capitulo 6
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Protección de
Alimentadores
AT/MT
L.Sayas P.
Contenido
1. Filosofía de protección
2. Configuración de SD
3. Protección típicas
4. Aplicaciones
L.Sayas P.
Filosofía de protección
Las fallas que se presentan en un SD se manifiestan: contacto de ramas de árboles, descargas eléctricas, vandalismo, animales en contacto, ruptura de cables, objetos en equipos y en la línea.
L.Sayas P.
Filosofía de protección
Las fallas Pueden ser de dos orígenes:
• Fallas de origen transitoria: Aquella que se autoextingue o se extingue con la actuación de la protección sucedida de una reconexión con suceso, no habiendo así la necesidad de reparos inmediatos en el sistema, estas fallas son las mas frecuentes
• Fallas de origen permanente: Aquellas que provoca interrupciones prolongadas y exige reparos inmediatos para la normalización del servicio.
L.Sayas P.
Filosofía de protección
Por lo tanto los equipos de protección deben ser dimensionados de modo que protejan el sistema en condiciones de fallas y también promuevan la continuidad y calidad del suministro.
Las filosofías aplicables son:
• Sistema selectivo
• Sistema coordinado
• Sistema combinado
L.Sayas P.
Sistema Selectivo
• Esta filosofía es típico en SD con protección de Relés de sobre corriente o con Reconectadores operando con las curvas instantáneas bloqueadas.
• Las interrupciones son en general en larga duración
• Clientes reclaman demora
• Requiere mayor numero de personal
• Mayor costo de operación
L.Sayas P.
Sistema Coordinado
• Esta filosofía promueve la continuidad del servicio
• Los reclamos se debe a la cantidad de interrupciones de corta duración y esto depende d las ajustes de los equipos de protección
• Requiere menor numero de personal
• Menor costo de operación
• Requiere Reconectadores en lugares estratégicos como circuitos principales
L.Sayas P.
Sistema Combinado
• En circuitos menos importantes la interrupción será de mayor tiempo que en circuitos de mayor importancia.
• Se aplica filosofía selectiva y coordinada
• Hay necesidad de dimensionar y capacitar al personal
• Costo de operación según la calidad del servicio exigido
• La principal característica es promover mayor continuidad del servicio principalmente s los clientes especiales
L.Sayas P.
Sistema Combinado
51
52 R
RECLOSER
RELE DE SOBRE CORRIENTE
FUSIBLE
TC
DISYUNTOR
ZONA DE PROTECCION
L.Sayas P.
Sistema Combinado
R2
A
B
C
Icc
T
R1
D
F2
F3
F1
3(L2)
2(L1)
F3
F1 y F2
1(R2)
2(R1)
L.Sayas P.
Protección básica
Protección primaria
• Pueden ser protegidos en forma primaria por fusibles, Relés primarios HB o HT e interruptores termo magnéticos.
Protección secundaria
• Se protegen con Relés de sobre corriente, sobre tensión, de secuencia negativa y Relés de protección de fallas a tierra o SEF
L.Sayas P.
Tipos de Sistemas de distribución
• Existen básicamente dos tipos de sistemas de distribución, sistemas con neutro aislado y sistemas con neutro puesto a tierra, sin embargo existen sistemas intermedios, por ejemplo un sistema puesto a tierra a través de una resistencia.
L.Sayas P.
Sistemas con neutro aislado • A continuación mostramos un sistema
con neutro aislado en la que se indican
los fasores de tensión antes y después de
una falla a tierra, en esta se puede
observar el corrimiento del neutro ante la
falla a tierra, característica importante de
este tipo de fallas que permite la
generación de tensiones homopolares
que polarizan los relés direccionales.
L.Sayas P.
Y D
60 kV
10 kV
G
sin falla con falla
Vr
VsVt
Vr
VsVt
A1
A2
An
Sistemas con neutro aislado
L.Sayas P.
Sistemas con neutro aislado
Xo/X13
L.Sayas P.
Sistemas con Neutro Puesto a Tierra
• El sistema mostrado es con neutro
puesto a tierra. Ante una falla a
tierra, el neutro prácticamente no se
desplaza, lo cual no permite la
generación de tensiones
homopolares o resultan muy
pequeñas, lo que impediría el uso de
relés direccionales.
L.Sayas P.
Sistemas con Neutro Puesto a Tierra
DY
60 kV
10 kV
G
sin falla con falla
Vr
VsVt
Vr
VsVt
A1
A2
An
Xo/X13
L.Sayas P.
Análisis teórico de las fallas a tierra
L.Sayas P.
Sistemas con Neutro Aislado
• En el gráfico de a continuación mostramos el comportamiento de las corrientes homopolares en un sistema de distribución con neutro aislado ante una falla a tierra. Como se puede apreciar, en el alimentador con la falla a tierra existe una corriente desde la barra de la S.E. hacia la falla.
L.Sayas P.
Sistemas con Neutro Aislado sin falla a tierra
R
S
T
ALIM. 2
R
S
T
ALIM. 1Ur
Us Ut
La Suma Corriente Capacitiva = Cero
Sistema Neutro Aislado
L.Sayas P.
Y D
60 kV
10 kV
G
A1
A2
Anfalla a tierra
Co
Co
Co
Co
I>o
Sistemas con Neutro Aislado ante una falla a tierra
L.Sayas P.
• Debido a que la conexión en delta del transformador de potencia aísla al transformador del sistema de distribución, de acuerdo a la teoría de las componentes simétricas, según la ley de Kirchhoff esta corriente tiene que regresar a la barra a través de los otros alimentadores y de sus capacidades homopolares teniendo una dirección contraria; es decir, ante un falla a tierra de un alimentador, en todos los alimentadores de la S.E. circulan corrientes homopolares siendo la dirección de la corriente homopolar en el alimentador con falla en un sentido y en sentido contrario en todos los otros alimentadores.
Sistemas con Neutro Aislado
L.Sayas P.
Camino de retorno de la corriente de falla
RF
I FT
C01
C02
C03Ra=28700xL/Ia
1,4
L.Sayas P.
L.Sayas P.
If = 8,095 A I = 6,633 A I = 1,461 A
I = 0,268 A
I = 0,132 A I = 1,020 A I = 0,292 A I = 0,677 A
I = 1,798 A I = 2,446 A I = 0,952 A I = 0,965 A
If = 7,96122 A
SED 03
A SAB 4291 A SAB 4292
AL - 03ALIM - 02AL - 01
SED 01
SED 02
SED 03
SED 04
A SAB 4523 A SAB 4830 A SAB 4524
A SAB 3775 A SAB 3785
A SAB 3772 A SAB 4405
A SAB 4259 A SAB 4826
A SAB 1759 A SAB 2643 A SAB 3782 A SAB 3518
I = 0,972 A
I = 1,518 A
I = 0,382 AI = 1,454 A
I = 3,075 A
I = 1,497 AI = 0,671 A I = 0,269 A
I = 0,570 A I = 0,570 A
I = 6,442 A
If = 8,917 A
I = 4,524 A
I = 0,183 A I = 1,226 AI = 0,658 AI = 0,649 A
I = 1,668 A
I = 0,090 A I = 0,696 A I = 0,199 A I = 0,461 A
I = 4,393 A
I = 0,260 A I = 0,992 AI = 0,663A
I = 2,097A
I = 1,021 A
I = 0,458 A I = 0,184 A
I = 0,389 A I = 0,332 A
If = 25,765 A
(Rf = 0) I = 2,590 AI = 5,475 A I = 1,731 A
I = 1,196 A I = 2,66 A I = 0,480 A
I = 1,015 AI = 0,867 A
I = 0,496 A I = 3,326 A
I = 12,271 A
I = 1,761 A I = 1,786 A
I = 4,525 A
I = 0,244 A I = 1,886 A I = 0,541 A I = 1,252 A
I = 2,704 A
I = 15,968 A
If = 8,095 AIf = 8,095 A I = 6,633 A I = 1,461 A
I = 0,268 A
I = 0,132 A I = 1,020 A I = 0,292 A I = 0,677 A
I = 1,798 A I = 2,446 A I = 0,952 A I = 0,965 A
I = 6,633 A I = 1,461 A
I = 0,268 AI = 0,268 A
I = 0,132 AI = 0,132 A I = 1,020 AI = 1,020 A I = 0,292 AI = 0,292 A I = 0,677 AI = 0,677 A
I = 1,798 AI = 1,798 A I = 2,446 AI = 2,446 A I = 0,952 AI = 0,952 A I = 0,965 AI = 0,965 A
If = 7,96122 AIf = 7,96122 A
SED 03
A SAB 4291 A SAB 4292
AL - 03ALIM - 02AL - 01
SED 01
SED 02
SED 03
SED 04
A SAB 4523 A SAB 4830 A SAB 4524
A SAB 3775 A SAB 3785
A SAB 3772 A SAB 4405
A SAB 4259 A SAB 4826
A SAB 1759 A SAB 2643 A SAB 3782 A SAB 3518
SED 03
A SAB 4291 A SAB 4292
SED 03SED 03
A SAB 4291 A SAB 4292
AL - 03ALIM - 02AL - 01
SED 01
SED 02
SED 03
SED 04
A SAB 4523 A SAB 4830 A SAB 4524
A SAB 3775 A SAB 3785
A SAB 3772 A SAB 4405
A SAB 4259 A SAB 4826
A SAB 1759 A SAB 2643 A SAB 3782 A SAB 3518
AL - 03ALIM - 02AL - 01
SED 01
SED 02
SED 03
SED 04
A SAB 4523 A SAB 4830 A SAB 4524
A SAB 3775 A SAB 3785
A SAB 3772 A SAB 4405
A SAB 4259 A SAB 4826
A SAB 1759 A SAB 2643 A SAB 3782 A SAB 3518
ALIM - 02AL - 01
SED 01
SED 02
SED 03
SED 04
A SAB 4523 A SAB 4830 A SAB 4524
A SAB 3775 A SAB 3785
A SAB 3772 A SAB 4405
A SAB 4259 A SAB 4826
A SAB 1759 A SAB 2643 A SAB 3782 A SAB 3518
I = 0,972 A
I = 1,518 A
I = 0,382 AI = 1,454 A
I = 3,075 A
I = 1,497 AI = 0,671 A I = 0,269 A
I = 0,570 A I = 0,570 A
I = 6,442 A
I = 0,972 AI = 0,972 A
I = 1,518 A
I = 0,382 AI = 1,454 A
I = 3,075 A
I = 1,497 AI = 0,671 A I = 0,269 A
I = 0,570 A I = 0,570 A
I = 6,442 AI = 1,518 A
I = 0,382 AI = 1,454 A
I = 3,075 A
I = 1,497 AI = 0,671 A I = 0,269 A
I = 0,570 A I = 0,570 A
I = 6,442 AI = 1,518 A
I = 0,382 AI = 0,382 AI = 1,454 AI = 1,454 A
I = 3,075 AI = 3,075 A
I = 1,497 AI = 1,497 AI = 0,671 AI = 0,671 A I = 0,269 AI = 0,269 A
I = 0,570 AI = 0,570 A I = 0,570 AI = 0,570 A
I = 6,442 AI = 6,442 A
If = 8,917 AIf = 8,917 A
I = 4,524 A
I = 0,183 A I = 1,226 AI = 0,658 AI = 0,649 A
I = 1,668 A
I = 0,090 A I = 0,696 A I = 0,199 A I = 0,461 A
I = 4,393 A
I = 0,260 A I = 0,992 AI = 0,663A
I = 2,097A
I = 1,021 A
I = 0,458 A I = 0,184 A
I = 0,389 A I = 0,332 A
I = 4,524 AI = 4,524 A
I = 0,183 AI = 0,183 A I = 1,226 AI = 1,226 AI = 0,658 AI = 0,658 AI = 0,649 AI = 0,649 A
I = 1,668 AI = 1,668 A
I = 0,090 AI = 0,090 A I = 0,696 AI = 0,696 A I = 0,199 AI = 0,199 A I = 0,461 AI = 0,461 A
I = 4,393 AI = 4,393 A
I = 0,260 AI = 0,260 A I = 0,992 AI = 0,992 AI = 0,663AI = 0,663A
I = 2,097AI = 2,097A
I = 1,021 AI = 1,021 A
I = 0,458 AI = 0,458 A I = 0,184 AI = 0,184 A
I = 0,389 AI = 0,389 A I = 0,332 AI = 0,332 A
If = 25,765 A
(Rf = 0)
If = 25,765 A
(Rf = 0) I = 2,590 AI = 5,475 A I = 1,731 A
I = 1,196 A I = 2,66 A I = 0,480 A
I = 1,015 AI = 0,867 A
I = 0,496 A I = 3,326 A
I = 12,271 A
I = 1,761 A I = 1,786 A
I = 4,525 A
I = 0,244 A I = 1,886 A I = 0,541 A I = 1,252 A
I = 2,704 A
I = 15,968 A
I = 2,590 AI = 2,590 AI = 5,475 AI = 5,475 A I = 1,731 AI = 1,731 A
I = 1,196 AI = 1,196 A I = 2,66 AI = 2,66 A I = 0,480 AI = 0,480 A
I = 1,015 AI = 1,015 AI = 0,867 AI = 0,867 A
I = 0,496 AI = 0,496 A I = 3,326 AI = 3,326 A
I = 12,271 AI = 12,271 A
I = 1,761 AI = 1,761 A I = 1,786 AI = 1,786 A
I = 4,525 AI = 4,525 A
I = 0,244 AI = 0,244 A I = 1,886 AI = 1,886 A I = 0,541 AI = 0,541 A I = 1,252 AI = 1,252 A
I = 2,704 A
I = 15,968 A
Contribución de corrientes ante falla monofasica
L.Sayas P.
Oscilograma corrientes ante falla monofasica
TENSION FASE A TIERRA 10 kV
CORRIENTE DE LINEA
L.Sayas P.
Fallas evolutivas
L.Sayas P.
Doble falla a tierra
L.Sayas P.
OSCILOGRAFIA DOBLE FALLA A TIERRA T
en
sio
nes
fase
a
tier
ra
Co
rrie
nte
s en
ba
rra
s d
e l
a S
ET
Condiciones
Normales
Condiciones de
Falla a Tierra
Condiciones de Doble Falla a
Tierra
L.Sayas P.
• Por consiguiente, con la finalidad que la
detección de la falla sea selectiva, se hace
necesario la implementación de relés
direccionales de sobrecorriente
homopolar en cada alimentador, en caso
de utilizar relés no direccionales, todos
los relés operarían.
Detección de parámetros
L.Sayas P.
Io >
3 Uo
3 Io
Io
Uo
condición
de
operación
Tensiones y corrientes
L.Sayas P.
Detección de Uo homopolares
L.Sayas P.
Detección de Io homopolares
L.Sayas P.
Detección de Io homopolares
L.Sayas P.
En los gráficos de a
continuación mostramos
un croquis dimensional
de un transformador de
corriente toroidal
seccionable y su
montaje :
L.Sayas P.
CT0
C0
C0´
Z1
Z2
3 Rfalla
Io
Vo
Ef
SET
• El circuito equivalente para el análisis de este tipo de fallas será efectuado de acuerdo a la teoría de las componentes simétricas y se muestra.
Cálculo de la falla
L.Sayas P.
CT0
= capacidad total homopolar de los alimentadores
no involucrados en la falla
C0 y C
0´ = capacidad homoplar a ambos extremos del punto
de falla en el alimentador fallado
Z1 y Z2 = impedancia de secuencia positiva y negativa
del sistema
R falla = resistencia de falla a tierra
Cálculo de la falla
L.Sayas P.
• Debido a que generalmente las reactancias homopolares son mucho mayores que las reactancias de secuencia positiva y negativa del sistema, podemos aproximar el circuito anterior.
0
00
2
0
20
00000
000
000
22
2
13
donderesalimentadovariosS.E.conunaEn
:homopolar
1)3(
T
T
T
T
T
To
wC
IV
wCRf
EfI
IICCC
CCC
CII
esreledelcorrienteLa
oCCoCwRf
EfIo
Cálculo de la falla
L.Sayas P.
Transformadores de Tensión
Sean las tensiones nominales del sistema y del relé las siguientes :
Tensión nominal del sistema = 10 kV
Tensión nominal del Relé = 110 V
Luego la relación de transformación de cada unidad monofásica deberá ser la
siguiente considerando que necesitamos un arrollamiento para las
mediciones del sistema y otro para la detección de la tensión homopolar.
SELECCION DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION EN
SISTEMAS AISLADOS
L.Sayas P.
Transformadores de corriente La selección de la relación de transformación del transformador de corriente
toroidal seccionable se realiza considerando una resistencia de falla de cero
ohmios ( R falla = 0 ohm ), con la finalidad de obtener la mayor corriente
posible, luego aplicando las ecuaciones anteriores llegamos a lo siguiente :
SELECCION DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION EN
SISTEMAS AISLADOS
L.Sayas P.
Angulo Característico del Relé
L.Sayas P.
Sensibilidad Máxima La selección de la sensibilidad máxima del relé se efectúa considerando por
ejemplo que la máxima resistencia de falla que se pretende detectar es de
2000 ohm. Luego se tiene lo siguiente :
Rmax de falla = 2000 ohm
Relación de trafo corriente = 200
L.Sayas P.
Para la calibración de la protección direccional de sobrecorriente homopolar,
simplemente se procede a aplicar las ecuaciones vertidas, por ejemplo, si
tenemos un sistema de distribución de 10 kV cuya reactancia homopolar total
es de 400 ohm y se desea calcular los ajustes para una falla a tierra de 500
ohm, siendo la relación de transformación de 200/1 A, se obtiene lo
siguiente :
CRITERIOS DE CALIBRACION
L.Sayas P.
CRITERIOS DE CALIBRACION
L.Sayas P.
CRITERIOS DE CALIBRACION
Alimentador CV 01 CV 02 CV 03 CV 04 CV 05 CV 06 CV 07
R falla (Ohm) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A)
0 64 70 75 70 79 79 70
50 56 60 63 60 65 65 60
100 43 45 46 45 47 47 45
200 26 27 27 27 27 27 27
300 18 19 19 19 19 19 19
400 14 14 14 14 14 14 14
500 11 11 11 11 11 11 11
L.Sayas P.
CRITERIOS DE CALIBRACION
Alimentador CV 01 CV 02 CV 03 CV 04 CV 05 CV 06 CV 07
R falla (Ohm) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A) 3Io (A)
600 10 10 10 10 10 10 10
700 8 8 8 8 8 8 8
800 7 7 7 7 7 7 7
900 6 6 6 6 6 6 6
1000 6 6 6 6 6 6 6
1500 4 4 4 4 4 4 4
2000 3 3 3 3 3 3 3
2500 2 2 2 2 2 2 2
3000 2 2 2 2 2 2 2
4000 1 1 1 1 1 1 1
5000 1 1 1 1 1 1 1
L.Sayas P.
CONSIDERACIONES PARA LA INSTALACION DE
EQUIPOS EN CELDAS DE 10 KV
Transformadores de corriente
L.Sayas P.
CONSIDERACIONES PARA LA INSTALACION DE
EQUIPOS EN CELDAS DE 10 KV
Transformadores de corriente
L.Sayas P.
Botella terminal
Transformadores de corriente
L.Sayas P.
Sistemas con neutro puesto a tierra
• El comportamiento de las corrientes homopolares en un sistema puesto a tierra se muestra a continuación.
60 kV
10 kV
G
A1
A2
An
falla a tierra
Co
Co
Co
Co
DY
3IoXo
L.Sayas P.
• Se puede observar que debido al hecho de que el neutro del transformador de potencia esté puesto a tierra y que su reactancia homopolar sea mucho menor que la reactancia capacitiva homopolar de los alimentadores, al existir una falla a tierra, prácticamente toda la corriente homopolar retorna a la barra a través del neutro del transformador de potencia, existiendo corriente solo en el alimentador fallado y no en los otros alimentadores.
Sistemas con neutro puesto a tierra
L.Sayas P.
• es por esto que no se justifica la instalación de relés direccionales, en este caso es suficiente la instalación de relés no direccionales sensitivos de corriente homopolar.
• Adicionalmente, en caso de utilizarse relés direccionales estos no operarían debido a que las tensiones homopolares generadas serían muy pequeñas, debajo del 1%, los relés direccionales necesitan de 3 a 5 % de tensión para poder polarizarse.
Sistemas con neutro puesto a tierra
L.Sayas P.
Cálculo de la falla
CT0
C0
C0´
Z1
Z2
3 Rfalla
Io
Vo
Ef
SET
Xo
CT0
= capacidad total homopolar
de los alimentadores
no involucrados en la falla
X0 = reactancia homoplar del trafo
de potencia
generalmente Xo << Xct0
L.Sayas P.
luego podemos simplificar el circuito como sigue:
3 Rfalla
Io
Vo
Ef
SETRele
Z1
Z2
Xo
Cálculo de la falla
L.Sayas P.
IoIrele
XoIoV
ZRf
EfI
XoZZtegeneralmen
XoZZRf
EfIo
3
.
133
21
tierraafalladearesistenciRf
trafodelhomopolarreactanciaXo
negativasecuenciadeimpedanciaZ2
positivasecuenciadeimpedanciaZ1
21)3(
0
220
22
Cálculo de la falla