (GIS) con sensores (24 kV, 25 kA)

La bobina de Rogowski y los divisores de tensión tienen claras ventajas en lo visto a la prefabricación delos tableros incluyendo:− Pequeño tamaño, poco peso y facilidad de instalación.− Standarización y reducción de costos debido al limitado número de sensores requeridos.

La utilización de transformadores de medida envuelve mucho planeamiento y chequeo de muchosdetalles técnicos como ser:− Corriente de carga de los equipos a alimentar actuales y en el futuro.− Nivel de tensión.− Las prestaciones, los rangos de tensión de los secundarios.− Esfuerzos térmicos y electrodinámicos de corrientes de cortocircuito.

− Factores limitadores de la clase.

La elección de los nuevos sensores se hace con un criterio simple y para esto no son necesarioslaboriosos cálculos debido a:− El sensor de corriente puede seleccionarse de acuerdo a la capacidad de interrupción del interruptor

o del rango del propio tablero.− Solamente un tipo de sensor de tensión se requiere para tensiones de hasta 24 kV.− El empleo de los sensores en las Unidades de Control, Protección y Medición(UCPM) es posible sin

el conocimiento de las futuras corrientes y tensiones.

Los sensores elegidos anteriormente son aptos para soportar todas las condiciones de los tableros. Lasfábricas de línea de productos y de tableros están simplificadas y los clientes poseen una solución muyflexible. Con esto es posible aumentar la tensiones y las corrientes de carga sin ninguna necesidad dereemplazar los sensores.

En el futuro, las nuevas normas aparecerán probablemente en todo lo concerniente a tablerosintegrados. Cuando el tablero o la Unidad de Control, Protección y Medición(UCPM) forme un sistemacompleto apropiado para tratar la norma como una solución completa también. En esta instancia parte delos ensayos están hechos en los relés de protección y en los transformadores de medidaseparadamente, podrán reemplazarse por ensayos relativos a la performance de los sensores juntos conel equipamiento secundario.

Aumento de la confiabilidad y seguridad

Los sensores tienen un impacto positivo en la confiabilidad de los tableros. El riesgo de daños porerrores humanos se reducen con el uso de sensores por las siguientes razones:

− Fácil instalación.− Errores causados por el incorrecto cableado.− Es posible la apertura segura y el cortocircuito de los secundarios de los sensores, sin producir

sobretensiones o sobrecalentamientos.− Tensiones pequeñas de salida.

A diferencia de los TV’s (transformadores de tensión), los divisores de tensión no da lugar aferroresonancia, así se minimiza el riesgo de perjudiciales sobretensiones.

Experiencias de Servicio

La estabilidad a largo plazo y la vida de los sensores puede ser probada de dos diferentes formas:

− El ensayo de estabilidad a largo plazo del sensor de tensión (usando un 70% de sobretensión,comenzando hace más de 7 años).

− Ensayos de servicio para sensores en tableros (ensayo en condiciones de operación realescomenzado hace más de 8 años).

Los ensayos standard consisten de los ensayos rutina normales (por ej. ensayos de tensión y clase deprecisión). La experiencia en estos campos ha sido muy buena. No se han visto problemas de precisióno en las propiedades de la aislación.

Modernos relés de protección (UCPM)

La nueva generación de relés de protección se refleja en la tendencia general en el área de la tecnologíade distribución eléctrica y apunta a lo siguiente:

− El uso de relés de protección como una parte optimizada del tablero.− Integración con los sistemas de control remoto.− Integración de la protección y el control.− Aumento de la facilidad de operación.− Flexibilidad y cofigurabilidad.− Aumento de los requerimientos y confiabilidad.

Los procesadores de señales digitales de los modernos relés de protección también hacen esto másfácilmente debido a las operaciones matemáticas, que son necesarias en el uso de sensores.aaaaRemote ControlConnection

3

I0

3

RED 500ABB Network Partner RED 500ABB Network Partner RED 500ABB Network Partner

Protection andControl Unit

Protection andControl Unit

Protection andControl Unit

I0

3

RED 500ABB Network Partner

Control Unit

RED 500ABB Network Partner

Protection andControl Unit

Optical Field Bus

00

29

A

00

21

A

SPAD 346 C

00nnA

00

23

A

3

3

3

3

DifferentialRelay

PROGRAMaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaSubstationControl Unit

aa3

I0

3

3

I0

3

RED 500ABB Network Partner

3

Figura 8: Esquemas con el uso de sensores de corriente y tensión para control, protección y medición.

Figura 9: Unidad que combina el Control, la protección y la medición

Funciones mejoradas en los relés de protección

Los principios de medición de la bobina de Rogowski provee un gran rango dinámico, sin distorsión delas señales secundarias, inmunidad para los componentes de CC y la alta linealidad. Las funciones delrelé asi mejoran la clase de precisión, la estabilidad y la selectividad

¿Cuándo es necesario un gran rango dinámico?

Las corrientes de falla pueden algunas veces ser muy altas, y los transformadores de corriente no soncapaces de medirlas satisfactoriamente, por esta razón la protección hace algoritmos y cualquiera de losdos hace algoritmos que son inexactos o serían de un elevado costo utilizando la tecnologíaconvencional.

El rango de medición de un TI puede ser incrementado de dos maneras. El núcleo de hierro puede sersobredimensionado o se puede linealizar con un entrehierro. El sobredimensionamiento tiene altoscostos y grandes dimensiones, por otro lado un gran entrehierro incrementa el error. Ambos problemasestán solucionados con los sensores de corriente basados en la bobina de Rogowski.

Monitores de interruptores

El monitoreo de los interruptores es una de las funciones mejoradas con el uso de los sensores. Talmonitoreo está basado en al integración de la corriente interrumpida, los valores acumulados de que esun buen indicador de necesidad de mantenimiento. La confiabilidad del monitoreo, sin embargo, estáreducida sensiblemente por la saturación de los TI’s convencionales. Los altos picos de corrienteinterrumpida, que producen esfuerzos en el interruptor, no son medidos correctamente.

El gran rango dinámico de las bobinas de Rogowski hace confiable el monitoreo de los interruptores yesto está disponible a un muy bajo costo. Los periódicos mantenimientos de los interruptores se haceninnecesarios, el cuál produce importantes ahorros.

Localización de Fallas

Después de que el relé ha operado y quedó fuera de servicio la sección fallada de una red dedistribución, hay una necesidad urgente de localizar el lugar de la falla y reparararla rápidamente. Losvalores de corriente y tensión antes del disparo del interruptor nos indica la ubicación de la falla. Laprecisión de los valores grabados es mejorada con el uso de sensores de corriente. Esto en hace másprecisa la ubicación de la falla esto clarifica el lugar, acorta los tiempos y reduce los costos porinterrupciones.

AAAA FeederAlNet ComR

10

10

10

M

↵↵↵↵

OCZLL andRe

M

M

MMA

MV

Mk

Interlo

EEllecttiintt

EEmeCCBB

LLoiintt

Temperature [C]

Out

put e

rror

-0.10%

-0.05%

0.00%

0.05%

0.10%

-40 -20 0 20 40 60 80

Fig. 12. Salida del sensor de corriente

Rápida y selectiva protección de sobrecorriente

Para minimizar los daños causados por las corrientes de cortocircuito, es esencial que el interruptortrabaje rápidamente. Como la bobina de Rogowski no se satura y no tiene, tampoco, ningún tipo demagnetismo remanente, con lo que se mejora los algoritmos de protección incluyendo:

- La señal del secundario siempre libre de distorsión y con esto se disminuyen los tiempos deoperación de la protección de sobrecorriente.

- No tiene problemas con los componentes de Corriente Continua.- Medición precisa del angulo de fase bajo todas las condiciones, asegurando la selectiva

direccionalidad del algoritmo de protección.

El uso de la salida directamente de la bobina de Rogowski sin integración posee las siguientes ventajas:

- No tiene componentes de Corriente Continua.- A causa de la derivación, los valores pico pueden ser detectados antes de que ocurran en el

primario de corriente.- Mayor rapidez y la mayor precisión posible en el disparo instantáneo.

Protección selectiva de falla a tierra direccional

La mayor cantidad de fallas en redes de distribución eléctrica, son las fallas a tierra. La protección contraestas es, por lo tanto, una de las principales funciones de los relés de protección. La selectividad de estaprotección tiene que hacer frente a los siguientes inconvenientes:

- Necesidad de algoritmos direccionales para pequeñas fallas a tierra.- Diferencia de fase entre corriente residual y la tensión la que varía de mucho, haciendo el

margen de selectividad estrecho, y seteando para altos requerimientos en la precisión de lamedición del angulo de fase.

El TI y el juego de transformadores necesarios en el relé son alineales haciendo el desplazamiento defase muy grande cuando las corrientes son pequeñas. Hay entonces bajo un limite para las corrientesque se pueden medir con una precisión aceptable, que reduce la sensibilidad del esquemasensiblemente.

Porque la bobina de Rogowski tampoco tiene un núcleo magnético no necesita coincidir con lostransformadores, los desplazamientos de fase son insignificantes también cuando medimos pequeñas

corrientes. La sensibilidad y la selectividad de la protección direccional de falla a tierra es así mejoradacon los nuevos sensores.

Desarrollos Futuros

Los sensores presentados en este articulo fueron diseñados para los tableros compactos de MediaTensión. Sin empargo, es probablemente que sus principios de medición también se usarán en lossiguientes campos de aplicación:

- Equipamiento de indicación de fallas y monitoreo, control de cargas en las redes dedistribución. El pequeño tamaño y el gran rango dinámico de los sensores tiene distintasventajas.

- La protección diferencial de transformadores y generadores de potencia, donde la bobina deRogowski es no saturable permite instalar algoritmos selectivos.

- Reemplazo de los transformadores de medida convencionales usados en Alta Tensión y MuyAlta Tensión, usando sensores activos con la electronica integrada y las señales detransmisión óptica.

La primera idea de los sensores activos es probablemente la realización en tableros eléctricos integradosde Media Tensión. El equipamiento secundario deberá entonces ser puramente digital c on las conecciónde los sensores a fibra óptica.

En el futuro la medición de de tensión estará en algunos casos probablemente basada en en divisorescapacitivos. Sus ventajas son:

- Pequeño tamaño.- Forma coaxial.- Puede ser cable colocado alrededor de los bushings e integrado con la bobina de Rogowski.- Es posible el testeo de cables en corriente continua

Conclusiones

La introducción de la bobina de Rogowski y del divisor resistivo de tensión es un paso adelante en lamedición de corriente y tensión en los sistemas de media tensión. La nueva medición garantiza losprincipios de alta calidad de las señales y el pequeño tamaño de los sensores.

La alta calidad de las señales de salidas de los sensores mejoran las ventajas de las funciones de losrelés de protección. La protección de sobrecorriente se hace más rápida y tenemos también unaprotección direccional de fallas a tierra más sensitiva. La selectividad de ambos es mejorada. Lacondición de monitoreo de los interruptores es económicamente factible, y precisión de la ubicación delas fallas es incrementada.

Los nuevos sensores junto con el equipamiento secundario sirve para la optimización de los tableros. Elgran rango dinámico combinado con la alta precisión facilita la integración de las funciones de proteccióny medición y los pequeños tamaños ayudan a reducir las dimensiones de los tableros.

Los sensores toman como base el concepto de la standarización y la prefabricación de tableros. Latendencia es beneficiosa para los fabricantes y los usuario, como el planeamiento, instalación, lostiempos de supervisión son reducidos drásticamente.

La confiabilidad y la seguridad de los tableros es mejorada con los sensores. Las fallas en susconexiones eléctricas no causan un perjuicio inmediato, por ej., los circuitos secundarios pueden serabiertos con seguridad, corto circuitos. Y a diferencia de los transformadores de tensión, los sensoresbasados en divisores de tensión no hacen aumentar la ferroresonancia en ciertas condiciones.

Los nuevos sensores con las aplicaciones de los relés de protección son una parte natural del progresoen tiene continuidad en los tableros de media tensión por muchos años. Debido a sus beneficios técnicosy económicos la bobina de Rogowski y el divisor resistivo se están, por lo tanto, haciendo populares enlas nuevas instalaciones como una extensión de los más antiguos.