Reles Direccionales

Proteccin de Sistemas Elctricos

Proteccin Direccional 1 -1 Apuntes preparados por: Prof. Sr. Ral Saavedra Cossio

PROTECCIN DIRECCIONAL

Unidades que determinan la direccin del flujo de potencia y/o corriente en una localizacin determi-nada de un sistema elctrico de potencia; de esta forma, es posible mediante este rel conocer la direc-cin de la ubicacin de una falla. Esta unidad direccional generalmente no se aplica sola, ms bien se emplea en combinacin con otra unidad, tal que sta ltima detecte la falla y d la orden de operacin o de apertura del interruptor ante la presencia de un valor de corriente superior a un valor mnimo preestablecido. La unidad de pro-teccin sensora de la magnitud de la corriente generalmente es un rel de sobrecorriente de tiempo in-verso (51), o instantneo (50) o ambos (51/50). Con la accin de ambos rels se consigue tener orden de apertura del interruptor (52) si la magnitud de la corriente de falla es mayor que un valor preestablecido (pick-up) y la direccin del flujo es concor-dante con una direccin preestablecida en el rel direccional; de otra manera, no hay orden de apertura del interruptor aunque la magnitud de la corriente circulante sea superior al valor pick-up del rel de sobrecorriente.

52TT/CC

TT/PP

67

50/51F

67 52/a 52/TC

Hay orden de disparo

52TT/CC

TT/PP

67

50/51

51 67 52/a 52/TC

No hay orden de disparo

F

51

Figura N1.- Diagrama funcional y circuito de control

La unidad direccional requiere que se le alimente con tensin y corriente o corriente y corriente, pero necesita que una de esas cantidades sea de referencia o polarizacin. Esta cantidad de referencia no debe cambiar de polaridad cualquiera sea la direccin del flujo de la corriente sensada. De todas manera, se debe aclarar que aunque este rel direccional es alimentado como una unidad wattmtrica, es decir, con tensin y corriente, ste no pueden responder a la potencia actual del sis-tema por las siguientes dos razones: 1. En condiciones de falla el factor de potencia del

sistema es muy bajo, dado que la corriente de falla es inherentemente reactiva. Por lo cual el rel electromecnico desarrollar un muy bajo e insuficiente torque, o bien, un rel electrnico tendr poca sensibil idad.

2. En cortocircuito la tensin en el punto de aplica-cin del rel puede verse sensiblemente reduc i-da.

Bobina de Polarizacin

Bobina de Operacin



Caracterstica direccional

V

I

67

V

I

67

V(polarizacin)

I (operacin)

Zona de contactocerrado

Zona de contactoabierto

Figura N2 Caracterstica direccional La cantidad de polarizacin puede ser una seal de tensin o de corriente, con la condicin de que sta mantenga su polaridad cualquiera sea la direccin del flujo de corriente en el sistema de potencia.

Diagrama de Conexin Los siguientes tipos de conexin son los que se han empleado por muchos aos. Se clasifican como conexin 90, 60, 30; esta denominacin tiene que ver con la forma de conectarlos y no con el factor de potencia del sistema. Para definir cada una de estas conexiones, se supone un diagrama fasorial de corrientes y tensiones con un factor de potencia igual a uno, y se define con la corriente de operacin adelantada con respecto a la tensin aplicada en la bobina de polarizacin.

A

BC

Tensionesa

bc

Corrientes

Figura N3.- Diagrama fasorial con factor de potencia resistivo, para la definicin de la conexin de las rels direccionales

TABLA N1 Esquema de conexiones de rels direccionales

Rel 1 Rel 2 Rel 3 Conexin

I V I V I V

30 Ia Vac Ib Vba Ic Vbc 60- Iab Vac Ibc Vba Ica Vbc 6-Y Ia -Vc Ib -Va Ic -Vb

90-45 Ia Vbc Ib Vca Ic Vab



La conexin ms utilizada actualmente es la de 90 y es considerada como la conexin estndar.

5252/TC

52/a

51-3 51-2 51-1

67-3 67-2 67-1

ab c

a

b

c

Figura N 4 Conexin 90 de rels direccionales Haciendo un anlisis de todas estas conexiones revelan que ninguna de ellas es perfecta. Todas tienen una operacin incorrecta ante una condicin especial de falla que no es la misma para cada co-nexin. Afortunadamente, la posibilidad de que ocurran estas condiciones especiales en la gran mayora de los sistemas es muy remota. Como ya fue mencionado, el ngulo de conexin se define como el ngulo por el cual la corriente de operacin aplicada al rel adelanta la tensin de polarizacin, de manera de producir una sensibilidad o el torque mximo. Para un rel esttico, en cuyo caso el torque mximo no es estrictamente relevante, la importancia del ngulo de conexin en este tipo de rel es aquel en que alcanza su mxima sensibilidad.



Proteccin direccional en lnea paralelas

51-a 51-b

67-b

67-d

51-c 51-d

LadoFuente

Ladocarga

Falla

Figura N5.- Lneas en paralelo con barra de carga

En este caso si no se aplican rels direccionales (67s) en los extremos receptores de las lneas, cualquier falla que ocurra en una de ellas, sin importar la calibracin de los rels de corriente, despejarn la falla sacando de servicio ambas lneas. Los 67s se deben instalar en los respectivos terminales receptores de las lneas, calibrados de tal manera que operen o cierren sus contactos cuando el flujo vaya en direccin de la barra de carga hacia la lnea, es decir, que ambos rels en condiciones normales tendrn sus contactos abiertos. Sin embargo, esta sola medida no es suficiente en ciertos casos; como por ejemplo, cuando la falla ocurre cercana a la barra de carga, en esta situacin ambos rels 51-b y 51-d, comenzaron a integrar el tiempo y operarn casi simultneamente, de manera que es probable que al despejarse la falla totalmente, es muy posible que el 67-d cierre sus contactos y como el 51-d tena ya sus contactos cerrados, habr una orden de operacin falsa del interruptor 52.d. Para evitar este problema es aconsejable conectar los contactos de los 67s con la bobina de operacin de los respectivos rels de sobrecorriente (51 50) (ver figura N6)

5167

Figura N6.- Solucin para evitar falsas ordenes de apertura

Alimentador en anillo En este caso, de tener un alimentador en anillo con solo un punto de alimentacin, es prcticamente imposible conseguir una buena selectividad de los esquemas de proteccin de sobrecorriente, sin em-plear direccionales. Se debe destacar que cuando el nmero de subestaciones o barras en el anillo, es un nmero par, los rels que tienen igual tiempo de operacin o calibracin estn en la misma subestacin y por consi-guiente se les deber direccionar; por otra parte, cuando el nmero de subestaciones es impar, los dos esquemas que tienen idntico tiempo de operacin resultan estar en subestaciones distintas y no requie-ren direccionamiento. La forma de estudiar la calibracin de los esquemas de sobrecorriente en un sistema de distribucin en anillo, consiste en dividir el problema en dos, coordinando los esquemas en un sentido a favor de los



punteros del reloj y luego en sentido antireloj. Es decir, tomado como ejemplo el esquema mostrado en la figura N7, la primera calibracin consiste en coordinar independientemente los siguientes elementos: rels 1,2,3,4,5 y 6 y luego en sentido contrario, es decir, 1,2,3,4,5 y 6

66'

1

5'

2

4'

3 3'

4

2'

5

1'

6' 5' 4' 3' 2' 1'

654321

2.1 1.7 1.3 0.9 0.5 0.1

2.11.71.30.90.50.1

Figura N7.- Alimentador en anillo

Proteccin de sobrecorriente direccional de fallas a tierra El esquema de proteccin de sobrecorriente residual, es aquella que tiene como finalidad proteger exclusivamente de cortocircuitos a tierra, sensando la corriente en los neutros de transformadores y m-quinas solidamente aterrizadas. Toda corriente que circula por el neutro o por la conexin a tierra se le denomina corriente residual. Esta corriente, por lo tanto, es igual a tres veces la corriente de secuencia a cero que circula por cada fase y que resulta como consecuencia de una falla a tierra. Como en el caso anterior, los rels direccionales necesitan de una cantidad de polarizacin, es de-cir, de una variable de referencia que no cambie de polaridad cualquiera sea la direccin del flujo de co-rriente. Las siguiente figuras muestran algunas conexiones adecuadas para ser utilizadas como cantidad de polarizacin.



67N

67N

(a)

67N

67N

(b)

67N 67N

110 kV 220 kV

600/5 300/5

FUENTE

SSPP TCVTCV = TC: Razn del transformador de corriente

Malla de Sec(0):

0F

Z0PZ0SZ

0TZ

0F

0N

0HI 0PI

0TI0SI

(c)

Figura N8.- Esquemas adecuados de polarizacin



SV

03E

SV V

kVR3

=

TT/PP (Bushing)

Devanado Auxiliar

0E

kV kV

Figura N9 Conexiones comunes para obtener tensiones de polarizacin

Iop

52

Ipol

IT

F2

67N

67N

Rels de fases

Lne

a 1

Lnea 2

F1

F2

Lnea 1Lnea 2

a

b

c

RH R L

Figura N10 Corriente de polarizacin para un esquema de proteccin residual direccional para fallas a tierra en la lnea #1

Ejemplos de calculo de cantidades de polarizacin: Ejemplo #1

220kV150kV

11kV

Sistema equivalente: 150kV X1=X2=20% X0=10%



Autotransformador: 37.5 MVA, 220/150/11kV, XH=12.5% XL=-3% XT=32.9% Todos los valores estn dados en base comn de 37.5 MVA. Mallas de secuencias:

0.2j 0.095j 0.2j 0.095j

0.1j -0.03j 0.12.5j

0.32.9j

0.295j 0.295j 0.1826j

Sec(+) Sec(-) Sec(0)

0.822

0.178

a) Clculo de la corriente de polarizacin.

pu7726.01826.0295.02Z TF =+=-f

pu29.17726.01

Z1III

T1F0FFF =====

--+

f

amp1272203105.3729.1I

3

0H == en 220 kV

amp1531503

105.37822.029.1I

3

0L == en 150 kV

amp78)153127(3II polN =+-== por el neutro Corriente por terciario

amp26132.45

1135.3729.1

3178.0

== en 11 kV b

Ejemplo #2 en que la corriente del Terciario invierte su sentido de giro:

132 kV66 kV

10 kV

Sistema equivalente: 132kV X1=X2=7% X0=3% Autotransformador: 100 MVA, 132/66/10kV, XH=12.5% XL=-4.2% XT=61.5% Todos los valores dados en base comn 100 MVA



0.07j 0.083j 0.07j 0.083j

0.03j -0.042j 0.125j

0.615j

0.153j 0.153j 0.1128j

Sec(+) Sec(-) Sec(0)

1.02-0.02

pu4188.01129.0153.02Z TF =+=-f

pu388.24188.01

Z1III

T1F0FFF =====

--+

f

amp10441323

10100388.2I

3

0H == en 132 kV

amp21316631010002.1388.2I

3

0L == en 66 kV

Corriente de polarizacin

amp3261)10442131(3II polN =-== por el neutro Corriente en el Terciario

amp2.159103

10100)02.0(

3388.2 3

=-

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