(a) Estudio de Coordinacion de Protecciones Central San Carlos en El Aplicativo Digsilent Power...

Cuadros y Zapata (2014) 1

Facultad Ingeniera Elctrica - Electrnica Universidad Pontificia Bolivariana

Estudio de Coordinacin de Protecciones Central San Carlos

en el aplicativo DIGSILENT Power Factory

Angel A. CUADROS, German A. ZAPATA

Facultad IEE; Universidad Pontificia Bolivariana; Cir 1 #70-01, B11, Medelln, Colombia

angelarturo.cuadros alfa.upb.edu.co

Resumen: Realizar el Estudio de Coordinacin de Protecciones con sus respectivas simulaciones en el aplicativo

DIGSILENT Power Factory, y los ajustes de las protecciones elctricas instalados en la Central Hidroelctrica San

Carlos, el estudio incluye Generador, Transformador Elevador y Lnea. Este proyecto se realiza preparando

documentacin, recoleccin y procesamiento de informacin. Copyright UPB 2014

Palabras clave: Coordinacin de protecciones, Digsilent, Rel.

Abstract: Perform Protection Coordination Study with their respective simulations in the application DIGSILENT

Power Factory, and adjustments of the electrical protection installed in the central Hydroelectric San Carlos, the study

includes generator, transformer and line.

Keywords: coordination of protection, Digsilent, relay.

UPB_autoArt 2013-07-19, s 20aa-mm-dd



1. INTRODUCCIN

Los sistemas de protecciones se define como un conjunto de

elementos y funciones que son utilizados en diferentes

configuraciones para garantizar la seguridad de los equipos, el

personal y las dinmicas en general del sistema al que estn

asociados; ante eventos imprevistos que interrumpan su desempeo

normal y/o atenten contra su integridad, tanto de las personas como

del sistema mismo.

En la primera seccin del artculo se realizar un marco terico con

los conceptos referentes a la coordinacin de protecciones, seguido

de la metodologa y el proceso que se tuvo en cuenta para que el

objetivo se llevara a cabo satisfactoriamente, Posterior a esto se

pondr en contexto las 4 Funciones Sistmicas es decir funciones

principales que no deben faltar para proteger los dispositivos del

sistema de potencia, para estas 4 funciones se tiene el criterio segn

la Gua del buen ajuste y coordinacin suministrada por XM y la

norma IEEE C37-102 2006, el ajuste con su respetiva verificacin,

Finalizando con sus respetivas conclusiones y recomendaciones.

2. MARCO TERICO

Desde la misma elaboracin de un diseo o proyecto elctrico es

necesario tener en cuenta que ningn sistema es totalmente seguro,

lo cual posibilita la ocurrencia de fallas que pueden ser generadas

por agentes externos o internos indistintamente, por ello el diseo

e implementacin de planes de contingencia ante condiciones

indeseadas es una necesidad fundamental a tener en cuenta. Dicha

necesidad se hizo notoria desde la misma implementacin del

primer sistema elctrico de generacin y distribucin y sigue

vigente hasta la actualidad. Las protecciones elctricas surgen

entonces como una respuesta ante esta necesidad, abarcando una

alta gama de configuraciones especficas de operacin, puesto que

cada tipo de equipo maneja variables y condiciones operativas

diferentes. Los sistemas de protecciones se definen entonces como

un conjunto de elementos y funciones que son utilizados en

diferentes configuraciones para garantizar la seguridad de los

equipos, el personal y las dinmicas en general del sistema al que

estn asociados; ante eventos imprevistos que interrumpan su

desempeo normal y/o atenten contra su integridad, tanto de las

personas como del sistema mismo.

2.1. Fallas Elctricas

Una falla en un sistema elctrico est definida como un evento

externo o interno que ocasiona condiciones inusuales de operacin

manifestndose como alteraciones riesgosas en niveles de

corriente, voltaje o frecuencia. Dichas fallas pueden ser generadas

por una infinidad de factores, dependiendo del ambiente al cual est



expuesta la instalacin elctrica en cuestin y a los equipos que la

compongan. Entre dichos factores se destacan errores humanos,

descargas atmosfricas, mala configuracin de los equipos, y

desgaste de los mismos elementos que componen el sistema, que

pueden desencadenar rupturas de aislamientos o fallas en

mecanismos que conducen a graves consecuencias.

2.2. Criterios de operacin y diseo de sistemas de protecciones

Un sistema de protecciones elctricas debe acatar los

requerimientos exigidos de desempeo establecidos por las

caractersticas de cada sistema, cumpliendo su labor eficientemente

y protegiendo la totalidad de los equipos ante los eventos

estipulados. Diferentes autores y fabricantes han establecido una

serie de criterios para garantizar la correcta operacin de los

sistemas de protecciones; A continuacin se da una breve

explicacin de dichos criterios

Confiabilidad. La confiabilidad es el factor determinante en el

grado de certeza de que el sistema de protecciones operar de una

forma adecuada, se basa en dos criterios, sensibilidad y seguridad,

los cuales en algunos de los casos encontrados en la vida laboral

son mutuamente excluyentes.

La sensibilidad es el grado de certeza que se tiene de que la

proteccin actuar correctamente siempre que se presente una

condicin de falla y que est dentro de los ajustes correctos de

diseo. Este parmetro depende en gran medida de la seleccin de

dispositivos de medicin que se tenga, dado que un margen de error

muy alto puede influir en que valores crticos de operacin no sean

detectados oportunamente.

El concepto de seguridad implica que el sistema de protecciones

no operar cuando no sea debido, es decir que no hallan actuaciones

errneas del sistema de proteccin por condiciones tolerables.

Selectividad. Es la caracterstica que define la mxima continuidad

del sistema al presentar una mnima cantidad de desconexiones ante

eventos de falla, es decir, la correcta operacin de los dispositivos

que estn comprometidos precisamente en la zona de proteccin

dentro de la cual ocurri el evento en forma jerrquica; lo que

garantiza el escalonamiento de las protecciones para que sus lneas

de accin no se crucen o sobrepongan a las lneas de accin de otros

dispositivos presentes en dicha jerarqua.

Velocidad. Es el mnimo tiempo de reaccin de las protecciones

ante eventos. Es un elemento crtico, pues un menor tiempo de

despeje implica menor dao a los elementos de las instalaciones

elctricas y adems supone un menor peligro para el personal que

pueda ser afectado ante un contacto fortuito o una diferencia de

potencial peligrosa al disminuir el nivel de tensin.

Simplicidad. Se define como simplicidad el empleo del menor

nmero de dispositivos en el sistema de protecciones para cumplir

con las especificaciones deseadas para su operacin usando los

esquemas justos evitando la sobredimensin del mismo.

Economa. Como en la mayora de los montajes y diseos de

instalaciones elctricas y de proyectos en general, la seleccin de



elementos de especificaciones tcnicas ajustadas a normas y

requerimientos disminuye en gran medida el costo global y facilita

las labores de mantenimiento a largo plazo.

2.3. Rels de proteccin

Los rels de proteccin son dispositivos cuyo funcionamiento est

definido para asegurar la proteccin de elementos o sistemas ante

condiciones operativas perjudiciales o de falla. Su programacin

interna de est configurada para responder de una forma ante sus

variables de entrada acorde a caractersticas establecidas limitando

sus valores admisibles, usualmente cuando dichos lmites

impuestos son alcanzados, el dispositivo acciona interruptores para

que estos efecten un corte o conexin de equipos y/o sistemas, o

presenta diferentes tipos de alarmas a los sistemas de adquisicin

de datos asociados.

Una forma de catalogar los rels de proteccin es por las variables

y funciones que estos cumplan. En la Tabla 1 se presentan las

funciones tpicas de proteccin con su nomenclatura asociada

extradas de la norma ANSI/IEEE C37.2. En su ltima revisin,

que define la nomenclatura de elementos para subestaciones

elctricas, sin embargo dicha nomenclatura en sistemas de

proteccin es empleada para instalaciones elctricas en general.

Tabla 1. Funciones tpicas de proteccin con su nomenclatura

asociada, extradas de la norma ANSI/IEEE C37.2

Nmero de

funcin en

dispositivo

Funcin desempeada

21 Distancia

25 Sincronismo

27 Sub tensin

32 Potencia direccional

40 Prdida de excitacin en campo

46 Balance de fases (Componentes de secuencia)

47 Voltaje en secuencia de fases

49 Sobrecarga Trmica

50 Sobrecorriente instantnea

51 Inversa sobrecorriente

59 Sobretensin

60 Balance de tensin

67 Sobrecorriente direccional

81 Frecuencia

86 Bloqueo

87 Diferencial



2.4. Zona de proteccin

Se define como zona de proteccin el rea que est cubierta por un

sistema de proteccin determinado. Dichas zonas son limitadas por

interruptores y pueden estar sujetas a mltiples esquemas de

proteccin. La idea de delimitar en zonas los sistemas de potencia

reside en poder evacuar las fallas de una forma eficiente sin

perjudicar todo el sistema ante un evento, en la Ilustracin 2 se

muestra la Zonas de proteccin de un rea del Sistema de Potencia.

Ilustracin 1. Zonas de proteccin el rea

3. METODOLOGIA

En el estudio de coordinacin de protecciones se realiza un proceso

de seleccin de ajustes o curvas caractersticas de los dispositivos

de proteccin involucrados, de tal manera que la operacin de los

mismos se efecte de manera selectiva, en un orden especfico y

con el mnimo tiempo de operacin, para minimizar el riesgo del

personal de operacin y mantenimiento e igualmente garantizar la

mnima interrupcin del servicio aislando selectivamente la menor

porcin posible del sistema de potencia como consecuencia de una

falla.

La siguiente es la metodologa que se requiere llevar cabo para el

cumplimiento del (os) objetivo(s) propuesto(s):

3.1. Recoleccin de la informacin

Se requieren tanto los parmetros de los elementos de la red que se

deben modelar, como los tipos de rels que van a proteger dichos

elementos y los transformadores de proteccin y medida asociados.

Es tambin muy importante disponer del diagrama unifilar de la

Central y los diagramas de control y proteccin de cada uno de los

elementos a proteger, los cuales definen las funciones que se van a

ajustar en cada rel y las relaciones de transformacin y precisiones

de CTs y PTs asociados, para esto se requiere utilizar la informacin tcnica que (ISAGEN S.A E.S.P, 2014) tiene

disponible en el CIT, o a travs de la inspeccin en campo de los

equipos que se necesitan para la coordinacin.



3.2. Procesamiento de la informacin

Para este estudio se parti de la base de datos del Sistema de

Transmisin Nacional (STN) en el programa DIGSILENT Power

Factory, suministrada por XM (2014). Teniendo en cuenta que la

base de datos antes mencionada no contaba con la modelacin de

la lnea, Transformador elevador Subestacin 230KV, y que par los

efectos del estudio es importante tenerla en cuenta en los clculos

de la coordinacin de protecciones, se realiz el modelamiento de

estas lneas.

3.3. Clculos matemticos

En esta etapa del proyecto se realizaron los clculos matemticos

de los ajustes para cada una de las funciones de los rels de

proteccin; teniendo en cuenta La gua para el buen ajuste

suministrada por XM (2012) y la coordinacin de protecciones del

SIN y la Norma IEEE C37-102 Proteccin de Generadores (IEEE,

2006).

3.4. Simulacin Dinmica

Teniendo parametrizada la base de datos y los rels de proteccin

se simulan fallas en diferentes partes del sistema. Con cada una de

las fallas se verifica el comportamiento de cada uno de los rels de

proteccin y su respectiva coordinacin entre ellos

(interoperabilidad).

3.5. Anlisis de resultados

Luego de la simulacin dinmica y obtenida las curvas de respuesta

de cada uno de los rels se realizan la comparacin del

comportamiento de las protecciones con los criterios de ajuste que

nos permita concluir acerca del real desempeo de los equipos.

3.6. Conclusiones y recomendaciones

Al obtener las curvas de comportamiento de los rels de proteccin

se procede a realizar las recomendaciones pertinentes para una

coordinacin de protecciones adecuada.

4. CRITERIO DE AJUSTE PARA LAS FUNCIONES DE PROTECCIN

La filosofa de los criterios establecidos se basa en garantizar la

adecuada calidad del suministro y del transporte de la energa

elctrica, con niveles de confiabilidad ptimos para el sistema

(criterios de fiabilidad y de seguridad), manteniendo las

caractersticas de selectividad y velocidad con las prcticas ms

modernas utilizadas hoy en da sobre el tema, aplicadas al STN

colombiano y considerando sus aspectos particulares tales como la

radiabilidad de la red, la conformacin de reas globales y

operativas, las condiciones de guerra, los elevados niveles

cerunicos, la composicin energtica hidrulica/trmica, las

regulaciones existentes en materias operativas y de conexin, las

caractersticas del mercado de energa mayorista, etc. Tomada de

la gua del buen ajuste (XM, 2012).



4.1. Proteccin de Fuera de Paso (78)

Con esta funcin se detectan condiciones de prdida de estabilidad

en el sistema de potencia, diferenciando entre oscilaciones severas,

de las cuales el sistema se recuperar, y oscilaciones debidas a una

condicin de prdida de sincronismo, en las cuales se hara

necesario llevar a red aislada la unidad de generacin del sistema.

La proteccin de fuera de paso basa su funcionamiento en la

medicin de la impedancia de secuencia positiva, y en la evaluacin

de la trayectoria seguida por el vector de esta impedancia. La

decisin de si desconectar o no el generador del sistema depende

de la trayectoria de la Z1 y de la ubicacin del centro elctrico de

la oscilacin de potencia.

A travs del uso de un modelo simple que permite expresar la

impedancia de secuencia positiva en funcin del desfase entre las

tensiones del generador y la red (), se evala la condicin de fuera de paso. Durante condiciones de operacin normal, dependiendo de

la condicin de carga, el ngulo permanece casi constante. Ante el evento de una condicin de fuera de paso, ocasionada por algn

evento dinmico en la red (como re-cierres, rechazos de carga o

fallas no despejadas oportunamente), este ngulo flucta

continuamente, y puede variar entre 0 y 360.

Las oscilaciones de potencia son eventos trifsicos, por lo tanto, el

primer prerrequisito para detectar una oscilacin de potencia es la

simetra de las corrientes medidas. Por esta razn, esta funcin

utiliza elementos de bloqueo por corrientes de secuencia positiva y

negativa. Una de las condiciones para detectar una oscilacin de

potencia es que la corriente de secuencia positiva medida sea mayor

a un lmite ajustable (I1> RELEASE), mientras la corriente de

secuencia negativa se mantenga por debajo de un valor ajustable

(I2< RELEASE). Para el primer elemento, el fabricante

recomienda un ajuste superior a la corriente nominal del generador

(por ejemplo 120%), para evitar el arranque de esta funcin durante

sobrecargas del generador. Para el lmite de secuencia negativa, el

fabricante recomienda un ajuste de aproximadamente el 20% de la

corriente nominal del generador.

La caracterstica de operacin de esta funcin se muestra en la

Ilustracin 2 consiste en un polgono ajustable en sus 4 direcciones,

con un ngulo de inclinacin ajustable p.

Ilustracin 2. Caracterstica de operacin funcin de

fuera de paso



Como se observa en la Ilustracin 2, el polgono consta de dos

regiones, la caracterstica 1 y la caracterstica 2, las cuales

determinan la ubicacin del centro elctrico de la oscilacin de

potencia.

La impedancia Zb mira en direccin del generador. Para este

ajuste, debe considerarse la reactancia de oscilacin de potencia de

la mquina, que equivale, aproximadamente, a Xd.

En la direccin de la red, el alcance se elige de tal forma que la

proteccin 78 detecte, en la caracterstica 1 (impedancia Zc),

aproximadamente entre el 70% y el 90% de la impedancia del

transformador elevador; y en la caracterstica 2 (ajuste Zd - Zc), se

ajusta el tramo restante de la impedancia del transformador

elevador y, de ser necesario, se complementa con el tramo de lnea

adicional a ser monitoreado.

El ajuste de Za se determina a partir de la impedancia total (Ztot),

con Ztot como la suma de Zb y Zd (ngulo de oscilacin entre el

generador y la red); o como la suma de Zb y Zc (ngulo de la

oscilacin de potencia entre el generador y el transformador

elevador). Para el clculo del ajuste de Za, el fabricante

recomienda asumir que el ngulo tiende a 120, dado que la tensin del generador (UG) y de la red (UN) son cuantitativamente

idnticos. De esta forma, se utiliza la ilustracin 3 para estimar el

valor de Za, segn lo recomendado por el fabricante de la

proteccin.

Ilustracin 3. Diagrama para estimar el ajuste de Za

El ngulo de oscilacin de la caracterstica poligonal (P) debe ajustarse para adecuarse de forma ptima a las condiciones

particulares del sistema.

El nmero de oscilaciones que deben atravesar la caracterstica

poligonal para producir disparo dependen de la ubicacin del centro

elctrico de la oscilacin de potencia. Si este se ubica en la

caracterstica 1 (generador + transformador elevador), el nmero

de oscilaciones (REP. CHAR. 1) Se ajusta entre 1 y 2; y si est

ubicado en la caracterstica 2 (sistema), el nmero de oscilaciones

(REP. CHAR. 1) se ajusta en 4. Los anteriores rangos

corresponden a las recomendaciones del fabricante de la proteccin

7UM622.

Cada vez que pasa un vector de impedancia a travs de las

caractersticas 1 2, se activa la temporizacin ajustable T-



HOLDING, transcurrido el cual, se reinician los contadores de

oscilaciones de potencia. Este tiempo debe ajustarse por encima

del periodo ms alto de un ciclo de fuera de paso. Ajustes tpicos

para esta temporizacin se encuentran en el rango de 20 a 30 s.

4.2. Proteccin de Sobrecorriente Restringida/Controlada por Tensin (51V)

Este elemento de proteccin proporciona respaldo a la unidad

diferencial (87G) para proteger el sistema ante fallas de fases en el

sistema. La dependencia del voltaje ofrece seguridad contra la

operacin incorrecta durante condiciones de sobrecarga, y permite

contar con la sensibilidad que se requiere ante bajos niveles de

cortocircuito. Esta funcin tiene dos opciones de operacin: En la

operacin controlada por voltaje, el elemento de Sobrecorriente

est inactivo hasta que el voltaje cae por debajo del valor de ajuste.

Se tiene entonces un ajuste fijo de la corriente de arranque y del

dial de tiempo.

En el principio de operacin restringido por voltaje, la corriente de

arranque del elemento de Sobrecorriente siempre est activa y vara

en forma continua con el voltaje, hacindose ms sensible al

disminuir el voltaje, tal como se muestra en la Ilustracin 4.

Ilustracin 4. Caracterstica de operacin del rel de

Sobrecorriente restringido por tensin 51V

Al definir al corriente de arranque del elemento controlado de

tensin, es importante que el rel pueda operar con la corriente

sostenida de cortocircuito entregado por el generador, calculado a

partir de la reactancia sincrnica Xd del mismo. La corriente se

ajusta tpicamente como un 80% de 1/Xd. En el caso del elemento

restringido por voltaje, el ajuste tpico es de un 150% de la corriente

de plena carga a voltaje nominal.

La seleccin del dial y la curva caracterstica se basa en la

coordinacin con las protecciones del sistema y de servicios

auxiliares del generador, permitiendo as la adecuada operacin de

la proteccin 51V con los equipos de proteccin adyacentes.



4.3. Proteccin de Baja Impedancia (21)

Esta proteccin tiene como funcin aislar el generador de fallas en

el sistema de potencia que no sean despejadas por las protecciones

asociadas a los dems elementos del sistema de potencia aguas

arriba del generador, de tal manera que se constituya en una funcin

de respaldo tanto con el generador sincronizado al sistema como

con el generador aislado.

Las prcticas recientes sugieren el uso de dos zonas de proteccin

que proporcionen respaldo a las funciones de proteccin del

generador y del sistema.

Los criterios de ajuste de esta funcin se fundamentan en las

recomendaciones del Grupo Nacional de Protecciones y Control en

la de proteccin de generadores, y del fabricante como se describen

a continuacin.

Recomendaciones de Ajuste segn el Grupo Nacional de

Protecciones y Control. En las Guas Para el Buen Ajuste y la Coordinacin de Protecciones del SIN modificadas por el Grupo Nacional de Protecciones y Control en abril de 2012, se establecen

los siguientes criterios para el ajuste de la funcin distancia en

protecciones de generadores:

Ajuste de la Zona 1 (Z1). Se recomienda un alcance mximo de

hasta el 80% de la impedancia del transformador elevador con un

tiempo de operacin entre 100 ms y 300 ms.

Ajuste de la Zona 2 (Z2). Se recomienda como la suma de todas las

impedancias hasta la barra del lado de alta tensin, multiplicada por

un factor de seguridad recomendado de 1.05 y con un tiempo de

operacin mayor o igual a 800 ms, verificando que fallas trifsicas

y monofsicas de hasta 5 ohmios en la barra de alta tensin sean

despejadas.

De acuerdo con las recomendaciones de XM, para el caso de los

generadores de San Carlos, en el ajuste de las zonas 1 y 2 de la

funcin distancia, se usaron los criterios establecidos por el Grupo

Nacional de Protecciones y Control. Para el caso de la zona 1B se

utiliz el criterio recomendado en el manual del rel SIEMENS

7UM622.

4.4. Proteccin de Prdida de Campo (40)

La reduccin o la prdida completa de la excitacin pueden derivar

en prdida de sincronismo, inestabilidad y, posiblemente, daos

permanentes en el generador ocasionados por incrementos trmicos

excesivos en los devanados de la mquina. Cuando el campo de

excitacin no permite al generador mantener el voltaje terminal, el

sistema intentar alimentar potencia reactiva para excitar el

generador. Si no se suministran los reactivos requeridos, la baja

excitacin podra facilitar deslizamientos del rotor durante fallas o

cambios de carga, causando prdida de sincronismo.

Cuando el sistema aporta los VARS requeridos, la mquina se

comporta como un generador de induccin, en el cual la tensin

ser superior al umbral de ajuste de los rels de sobrevoltaje, pero



la corriente inducida por el deslizamiento del rotor fluir en los

bobinados de amortiguamiento. El incremento de temperatura

causado por estas corrientes de induccin reducir la vida til de la

mquina en forma exponencial.

Los hidro-generadores de rotor de polos salientes (como es el caso

de la central San Carlos) estn en capacidad de mantener entre el

20% y el 25% de la carga normal, sin campo y sin perder las

condiciones de sincronismo. Sin embargo, cuando existe prdida

de campo y el generador est a plena carga, se pueden alcanzar

sobre-velocidades del 2% hasta el 5% de la velocidad nominal, lo

cual podra afectar la vida til del generador.

La proteccin de prdida de campo en el rel SIEMENS 7UM622

debe proteger al generador contra el funcionamiento por debajo de

la regin de baja excitacin de la curva de capabilidad del

generador, en la ilustracin 5 se muestra la curva de capabilidad del

generador San Carlos.

Ilustracin 5. Curva de capabilidad del generador San

Carlos

Esta curva caracterstica de cada generador define el lmite de dao

trmico y el lmite de estabilidad de estado estable. Si este lmite

de estabilidad es superado por disminucin o prdida del campo de

excitacin, puede llevar a una condicin de prdida de sincronismo

del generador. Esta proteccin funciona con base en el diagrama de

admitancia (por lo que no se puede verificar en DIGSILENT), con

el cual se simulan las caractersticas de estabilidad del generador, a

travs de ajustes de admitancia (1/Xd) y ngulo de inclinacin (), sin considerar las desviaciones de la tensin con respecto de la

nominal (ver Ilustracin 6).

Ilustracin 6. Caracterstica de operacin de la funcin

40 Diagrama de admitancia



Las caractersticas 1 y 2 se ajustan para simular la caracterstica de

estabilidad esttica de la mquina, y de ser excedidas, se da orden

de disparo con un retardo de tiempo adecuado, que permita la

operacin del regulador de voltaje en primera instancia. Los

segmentos de recta de estas caractersticas, del lmite esttico de

baja excitacin, corresponden al valor recproco de la reactancia

directa sincrnica asociada al generador (1/xd). Si el regulador de

tensin de la mquina tiene ajustado un lmite de sub-excitacin,

las caractersticas estticas deben ser ajustadas de tal forma que

dicho lmite opere en primera instancia.

Para la caracterstica 1, se recomienda un ajuste de admitancia

(1/xd CHAR. 1) de 1,05 p.u. de 1/xd, cuando se conoce el lmite de

sub-excitacin del regulador de tensin, con un ngulo de

inclinacin de 60 a 80. Cuando esta informacin no est

disponible, se aplica un factor de seguridad de 0,95 p.u.

Para valores pequeos de potencia activa, los fabricantes de

generadores prescriben un mnimo valor de excitacin. Para este

propsito, la caracterstica 1 es cortada por la caracterstica 2 ante

bajos niveles de potencia activa. As, el fabricante del rel

recomienda un ajuste para la caracterstica 2 (1/xd CHAR. 2) del

90% del ajuste de admitancia de la caracterstica 1, con un ngulo

de inclinacin de 90.

Las caractersticas 1 y 2 comparten una temporizacin comn, para

la cual el fabricante recomienda un ajuste de por lo menos 10 s, con

el propsito de permitir que el regulador de tensin opere en

primera instancia.

La caracterstica 3 se ajusta para emular la caracterstica de

estabilidad dinmica de la mquina. Dado que la operacin estable

de la mquina es imposible si esta caracterstica es excedida, se

recomienda no ajustar un retardo intencional, para permitir disparo

inmediato. De no contar con indicaciones precisas, el fabricante de

la proteccin recomienda ajustar esta caracterstica (1/xd CHAR.

3) aproximadamente entre la reactancia Xd y la reactancia Xd del

generador, verificando que dicho valor sea mayor a 1,0. Con

respecto al ngulo de inclinacin, se recomienda un valor entre 80

y 110.

Adicionalmente, esta funcin cuenta con un elemento de prdida

de tensin de excitacin (Uexcit.



5. AJUSTES Y COORDINACION DE PROTECCIONES

5.1. Ajuste de la funcin controlada/restringida por voltaje (51v)

El arranque de la funcin 51V, cuando se escoge la opcin

Restringida por voltaje, la norma IEEE Std. C37.102-2006 (Numeral A.2.6), sugiere como criterio de ajuste de la corriente de

arranque el 150% de la corriente nominal del generador, as

CTkVTension

MVAaparentePotenciaPickupI p *

_3

__%150

(1)

sec58,58000

5*46,5948*5,1

8000

5*

5,163

1705.1 A

kV

MVAPickupI p

El dial se selecciona para que opere de forma selectiva con las

protecciones de sobrecorriente del transformador elevador y de la

lnea.

5.2. Ajuste de la funcin distancia (21)

A continuacin se presenta el clculo de los alcances de cada una

de las zonas de la funcin distancia, partiendo del clculo de las

impedancias base para determinarlos

Zbase TR elevador = (V)2

S

(2)

Zbase TR elevador = (15,8kV)2

183MVA= 1,36

XT =XT,pu100

.Ur

2

S

(3)

XT =9,19

100.15,82

183= 0.125 pri

Ahora se calculan los ajustes de los alcances de las zonas de la

proteccin de distancia de acuerdo con los criterios definidos

ZONE Z1 = 0.8 XT,pu (UN)

2

SN

IN.CT.PRI IN,CT,SEC

UN.PT.PRIUN,PT,SEC

(4)

= 0.8 0.0919 (15,8)2

183

80005

16,50.120

ZONE Z1 = 1.168 sec

TIEMPO Z1 = 300 ms

Para la zona 2, el alcance se extiende hasta la barra de 230 kV



ZONE Z2 = 1,05 XT,pu (UN)

2

SN

IN.CT.PRI IN,CT,SEC

UN.PT.PRIUN,PT,SEC

(5)

ZONE Z2 = 1,05 ((0,0919 (15.8)2

183))

IN.CT.PRI IN,CT,SEC

UN.PT.PRIUN,PT,SEC

= 1.05 0.125

80005

16,50.120

= 0,1316 11,64

ZONE Z2 = 1.5272 sec

TIEMPO Z2 = 800 ms

Ajuste de la zona 1 extendida (Z1B). De acuerdo con la

recomendacin del fabricante del rel esta zona se ajusta para

detectar las fallas que se presenten en aquellos casos en que el

interruptor del lado de alta del transformador est abierto (grupo

Generador - Transformador desconectados del sistema), por lo

tanto, el fabricante recomienda ajustarla entre el 100 y el 120% de

la zona de proteccin (reactancia del transformador elevador).

Se selecciona entonces la Zona 1B en 120% de la reactancia del

transformador, o sea, 0.07 pri*1,2=0,084, es decir, 0,977sec, con un tiempo de 0 s.

5.3. Proteccin de prdida de campo (40)

Ajuste de la caracterstica 1

primCTIn

primPTVn

MqVn

MqIn

XdCHARXd

,

,195,0 1.

sec/1

(6)

74.005.1*7014.01.

7014,01.sec

/1

8000

5.16

5.16

5948

06,1

195,0

CHAR

CHARXd

A

kV

kV

A

pu

Angulo de inclinacin de la caracterstica 1. ANGLE 1 1 = 80

Temporizacin de la caracterstica 1. T CHAR.1 = 5 s

Ajuste de la caracterstica 2

666,02./1

..74,090,0)1./1(90,0 2./1

sec

secsec

CHARXd

upCHARXdCHARXd




Temporizacin de la caracterstica 2. T CHAR.2 = 5 s

Ajuste de la caracterstica 3. Xint = Valor intermedio entre Xd y Xd (1,24 pu y 0,3 pu).

Xint = 1.22 p.u

primCT

primPT

Mq

Mq

In

Vn

Vn

In

XCHARXd

,

,

secint

1 3./1

(7)

7715.07014.01.1sec

11.13

7014,03./1

8000

5.16

5.16

5948

06.1

1

sec

xXd

xC

CHARXd

A

kV

kV

A

pu


Temporizacin de la caracterstica 3. T CHAR.3 = 0,5 s

5.4. Ajuste de la funcin de prdida de sincronismo (78)

Ajuste en impedancia en direccin al generador Zb. Se ajusta como

el 100% de la reactancia transitoria Xd del generador

RPT

RCTZdX BASE Zb

(8)

Ajuste en impedancia en direccin al sistema Zc. Este ajuste cubrir

un 85% de la impedancia del transformador elevador de 327 MVA,

teniendo en cuenta que la Zcc de ste es 9,19%

ElevadorTrafoXcc %85 Zc

(9)

prim

MVA

kVpu

1065.024.1

5,137

1600

183

) 8.15(0919,085,0

sec

2

Ajuste en impedancia de la caracterstica 2 (vamos a proteger San

Carlos- La sierra y la lnea de 4Km)

Reactancia residual del transformador elevador

ElevadorTrafoXcc %15

(10)

sec

2

218.0

5,137

1600

183

) 8.15(0919,015,0

MVA

kVpu



Reactancia de la lnea San Carlos La sierra.

sec

2

9273.0

5,137

1600

230

5,1618.305131,0

kV

kVkm

kmX Lnea

Reactancia de la lnea San Carlos 4Km.

sec

2

01647.0

5,137

1600

230

5,16406878,0

kV

kVkm

kmX Lnea

Reactancia a supervisar

KmLneaLasierraSCALneadorTrafoEleva XXXccZcZd 4__*15.0

(11)

sec 146,101647.092.021.0

sec1645,1 ZcZd

sec 405.224.11645,1 Zd

Ajuste de la impedancia Za

sec83.624.159,5 ZcZbZtotal

sec 9738.183,6289,0289,0 ZtotalZa

Ajuste del ngulo de inclinacin

=90

Ajuste del nmero de oscilaciones de las caractersticas 1 y 2

42..

1 REP.CHAR.1

CHARREP

s 25HOLDING -T

6. VERIFICACIN DE LA OPERACIN DE LAS PROTECCIONES

6.1. Verificacin proteccin de sobrecorriente restringida por tensin 51V

Se procede a realizar una falla trifsica externa al 1% de la lnea

Guatap - San Carlos, en las grficas mostradas en la ilustracin 7

y la ilustracin 8, se puede observar que las protecciones que

primero responden son las que se encuentran en el generador con

un tiempo de 0,748 y 0,736 siendo el primer tiempo el

recomendado.

En la ilustracin 9 e ilustracin 10 se observa la actuacin de la

proteccin de Sobrecorriente para una falla trifsica al 50% de la

lnea de 4Km del transformador elevador a la barra 230Kv y una



falla monofsica a tierra al 50% de dicha lnea e igual que la

anterior falla la que primero acta es la proteccin de

sobrecorriente del generador con un tiempo de 0,731s y 1,790s para

la recomendada y la ajustada respectivamente

Ilustracin 7. Falla trifsica externa al 1% de la lnea

Guatap - San Carlos

Ilustracin 8. Falla monofsica a tierra externa al 1%

de la lnea Guatap - San Carlos



Ilustracin 9. Falla trifsica externa al 50% de la lnea

de 4Km

Ilustracin 10. Falla monofsica a tierra externa al

50% de la lnea de 4km



6.2. Verificacin Proteccin de Fuera de Paso (78)

Se realiz una falla franca trifsica al 50% de la lnea de envigado-

Antioquia Oriente 220Kv y se program un tiempo mximo de 100

ms para el despeje de la falla por parte de las protecciones de la

lnea, en la ilustracin 11 se muestra el resultado de esta simulacin

y en l se puede observar que la impedancia del sistema vista por

la funcin fuera de paso (78) no alcanza a entrar al polgono

ajustado, por lo cual la proteccin no detectara ningn tipo de

oscilacin del sistema y no causar operaciones indeseadas con

salida del generador.

Ilustracin 11. Falla 3 al 50% LN Envigado-Antioquia con despeje en 100 ms

Falla 3 en la barra del generador con un tiempo de despeje de la falla 400 ms. En la ilustracin 12 se muestra el resultado de esta

simulacin y en l se puede observar que la impedancia del sistema

vista por la funcin fuera de paso (78) alcanza a entrar al polgono

ajustado, por lo cual la proteccin detecta la oscilacin en el

sistema

Ilustracin 12. Falla 3 en la barra del generador con un tiempo de despeje de la falla 400 ms

1,651,501,351,201,050,900,750,600,450,300,15-0,15-0,30-0,45-0,60-0,75-0,90-1,05-1,20-1,35-1,50-1,65-1,80-1,95 [pri.Ohm]

0,90

0,75

0,60

0,45

0,30

0,15

-0,15

-0,30

-0,45

-0,60

-0,75

-0,90

-1,05

-1,20

-1,35

-1,50

-1,65

-1,80

[pri.Ohm]

Sn Carlos U1 16.5\Cub Gen SCA1\G1_7UM62-78_siemensSn Carlos U1 16.5\Cub Gen SCA1\G1_7UM62-78_recomendada

G1_7UM62-78_siemens\Polarizing 78Impedance

G1_7UM62-78_recomendadaZl A 1,852 pri.Ohm -1,69Zl B 1,852 pri.Ohm -1,69Zl C 1,852 pri.Ohm -1,69Z A 1,852 pri.Ohm -1,69Z B 1,852 pri.Ohm -1,69Z C 1,852 pri.Ohm -1,69Faulttype: - (Starting)Tripping Time: 9999,999 s

G1_7UM62-78_siemensZl A 1,852 pri.Ohm -1,69Zl B 1,852 pri.Ohm -1,69Zl C 1,852 pri.Ohm -1,69Z A 1,852 pri.Ohm -1,69Z B 1,852 pri.Ohm -1,69Z C 1,852 pri.Ohm -1,69Faulttype: - (Starting)Tripping Time: 9999,999 s

G1_78

Date: 4/28/2014

Annex:

DIgSILENT

1,651,501,351,201,050,900,750,600,450,300,15-0,15-0,30-0,45-0,60-0,75-0,90-1,05-1,20-1,35-1,50-1,65-1,80-1,95 [pri.Ohm]

0,90

0,75

0,60

0,45

0,30

0,15

-0,15

-0,30

-0,45

-0,60

-0,75

-0,90

-1,05

-1,20

-1,35

-1,50

-1,65

-1,80

[pri.Ohm]

Sn Carlos U1 16.5\Cub Gen SCA1\G1_7UM62-78_siemensSn Carlos U1 16.5\Cub Gen SCA1\G1_7UM62-78_recomendada

G1_7UM62-78_siemens\Polarizing 78Impedance

G1_7UM62-78_recomendadaZl A 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Zl B 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Zl C 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Z A 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Z B 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Z C 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Faulttype: - (Starting)Tripping Time: 0,42 s

G1_7UM62-78_siemensZl A 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Zl B 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Zl C 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Z A 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Z B 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Z C 24306795603287572000, pri.Ohm 45,Faulttype: - (Starting)Tripping Time: 0,42 s

G1_78

Date: 4/28/2014

Annex:

DIgSILENT



6.3. Verificacin de la funcin distancia (21) Generador

A continuacin se realiz fallas trifsicas en la lnea de 4Km al 10%

y en la barra del generador En la ilustracin 13 se puede observar

la actuacin de la proteccin 21 con respecto a la falla en la lnea

de 4 Km, esta proteccin actuara en la Zona 2 con los ajustes

recomendados. En la ilustracin 14 observamos la actuacin de la

proteccin 21, esta proteccin actuara en la Zona 1 con los ajustes

recomendados.

Ilustracin 13. Falla 3F al 10% de la lnea de 4Km

Ilustracin 14 Falla 3F en la barra del generador



6.4. Verificacin de la proteccin perdida de campo (40)

En la ilustracin 15 se observa la simulacin para la perdida de

excitacin de la mquina.

Ilustracin 15. Perdida de excitacin la maquina

trabaja Subexcitada

Se realiz una falla externa al 50% de la lnea Guatap San Carlos, el evento tiene un tiempo de 0.3s y analizando el

comportamiento de la ilustracin 16. Se llega a la conclusin de

que efectivamente la funcin 40 no dispara, se puede concluir que

entre ms alejada este la falla la proteccin no operaria.

Ilustracin 16. Falla externa al 50% de la lnea

Guatap San Carlos, el evento tiene un tiempo de 0.3s



El evento se realiza despachando la maquina al 25% es decir con

un generador de 42.5MW y el otro de 155MW y la simulacin se

observa en la ilustracin 17.

Ilustracin 17. Evento perdida de excitacin

7. CONCLUSIONES

En general, los ajustes recomendados para las funciones de

proteccin de los rels que componen el sistema de protecciones de

la central San Carlos, presentan un mejor desempeo en trminos

de selectividad y velocidad de operacin ante diversos tipos de

falla, comparado con los ajustes que actualmente tienen los rels de

proteccin.

Con la verificacin de las protecciones sistmicas tales como:

Sobrecorriente Restringida por Tensin (51V), Proteccin de Fuera

de Paso (78), Distancia (21) y Prdida de Excitacin (40), se pudo

comprobar una mejor interoperabilidad con el sistema

interconectado lo que contribuye a la estabilidad del sistema.

Se evalu, mediante simulaciones, el desempeo de las

protecciones de sobrecorriente del rea de influencia del proyecto;

especficamente, se tuvieron en cuenta las protecciones instaladas

en el Generador, Transformador elevador y lnea. En trminos

generales se encontr que con los ajustes recomendados para las

protecciones de la central San Carlos se obtiene una mejor

coordinacin que con los ajustes actuales.



AGRADECIMIENTO

Agradezco especialmente a todas las personas que a lo largo de

mi recorrido acadmico aportaron con su conocimiento y ayuda,

en especial a familiares, amigos, y al director de proyecto

German Alexander Zapata que realizo numerosos aportes y

recomendaciones para sacar adelante el proyecto.

REFERENCIAS

CREG. (1995). Resolucion CREG 025/1995 Cdigo de Redes. Medellin.

IEEE. (2004). tutorial proteccion de generadores sincronicos.

IEEE. (2006). Norma IEEE C37-102 2006 Guide for AC Generator

Protection. New York, NY.

ISAGEN. (2014). Centro De Informacion Tecnica CIT. Medellin.

SIEMENS. (2006). Line Differential Protection with Distance Protection

7SD52/53 V4.60 Manual, Document Version V04.41.00.,

C53000-G1176-C169-3. Berlin.

SIEMENS. (2010). Multifunctional Machine Protection 7UM62 V4.6

Manual, C53000-G1176-C149-7. Berlin.

XM. (2011). Recomendaciones generales del CND para el estudio de

coordinacion de protecciones. Medellin.

XM. (2012). Guia para el buen ajuste y coordinacion de protecciones del

SIN. Medellin.

XM. (2014). Base de Datos DIGSILENT. Medellin.

XM. (2014). STATION WARE. Medellin. Obtenido de

http://sv16.xm.com.co/psms/.

AUTORES

Angel Arturo CUADROS JARAMILLO nacido en

Medelln, Colombia, Bachiller en el 2006 de la

institucin educativa CASD Jos Mara Espinosa Prieto,

y Prximo a graduarse de ingeniera elctrica de la

Universidad Pontificia Bolivariana (2014), Ex

practicante de ISAGEN E.S.P, en la direccin de

Mantenimiento durante un ao (Julio 2013-julio 2014),

Durante sus estudios se caracteriz por ser una persona responsable y

dedicada. Se describe como una persona amable innovadora y

emprendedora.

Germn Alexnder ZAPATA MOTOYA nacido en

Medelln, Colombia, Ingeniero Electricista de la

Universidad Pontificia Bolivariana, Actualmente

trabaja en la empresa ISAGEN E.S.P, en la direccin

de Mantenimiento con el cargo de Analista tcnico

mantenimiento.

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