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Escuela Superior Politécnica

del Litoral

Laboratorio de Sistemas de Potencia

Proyecto Final

Protección de Barras de una Subestación

Eléctrica utilizando el Relé Diferencial de

Voltaje tipo SBD11B

Luis Raúl Sigüenza Alvarado

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Índice:

Objetivos………………………………………………………………………………………………………………….3

Descripción del Relé SBD11B…………………………………………………………………………………….3

Aplicación del Relé

SDB11B……………………………………………………………………………………………………………….……4

Operaciones Principales del Relé SDB11B………………………………………………………………….5

Partes del Relé SBD11B…………………………………………………………………………………………….7

Ratings…………………………………………………………………………………………………………………….12

Pruebas realizadas al Relé SDB11B…………………………………………………………………………..14

Protección de Barras………………………………………………………………………………………………..18

Simulación del relé en una Barra de una Subestación…………………………………………..…..23

Conclusiones………………………………………………………………………..………………………………….27

Observaciones………………………………………………………………………………………………………….27

Bibliografía……………………………………………………………………………………………………………..28

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Objetivos:

Familiarizarse con el relé diferencial de barras.

Realizar las pruebas de rutina en el laboratorio para comprobar el estado del relé

Implementar un diseño eléctrico de una subastación donde el relé pueda ser

simulado.

Descripción del Relé SBD11B:

El Relé Diferencial de Voltaje para Barras, fabricado por la compañía General Electrics de

tipo SBD11B es un relé estático diferencial de alta impedancia y de alta velocidad. Ha sido

diseñado específicamente para la protección diferencial de barras aunque también puede

ser usado en la protección de reactores.

Ventajas y Beneficios:

Circuitería Estática

Voltaje DC controlable

Relé Telefónico RT

Target Seal-in unit

Carcasa Removible

Protección y Control:

Sensibilidad y protección de alta impedancia

Detección de Fallas de fase y tierra

Medición de Voltaje de Alta Impedancia con supervisión de sobre corriente

Para la detección de las fallas se usa la medición de voltaje con una sobrecorriente de

supervisión, la utilización de circuitos estáticos favorece a los tiempos de operación que

vienen a ser muy cortos. La salida del aislamiento se obtiene con un relé telefónico y un

target seal – in unit.

El voltaje se puede operar a 48, 125 o 250 Voltios DC. El relé es empaquetado en un case

tipo S2 y no requiere CT´s auxiliares.

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Datos de Placa:

General Electric STATIC

BUS DIFERENTIAL RELAY

MODEL: 12SBD11B1A TYPE: SBD

VOLTS (CONTINOUS) TAP SETTING HERTZ: 50 - 60

P.U. RANGE 50 - 350 V P.U. CURRENT 0.5/1.0 A

INSTRUCTIONS GEK-45451 PARTS BULLETIN GEF-4387

Aplicación del Relé SBD11B:

Protección Diferencial de Alimentadoras y Barras de una Subestación Eléctrica

Protección Diferencial de Reactores

El relé SBD11B está destinado a aplicarse en un sistema de potencia donde se requiera de

alta sensibilidad, alta velocidad de protección diferencial y donde la saturación del TC

pueda ocurrir por fallas internas y externas. Los transformadores de corriente que se

utilizan con el relé deben tener plenamente distribuidos los bobinados. El SBD se puede

aplicar con multiradio CT, siempre que todos los CT´S tengan los mismos taps.

Los relés SBD11B (87) son conectados en paralelo con los transformadores de corriente,

una completa protección para fallas de fase y a tierra requiere tres relés monofásicos más

un relé auxiliar lockout HEA (86), teniendo tres contactos normalmente abiertos a parte

de las que sea necesario para el disparo de los interruptores. Ver figura 1

Figura 1

SBD11BT

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El relé actúa por medio de voltaje, durante una falla interna se produce un desbalanceo de

las corrientes en los CTS y esto produce a su vez un voltaje arriba del voltaje pickup del

SBD11B, haciendo que este opere. Durante alguna falla externa, podría resultar en una

completa saturación del CT ocasionando una corriente considerada y esto a su vez un

voltaje que no sea lo suficientemente alto como para hacer operar al relé.

Se ajustan los Taps del SBD calculando el voltaje y la corriente requerida para que el relé

opere. El objeto es seleccionar el más bajo Tap disponible para evitar una mala operación

para fallas externas, esto proporcionara una máxima sensibilidad al rele para fallas

internas.

Los tiempos de operación del SBD van desde 5 hasta 8 milisegundos. Donde haya líneas

protegidas con pararrayos se debería usar el modelo SBD11B2A.

Requerimientos para los Transformadores de Corriente:

Si bien se puede utilizar una mezcla de transformadores multiradios, es esencial

que los Taps utilizados sean de la misma proporción.

Todos los transformadores de corriente deben tener el embobinado totalmente

distribuidos, para evitar con ello lo que se conoce como fuga de reactancia.

No se recomienda utilizar otros dispositivos en los circuitos donde se hallen los

CTs, ya que reduce la sensibilidad de nuestro relé.

Operaciones Principales del Relé SBD11B:

El relé diferencial SBD11B es un dispositivo que opera para voltajes secundarios en

los CT´S al cual está conectado.

En la figura 2 se ilustra las conexiones externas típicas AC para el relé diferencial,

aquí se aprecia que los Cts. asociados a los circuitos de las barras están conectados

en paralelo y en estrella.

Un SBD11B por fase es requerido para brindar una completa protección a la barra.

El relé operara el disparo cuando un voltaje instantáneo aplicado entre los

terminales 5 y 6 exceda el voltaje pickup ajustado y la corriente de falla es mayor a

la ajustada.

Mientras los CT´S no pueden ser necesariamente del mismo radio, si se requiere

que tengan el mismo TAP, bajo estas condiciones el voltaje desarrollado a través

del relé en condiciones normales será muy pequeño.

Durante fallas internas en la barra, la alta impedancia del relé SBD11B se pondrá a

prueba y todos los CT´S serán operados.

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Durante fallas externas a la zona de protección, si el esquema de protección esta

realizado satisfactoriamente, es decir usando los CT´S apropiados y haciendo los

respectivos cálculos de los settings, nuestro relé no debe operar ya que no

corresponde a su área o zona de protección.

A continuación el diagrama típico de conexión externa AC para una barra con 3

breakers

Diagrama Típico de conexión externa AC para una barra con 3 breakers

Figura 2

Se puede apreciar en el diagrama anterior la conexión del relé diferencial de barras SBD,

uno para cada fase, los CTs respectivos son colocados en paralelo, consta de sus

respectivos disyuntores 52 y además consta de del relé Lockout 86 que sirve para accionar

los múltiples contactos.

El relé dispara cuando hay

un voltaje entre 6 y 5

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Partes del Relé SBD11B:

Vista Frontal:

Tarjeta

Link de

Selección de

Corriente

Ajuste AC

Voltaje Pickup

(Reóstato)

Link de

Control de

Voltaje DC

Selector de

TAP de

Voltaje

Target & Seal in

Unit

Relé Telefónico

(RT)

Case tipo S2

o Empaque

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Vista Lateral:

Vista Posterior:

Terminales de

Conexión

Tarjeta Impresa

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

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Partes Principales del Relé SBD11B:

Tarjeta o Connecting Plug:

Este relé necesita de 2 tarjetas que van

incrustadas en la parte superior e

inferior del mismo, estas sirven para

cerrar contactos del relé con los

respectivos terminales de conexión. A

continuación se muestra un esquema de

la tarjeta.

Terminales de Conexión:

Nuestro relé consta de 20 terminales el cual se encuentran ubicados en la parte posterior

del mismo. Están claramente enumerados. Esta conecta internamente a todos los

dispositivos electicos del relé, a continuación se presenta un diagrama de conexiones

internas desde dichos terminales

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Diagrama de Conexiones Internas partiendo desde los terminales de conexión

Terminales 5 y 6 (sensor de Voltaje)

Terminales 15 y 14 (Contactos RT)

Terminales 7 y 8 (Entrada DC)

Circuito Impreso

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Relé Telefónico RT:

Los contactos del tipo de relé

telefónico consiste en dos o

más escobillas metálicas

separadas una distancia muy

corta (a, b, c), están al final de

cada base hecha de paladio,

este conjunto está sobre un

núcleo que se acciona de

manera electromecánico

cuando una tensión la dispara

y se produce un cierre interno

de contactos. Por medio de

un tornillo (Residual Screw) podemos calibrar la sensibilidad, esto es aumentando o

disminuyendo la distancia de las escobillas.

Target and Seal in Unit:

La mayoría de los tipos de relés de protección tienen un

Target and Seal in Unit, El objetivo de este es indicar que

el relé ha operado. El sello de la unidad se puede ajustar

a recoger, ya sea 0.2 o 2. 0 amperios. La configuración de

la junta en la unidad. Se debe especificar con los ajustes

del relé.

* Debe ser verificado por la prueba de que los contactos

se sellará en (mantener en posición de cierre) con el

mínimo especificado DC corriente aplicada a la junta en

la unidad.

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Ratings:

Rango de Voltaje:

El estándar de rango de voltaje es de 50 a 350 voltios, 50/60 Hz, los TAPS son: 50, 100,.

150, 200, 250, 300 y 350. (Ver en la vista frontal el Selector de TAP de Voltaje)

Voltaje Ratings:

Esta es la naturaleza de la aplicación de este relé, que el voltaje no sea aplicado de forma

continua sino en cuestión de milisegundos. Para propósitos de test y de calibración se

puede considerar hasta un voltaje del 75% del seleccionado. Para voltajes por arriba de

esto vea la figura 3

Figura 3

Frecuencia:

El relé puede ser usado en sistemas tanto de 50Hz como en sistemas de 60Hz.

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Temperatura Ambiente:

Este relé está diseñado para trabajar en ambientes de temperaturas de -20°C hasta 55°C

Fuente DC:

Este relé ha sido diseñado para operar en cualquiera de estos valores de voltaje: 48, 125 O

250 voltios. (Ver el Link de Control de Voltaje DC)

Corriente AC:

La corriente rms pickup del relé SBD11B puede ser calibrada con dos valores cuyo link de

selección se encuentra en la parte frontal de este relé. Estos valores son 0.5/1.0 Amperios

rms

Ratings de Corriente:

Continuo – 10 Amp

1 Segundo – 160 Amp

5 Ciclos – 480 Amp

2 Ciclos – 215 Amp

La corriente de los circuitos puede sobrepasar los 10 amperios de forma continua, sin

embargo, el relé telefónico no debería estar energizado por más de 2 minutos.

Aislamiento:

El relé puede sobrepasar los 1500 voltios por un minuto aplicado en todos los terminales

conectados juntos, a excepción del terminal 4 que nos sirve para tierra y que puede dañar

los capacitores.

Contactos de Salida:

Un set de contactos de salida protege de corrientes elevadas a la unidad target seal – in.

Los ratings de interrupción vienen dados a continuación:

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Pruebas Realizadas al relé SBD11B:

Procederemos a realizar las pruebas que se encuentran en el manual de General Electric

de nuestro relé, para ello haremos una lista general de los instrumentos a utilizar. Hay

que tener en cuenta que tenemos que tener mucha precaución, para ello debemos saber

lo que hacemos y hay que estar bien empapados con la información que nos brinda el

manual

Materiales:

Rele SBS11B

Voltímetro

Amperímetro

Resistencia

Fuente DC

Variador de Voltaje (Reóstato)

Cables tipo Banana Gancho

Voltaje Pickup:

Procedimiento:

Se regula el relé a 50 Voltios, que es equivalente a 100 Voltios rms, esto lo hacemos en el

panel frontal con el Selector de TAP del Relé,, luego se realizan las siguientes conexiones:

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Figura a

Antes de conectar nuestro Relé SBD11B hacemos un cálculo aproximado para saber

cuánta corriente pasara por la resistencia de 100 Ohms

Datos:

Vac=120V

R= 100ohm, Tipo 500LAB

𝑉 = 𝐼 ∗ 𝑅

𝐼 =𝑉

𝑅

𝐼 = 120 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠/100 𝑜ℎ𝑚

𝐼 = 1.2 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑠

Por la resistencia pasaran 1.2 Amperios cuando se aplique un voltaje máximo inicial de

120 voltios, entonces la resistencia si soporta ese valor de corriente ya que su dato de

placa según el Tipo que es 500 LAB es de 2.2 Amperios.

Conectamos nuestro relé tal como se muestra en la figura a. Luego se procede a fijar con

el reóstato el valor del voltaje en 95Voltios y vamos incrementado poco a poco el voltaje

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hasta alcanzar el voltaje pickup, que en nuestra prueba el voltímetro marcó el valor de

102.32 Voltios.

Test de Tap de Voltaje:

Esta prueba nos ayuda a chequear la calibración de 100, 150, 200, 250, 300, y 350 voltios,

para ello procedemos a conectar los terminales 16 y 5 a un voltímetro que nos marcará un

voltaje incrementándose en +2 o - 2 voltios. Esto es incrementando nuestro reóstato en

pasos de 10% del voltaje del tap seleccionado que se quiera chequear.

Figura b

La figura b nos muestra las conexiones a realizar, e igualmente que la prueba anterior

realizamos los mismos cálculos.

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Test de Corriente Pickup:

Regulamos el voltaje al mínimo del Tap, luego seleccionamos el Link de Selección de

corriente en 1.0. Este se encuentra en frente de nuestro relé SBD11B. Luego vamos

variando la corriente comprobándola en el amperímetro hasta que el Relé Telefónico

cierre sus contactos a, b y c. El cierre de dichos contactos se lo logro con una corriente de

1.02 Amperios. Se lo comprobó cuando se escucho que hubo continuidad entre los

terminales 18 y 9, donde se encuentra un contactor del contacto RT.

Figura c

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Protección de Barras Generalidades:

La Barra es un elemento que dispone de una alta confiabilidad sin embargo ocurren fallas, llegando a ser un elemento crítico en el sistema de potencia ya que es el punto de convergencia de muchos circuitos tales como: transmisión, generación o carga. La barra del sistema de potencia debe estar provista de una protección de alta velocidad que minimice los daños en los equipos y que evite la inestabilidad del sistema, ante condiciones de falla. Definición de una Protección de Barras:

En la protección de barras se usan varios esquemas:

Protección diferencial.

Protección diferencial parcial.

Zonas diferenciales combinadas.

Comparación direccional. Protección Diferencial de Barras

El relé es el sistema de protección más utilizado en las instalaciones nuevas, ya que detecta tanto las fallas de fase como las de tierra. Hay muchas variedades de protección diferencial, cada una de ellas tiene sus propias características, las cuales deben ser examinadas cuidadosamente antes de seleccionar. Protección diferencial de alta impedancia

En este tipo de protección diferencial todos los transformadores de corriente deben tener la misma relación de transformación y una impedancia de dispersión secundaria.

Protección diferencial porcentual

Los relés diferenciales porcentuales tienen circuitos de restricción y circuitos de operación. La corriente requerida para la operación del relé depende de las corrientes de restricción. La máxima seguridad para fallas externas se obtiene cuando todos los TC’s tienen la misma relación de transformación, en caso contrario, se deberán utilizar TC’s auxiliares (para compensar los desequilibrios de corrientes por diferencias en las relaciones de transformación) de alta calidad y exactitud para asegurar estabilidad de la protección diferencial ante una falla externa.

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Protección diferencial porcentual con alta impedancia moderada

La característica porcentual de este tipo de relé hace posible el uso del relé de manera independiente de la condición de falla externa máxima. El circuito diferencial de impedancia alta moderada en conjunto con la acción de la restricción, hace que el relé sea insensible a los efectos de la saturación del TC ante una falla externa. El relé responde a fallas internas haciendo caso omiso de la saturación de cualquier de los TC’s asociados con la protección. Protección Diferencial Parcial

Conocido como protección de “barra sobrecargada” o de “respaldo selectivo”. Está basado en una variación del principio diferencial, dado que no incluye todos los campos de la protección diferencial de barras. Para implementar la protección diferencial parcial se pueden utilizar relés de distancia o de sobrecorriente. Estos relés deben coordinarse con los relés de distancia. Protección de Barras con Comparación Direccional

Este esquema compara la dirección del flujo de corriente en cada uno de los circuitos conectados a la barra. Si las corrientes en todos los circuitos confluyen en la barra es porque hay una falla en ella; si la corriente en uno o más circuitos fluye fuera de la barra, es porque existe una falla externa. Zonas Diferenciales Combinadas.

La protección diferencial de barras de un sistema de potencia se puede extender para incluir equipos que normalmente no se consideran parte de la barra, tales como: el transformador de potencia y la barra de bajo voltaje de éste, una línea de interconexión con otra subestación, bancos de condensadores, reactores o reguladores.

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Protección Diferencial según la configuración de la Subestación:

Barra Principal y Barra de Transferencia

El propósito de esta configuración es proveer un medio para sacar de servicio un disyuntor sin tener que desconectar el circuito. El disyuntor de transferencia está incluido en el esquema diferencial de barras.

Barra Principal y Barra de Transferencia

Doble Barra

Con esta disposición, cada línea puede alimentarse indistintamente desde cada uno de los juegos de barra y, por tanto, resulta posible dividir las salidas en dos grupos independientes. También resulta posible conectar todas las líneas sobre un juego de barras mientras se realizan trabajos de revisión sobre el otro juego de barras, en el caso de fallas en una barra no implica la desconexión total del sistema. En esta configuración cada una de la barras tendrá su protección diferencial de barras.

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Barra Doble con sus dos protecciones de Barras

Otras alternativas para el esquema de doble barra son:

Doble barra con by-pass

Doble barra y barra de transferencia

Doble barra con doble barra de transferencia.

Disyuntor y Medio

Con este esquema se logra un alto grado de confiabilidad, dado que cualquier disyuntor se puede retirar de operación, manteniendo todas las líneas de transmisión energizados, cada una de las barras tendrá una protección diferencial de barras independiente.

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Configuración Disyuntor ½

El esquema de protección diferencial de barras varía de acuerdo con la configuración que tenga la subestación. Para aquellas configuraciones en donde hay acople de circuitos de una barra a otra (doble barra, doble barra más barra de transferencia), se utiliza un relé de comparación direccional o dos relés diferenciales de alta impedancia porcentuales para el esquema diferencial de barras, no es recomendable utilizar para este tipo de esquemas relés de alta impedancia clásicos ya que si se utilizan podrían quedar abiertos los secundarios de los TC’s trayendo como consecuencia el daño permanente del núcleo o del TC mismo.

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Simulación del Relé en una Barra de una

Subestación

La configuración de disyuntor y medio “1 ½” se puede proteger con relés diferenciales de alta impedancia, en nuestro caso el Relé SBD11B ya que las dos barras no se conmutan, y por lo tanto cada una de las barras tendrá protección diferencial de alta impedancia independientes. Hemos implementado un circuito sencillo donde se muestra una barra principal y sus respectivas alimentadoras, simularemos la falla y comprobaremos el funcionamiento del Relé SBD11B

Análisis del Problema:

Nuestro objetivo es encontrar el valor al cual el relé pueda operar, vamos a trabajar con

una sola fase y con un solo CT para ello comenzamos analizando la siguiente fórmula:

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𝑉𝑅 = 2 2 ∗ VT (1)

Donde:

VR= Máximo Voltaje Instantáneo de Operación de Contactos

VT= Voltaje rms de Selección del TAP

2 2 = Conversión de voltios rms a voltios pico

Ahora nos concentramos en encontrar el valor VT, aplicando la siguiente fórmula:

𝑉𝑇 = 1.25 𝑅𝑠 + 𝑝𝑅𝐿 ∗𝐼𝐹

𝑁 (2)

Donde:

VT= Mínimo TAP de voltaje aceptable; como no va a ser exactamente igual a los

TAPs que tenemos en el Selector de Voltajes, debemos aproximar al inmediato

superior para coincidir con cualquiera de los valores: 50, 100, 150, 200, 250, 300,

350 Vrms

Rs= Resistencia del cable en el lado secundario del CT

RL= Resistencia del conductor entre el punto común del relé hasta el CT

P= 1, para fallas trifásicas. 2 para fallas monofásicas a tierra

IF= Máxima corriente de falla

N= Radio del CT

1.25= Factor de margen de seguridad

Como podemos apreciar tenemos que concentrarnos por ahora en encontrar el valor de

VT para ello nos guiamos de acuerdo a este método simplificado.

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Usamos el máximo valor de corriente de falla de una fase a tierra IF

Datos:

RL=1 Ohm

Rs=1 Ohm

IL= 12500

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N=1200/5

Cálculos:

Aplicando la formula (2) se obtiene el siguiente valor de VT

𝑉𝑇 = 1.25 1 + 2(1) ∗12500

240

𝑽𝑻 = 𝟏𝟗𝟓. 𝟑𝟏𝟐𝟓 𝒗𝒐𝒍𝒕𝒊𝒐𝒔

Como no tenemos disponibles un TAP con ese valor entonces lo acercamos a su inmediato

superior, por ende seria nuestro TAP a escoger el valor de 200 Voltios

Con este valor nos vamos a la formula (1), y encontramos el valor de VR:

𝑉𝑅 = 2 ∗ 2 ∗ 𝑉𝑇

𝑉𝑅 = 2 ∗ 2 ∗ (200)

𝑽𝑹 = 𝟓𝟔𝟓. 𝟔𝟖𝟓𝟒 𝒗𝒐𝒍𝒕𝒊𝒐𝒔

Ahora bien, con este valor de VR ponemos a prueba nuestro relé, usando el variador de

voltaje llegamos a un valor tal que vemos en nuestro relé telefónico RT operar, cerrando

sus contactos y comprobando así la operación del Relé SBD11B ante una falla o

incremento excesivo del voltaje.

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Conclusiones:

Me he familiarizado con este tipo de relé, conociendo sus partes principales, su

operación, su aplicación, sus ratings, nos hemos empapado con la información que

nos presenta el manual para así tener la mejor idea de este relé

He realizado con éxito las pruebas de rutina a nuestro relé concluyendo que este

se encuentra en buen estado, particularmente al que he trabajado durante todo el

semestre en el curso que ha sido el relé SDB11B específicamente de la fase 3, así

denotado en el Laboratorio de Potencia.

He hecho una pequeña pero valiosa simulación de una barra de una subestación

eléctrica conociendo así la operación del relé ante una eventual o posible falla en

el mismo, obviamente primero describiendo brevemente los tipos de barra que se

encuentran en una subestación.

Observaciones:

Hay que tener en cuenta que dependiendo de los valores de las resistencias

en el caso de la simulación de la barra de la subestación nos puede dar un

valor de VT que se encuentre no tan cercano a los TAPs que tenemos a

disposición, para ello se debe tratar de aproximar probando con otros

valores de resistencia.

Bibliografía:

Manual de General Electric, Static Differential Relay for Bus Protection

SDD11B

http://www.geindustrial.com

http://bieec.epn.edu.ec:8180/dspace/bitstream/123456789/1119/3/T1097

6CAPITULO%203.pdf

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