cap. 06 protección direccional de sobrecorriente

8/13/2019 CAP. 06 Proteccin direccional de sobrecorriente

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CAPTULO 6

PROTECCIN DIRECCIONAL DE SOBRECORRIENTE

6.1 INTRODUCCIN

En ocasiones a la proteccin de sobrecorriente es necesario adicionarle la variante de la

direccionalidad, para mejorar la sensibilidad de la proteccin y lograr su selectividad por tiempo.

A dicha variante se le conoce como Proteccin Direccional de Sobrecorriente y se utiliza en las

redes con alimentacin bilateral en malla, tanto para cortocircuitos entre fases, como a tierra.

En el presente captulo se fundamenta la necesidad de la direccionalidad en la proteccin de

sobrecorriente en determinadas configuraciones del sistema protegido, y se exponen los

criterios fundamentales para el clculo de los parmetros de ajuste de las variantes de tiempo

definido y tiempo inverso de esta proteccin. Tambin se estudian los principios de operacin,

caractersticas y conexiones de los rels direccionales. Adems se trata por separado el

problema de la proteccin contra cortocircuitos a tierra en sistemas slidamente aterrizados, as

como los esquemas de proteccin y principios de operacin de los rels direccionales de

sobrecorriente estticos.


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6-2

6.2 PRINCIPIOS DE OPERACIN

Se denomina proteccin direccional de sobrecorriente a aquella que responde al valor de la

corriente y a la direccin de la potencia de cortocircuito en el punto de su ubicacin. La

proteccin opera si la corriente sobrepasa el valor de arranque y la direccin de la potencia

coincide con la correspondiente a un cortocircuito en la zona protegida. Se compone de una

proteccin de sobrecorriente con selectividad relativa, complementada con un rgano de

medicin que determina la direccin de la potencia de cortocircuito, que es el denominado rel

direccional.

La necesidad de la direccionalidad puede demostrarse a partir de la red con alimentacin

bilateral mostrada en la Figura 6.1a. Para lograr la selectividad por tiempo entre las

protecciones de sobrecorriente 2 y 3 de esta red (lo cual es necesario tanto en la proteccin de

tiempo inverso como en el tercer escaln de la de tiempo definido). La proteccin 2 debe ser

ms rpida que la 3 para la falla Fy ms lenta que ella para la falla F, lo cual es imposible de

cumplir. Un anlisis semejante referente a la sensibilidad de los primeros y segundos escalones

de la proteccin de sobrecorriente de tiempo definido revela que puede ser insuficiente.

Figura 6.1


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6-4

Las Ecuaciones 6.1 y 6.2 sugieren la posibilidad de conectar los rels direccionales a las

tensiones y corrientes totales (lo que se hace para la proteccin contra las fallas trifsicas y

bifsicas), a las tensiones y corrientes de una determinada componente de secuencia (la

conexin ms comn es a las tensiones y corrientes de secuencia cero, para la proteccin

contra fallas a tierra).

Para cortocircuitos trifsicos simtricos solamente fluye potencia de secuencia positivacc

S1 ,

dirigida hacia el punto de la falla. Para un cortocircuito en el punto de falla, la potencia de

secuencia positiva es igual a cero, 01 =cc

S .

Para cortocircuitos bifsicos aparecen componentes de secuencias positivacc

S1 y negativa

ccS2 en la potencia. En el punto del cortocircuito se cumple que cccc SS 12 = . Por otra parte, en

todos los neutros del sistema la potencia de secuencia negativa es igual a cero, 02 =cc

S . Por

lo tanto, en este tipo de cortocircuitocc

S1 fluye de la barra hacia el punto de falla, mientras que

ccS2 fluye del punto de falla hacia todos los neutros del sistema.

Para cortocircuitos a tierra aparecen componentes de las tres secuencias. En el punto de falla

se cumple quecccccc

SSS 102 =+ . Tanto la potencia de secuencia cero, como la de

secuencia negativa, fluyen del punto de falla hacia aquellos neutros del sistema con los que hay

conexin elctrica en la red de secuencia cero.

En resumen, puede considerarse que para las fallas asimtricas, la potencia de secuencia

positiva est dirigida de las fuentes de alimentacin hacia el punto de falla; una parte de esa

potencia contina hacia los neutros de las cargas, y el resto se transforma en el punto de falla

en potencias de secuencias negativa y cero, que se dirigen, respectivamente del punto de falla

hacia los neutros aterrizados en la red de secuencia cero.

Las consideraciones anteriores deben tenerse en cuenta al seleccionar el tipo de rel

direccional y su conexin para cada aplicacin. As por ejemplo, para la proteccin contra

cortocircuitos trifsicos y bifsicos el rel direccional debe operar cuando la potencia total (al

igual que la de secuencia positiva) est dirigida hacia la lnea protegida; por el contrario, para la


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6-5

proteccin contra cortocircuitos a tierra, la operacin debe ocurrir cuando la potencia de

secuencia cero fluye de la lnea protegida hacia el punto de ubicacin de la proteccin. No

obstante, para simplificar las explicaciones, en lo sucesivo se considerar como direccin de

disparo de la proteccin direccional, la del flujo de potencia hacia la lnea protegida, ya que con

la conexin del rel se resuelve lo referente a las particularidades de la direccin de cada

componente simtrica de la potencia.

6.3 TIPOS DE PROTECCIONES DIRECCIONALES DE SOBRECORRIENTE

Antes de tratar los tipos de protecciones, conviene presentar la simbologa normalizada segn

ANSI / IEEE e IEC.

Existen dos tipos fundamentales de protecciones direccionales de sobrecorriente que son:

! De Tiempo Definido o Constante

! De Tiempo Inverso

6.3.1 PROTECCIN DIRECCIONAL DE SOBRECORRIENTE DE TIEMPO DEFINIDO

En la Figura 6.2 se muestra el diagrama de bloques de una proteccin direccional de

sobrecorriente de tres escalones, para una fase de una lnea compuesta por tres rels de

sobrecorriente instantneos, un rel auxiliar intermedio, dos rels de tiempo, tres rels de

sealizacin y un rel direccional, que recibe seales de tensin y corriente de los

transformadores de instrumentacin (PTs y CTs). La conexin del esquema es tal que en el

canal correspondiente a cada escaln solamente se origina la seal de disparo del interruptor, sioperan el rel direccional y los rels de sobrecorriente auxiliar y de tiempo de ese escaln.

En la Figura 6.3a se muestra el esquema de una red con alimentacin en varios puntos, que

puede servir como base para el anlisis del mtodo de clculo de los parmetros de ajuste de

los distintos escalones, para el caso de la proteccin de fase.

SIMBOLOGA


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6-6

Tal como se seal en el epgrafe anterior, las protecciones direccionales se forman en dos

grupos, cuyos parmetros de ajuste son relativamente independientes. Los criterios que se

siguen para el clculo de esos parmetros son semejantes a los vistos en el epgrafe 5.3.2.1

para las protecciones de sobrecorriente de tiempo definido, pero hay algunas particularidades

dadas por la direccionalidad de la proteccin y por tratarse de una red con ms de una fuente

de generacin. A continuacin se analizan estas particularidades y se discuten las posibilidades

de omitir el rel direccional, as como las ventajas especificas que representa su utilizacin.

Primer Escaln

En la Figura 6.4 se muestran las curvas )(I1cc

!f= e )(I2cc

!f= correspondientes a las

corrientes de cortocircuito que pasan por las protecciones 1 y 2 de la Figura 6.3a en sus

respectivas direcciones de disparo.

5.3.2.1 Proteccin de Sobrecorriente de Tiempo Definido o Constante.

Figura 6.2


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6-7

Figura 6.3

Figura 6.4


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6-8

Los primeros escalones de las protecciones 1 y 2 podran en principio no ser direccionales. En

este caso, la corriente de arranque para ambos puede ser superior a la mayor de las corrientes

de cortocircuito para falla externa, que en este caso es la de la barra B y se tiene que:

I

B1ccI

ndapII IK

Donde:

I

ndap

I = Corriente de arranque de la proteccin direccional n en el primer escaln.

El valor de kIse toma entre 1.2 y 1.3 para tener en cuenta los errores en los transformadores

de corriente y los rels, as como la posible operacin incorrecta de stos debido a la

componente aperidica de la corriente de cortocircuito.

El primer escaln de la proteccin 1 cubre en este caso la zonaI

1! (ver Figura 6.4), mientras

que la proteccin 2 no protege longitud alguna de la lneaABcon su primer escaln, ya que

2cc

ndap II > para falla en cualquier punto de la lnea. Si la proteccin 2 se hace direccional, su

primer escaln puede ser ms sensible:

I

A2ccI

2apII IK

Se logra as la proteccin instantnea de una longitudI

2! de la lnea AB por la proteccin 2,

como puede apreciarse en la Figura 6.4. La adicin de direccionalidad al primer escaln de la

proteccin 1 no mejora su sensibilidad, ya que de todas formas la corrienteB1cc

I fluye en su

sentido de disparo, es decir, se obtiene ventaja con la direccionalidad del primer escaln

(incremento de la sensibilidad) para la proteccin que tiene la menor corriente de cortocircuito

en su sentido de disparo. En realidad, esto no significa que no se utilice el rel direccional en la

proteccin 1; este rel de todas formas puede ser necesario para los dos escalones restantes

de la proteccin, por lo que no puede omitirse, y se le aade incluso al primer escaln como

regla general.

Como en el sistema hay ms de una fuente de generacin, existe la posibilidad de que surjan

oscilaciones de potencia, que deben tenerse en cuenta en el clculo de la corriente de arranque

del primer escaln, ya que la corriente oscI que circula durante la oscilacin puede ser incluso

mayor que la de cortocircuito.

(6.3)

(6.4)


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6-9

En la Figura 6.5 se presenta un diagrama de tiempo de la variacin de esa corriente. Se

representan, adems, las corrientes de arranqueI

apI y de reposicinI

rpI del primer escaln de

la proteccin. Como puede apreciarse, existe tendencia a la operacin en la proteccin durante

un tiempo tr, que puede ser mayor que su tiempo de operacinI

T , que es muy reducido (no

mayor de 0.1 s).

Es por ello que es conveniente hacer:

maxoscII

ap IKI

Como valor definitivo de arranque del primer escaln se toma el mayor de los calculados por las

ecuaciones 6.4 (para la proteccin 2, ya que para la 1 el valor de arranque es el dado por la

ecuacin 6.3) y 6.5. Si predomina la condicin 6.5, los primeros escalones no tienen que ser

direccionales, pues con eso no se gana nada en sensibilidad. Si, por el contrario, prevalecen las

condiciones dadas por 6.4 y 6.3, se mantiene vigente el anlisis anteriormente con respecto a

las ventajas de la direccionalidad para la proteccin 2.

Segundo Escaln

La seleccin de su tiempo de operacinIIT , su corriente de arranque

II

apI y la comprobacin

de su sensibilidad se hacen, en lo fundamental, como en el caso de las protecciones no

(6.5)

Figura 6.5


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6-10

direccionales de sobrecorriente de tres escalones, teniendo en cuenta las consideraciones

hechas para el primer escaln de la proteccin direccional de sobrecorriente.

La particularidad fundamental en el segundo escaln consiste en la necesidad de tener en

cuenta, en el clculo de la corriente de arranque, el hecho de que si hay una fuente de

generacin conectada en un punto intermedio, entre el punto de ubicacin de la proteccin y el

punto de la falla externa, la corriente que pasa por la proteccin es en general diferente de la

que pasa por el elemento adyacente a la lnea protegida.

Pueden considerarse dos casos en esta situacin. El primero de ellos es el de un cortocircuito

en la lnea adyacente (por ejemplo, en la lnea BC de la Figura 6.3a para el caso de la

proteccin 1), que es el cortocircuito que se plantea para asegurar que el segundo escaln no

se monte sobre los segundos escalones de las protecciones adyacentes (ecuacin 5.6).

Como puede apreciarse en la Figura 6.3a, debido a la presencia de la fuente de generacin

conectada en la barra B,BCAB cccc

II < para el mencionado cortocircuito en la lnea BC. Esto,

conocido como efecto de fuente de generacin intermedia, puede tenerse en cuenta en el

clculo mediante el coeficiente de distribucin de corriente KC, que para el caso analizado est

dado por:

BCcc

ABcc

I

IK =

BCc

Y es menor que la unidad. Hay casos en que el coeficiente puede ser mayor que la unidad,

como por ejemplo, cuando en la seccin BC hay varias lneas en paralelo.

De acuerdo con lo anterior, la expresin 5.6 se modifica, para el caso en que hay fuentes de

generacin intermedias, en la forma siguiente:

II

1-nccI

BCcK

IIK

II

napI

Ecuacin 5.6 I

1-napIIIKII

napI

Ecuacin 5.7

mxtCCIIIKII

napI

(6.6)

(6.7)


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6-11

El otro caso posible es el de un cortocircuito en la barra de baja tensin del transformador de la

subestacin B(Figura 6.3a), que es el que hay que considerar para garantizar que el segundo

escaln no opera en esta situacin (ecuacin 5.7). En este caso tambin hay diferencia

(debida a las fuentes de generacin conectadas en By C) entre las corrientes ABccI

de la lnea

AB emxt

ccI del transformador, para el cortocircuito mencionado. El coeficiente de distribucin

de corriente est dado por:

mxtcc

ABcc

I

I=

tcK

Y la expresin 5.7 se modifica, resultando:

maxtcctcIIII

napIKI K

En el caso de ser conocidos los distintos regmenes de operacin del sistema, en las

ecuaciones 6.7 y 6.9 deben utilizarse los valores mximos posibles del factor de distribucin de

corrientetcK . Con ello se garantiza el cumplimiento de ambos requerimientos del segundo

escaln para cualquier rgimen de operacin del sistema.

Tercer Escaln

En las protecciones direccionales de sobrecorriente, que pueden dividirse en dos grupos

atendiendo a sus direcciones de operacin, la seleccin del tiempo de operacinIII

T del tercer

escaln para las protecciones de cada grupo, se hace como en el caso de las protecciones no

direccionales; el tiempo de operacin de cada tercer escaln debe ser mayor que el de los

terceros escalones de las protecciones de todas las lneas que salen de la subestacin

adyacente, que tengan su misma direccin de operacin (ver ecuacin 5.11!

).

!Ecuacin 5.11 t+=

III1-n

IIIn TT

(6.8)

(6.9)


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6-12

En la Figura 6.6 se muestran las caractersticas )(T !f= de los terceros escalones de las

protecciones del sistema de la Figura 6.1a, donde adicionalmente se denominanTAyTD los

tiempos de operacin de las protecciones de otros elementos del sistema (lneas

transformadores), conectados en las subestaciones A y D respectivamente.

Como puede apreciarse, para un cortocircuito que ocurra en cualquiera de las lneas y fallen los

primeros segundos escalones, ocurre la operacin selectiva de los terceros escalones. As por

ejemplo, para una falla en la lnea BC ocurre la operacin de los interruptores 3 y 4, por la

accin de los terceros escalones de las protecciones correspondientes.

La aplicacin de este principio de seleccin de los tiempos de operacin, hace que no todos los

terceros escalones tengan que ser direccionales. En particular, no tiene que ser direccional el

tercer escaln que posea la proteccin ms lenta de la subestacin en que est ubicada (puesde todas formas coordina por tiempo con las restantes, cualquiera que sea su direccin de

operacin). Este es el caso, en la Figura 6.6, de las protecciones 1 (T1>TA), 3 (T3>T2),

4 (T4>T5) y 6 (T6>TD); los restantes terceros escalones deben ser direccionales.

Fi ura 6.6


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6-13

La corriente de arranque del tercer escaln de la proteccin de sobrecorriente de tiempo

definido debe determinarse con la aplicacin de las expresiones 5.14 y 5.16"

, interpretando

como mxcI la corriente mxima de carga que circula en la direccin de disparo de la

proteccin. Adems de cumplirse la condicin 5.17#

deben cumplirse otras dos condicionesespecificas de las protecciones direccionales de sobrecorriente. La primera condicin es que la

corriente de arranque del tercer escaln debe ser mayor que la corriente de carga mxima

mxcI' que pueda circular en cualquier direccin por la proteccin:

mxcIIIIII

napI'I K

Esta expresin tiene en cuenta la posibilidad de que se abra algn circuito secundario de los

transformadores de potencial (puede ser por fusin de un fusible de su proteccin) y la

proteccin pierda la direccionalidad. Debe aclararse que esta posibilidad no se tiene en cuenta

en el caso de las expresiones 5.14 y 5.16, porque es poco probable que ocurra esta situacin

durante el tiempo reducido, que dura el proceso transitorio asociado con la desconexin de un

cortocircuito exterior el recierre exitoso despus de un cortocircuito en la lnea propia. En

ocasiones, tambin se toma en lugar demx

cI el valor correspondiente a la carga normal (no la

mxima) pues tambin se considera poco probable que la apertura del circuito de potencial del

rel direccional, coincida en tiempo con un estado de carga mxima en el sistema; con ello se

eleva la sensibilidad del tercer escaln.

La otra condicin que puede ser necesario tener en cuenta, es el valor elevado que puede tener

la corriente en las fases no falladas durante cortocircuitos monofsicos bifsicos a tierra. Esta

condicin puede predominar sobre todas las anteriores y afectar en gran medida la sensibilidad

del tercer escaln; por ello, en ocasiones en las redes slidamente aterrizadas se utilizan

esquemas en que la proteccin direccional de sobrecorriente de fase, se desconecta

automticamente cuando aparecen componentes de corriente de secuencia cero (indicando que

la falla es a tierra); y queda en servicio solamente la proteccin direccional contra cortocircuitos

a tierra, que no es afectada por la corriente en las fases no falladas.

"Ecuacin 5.14

mxC

'III

napII

r

aIII

K

KK Ecuacin 5.16

mxCaIII IKK ''III

napI

#Ecuacin 5.17 III1-nap

III

napII

(6.10)


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6-14

Como regla general el tercer escaln de la proteccin direccional de sobrecorriente no opera

incorrectamente por efecto de las oscilaciones de potencia, ya que rIII tT > > t (Figura 6.5);

por ello en la prctica no se tiene en cuenta esta condicin para el clculo de la corriente de

arranque del tercer escaln.

Un aspecto a tener en cuenta en los tres escalones de la proteccin direccional de

sobrecorriente es que, adicionalmente a la comprobacin normal de sensibilidad por corriente,

se debe hacer la comprobacin de sensibilidad por tensin del rel direccional. Esto se debe a

que para fallas trifsicas en la direccin de operacin y suficientemente cercanas a la

proteccin, la tensin tiende a cero y el rel direccional puede no operar, con la que la

proteccin deja de hacerlo para el mayor cortocircuito posible. Tal falta de sensibilidad se

caracteriza por la llamada zona muerta de la proteccin direccional, que es la porcin de lnea

protegida (cercana a la proteccin) en la que, para un cortocircuito trifsico, la proteccin falla

por valor insuficiente de tensin en el rel direccional.

La zona muerta es menos probable en lneas areas (por la resistencia del arco) que en cables

subterrneos. Una forma de evitar esta zona muerta es hacer no direccionales los primeros

escalones de las protecciones; hay otras variantes ms complejas de solucin, pero slo se

utiliza en las protecciones de distancia, en las que tambin se presenta este problema.

6.3.2 PROTECCIN DIRECCIONAL DE SOBRECORRIENTE DE TIEMPO INVERSO

Esta proteccin se obtiene al aadir un rel direccional al esquema de la proteccin de

sobrecorriente de tiempo inverso (Figura 5.8), obtenindose la Figura 6.7.

Figura 6.7


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6-15

Para el anlisis de las particularidades del clculo de sus parmetros de ajuste puede utilizarse

tambin la red de la Figura 6.3a, pero en este caso se partir de la red en malla con una sola

fuente de alimentacin mostrada en la Figura 6.8, con lo que de paso se definen las

caractersticas de este tipo de red, con el propsito de su proteccin.

En este caso cada proteccin de la malla debe ser direccional, pues por cada una puede

circular corriente de cortocircuito dirigida hacia la lnea protegida, desde esa lnea,

dependiendo de la ubicacin de la falla; la direccionalidad de cada proteccin se indica

mediante flechas en la Figura 6.8. Las excepciones a esto son las protecciones 5 y e, que notienen que ser direccionales (se representan por flechas dobles), ya que para fallas en la barra

A, en algn elemento conectado a la barra A que no pertenezca a la malla (lnea

transformador) no circula corriente de cortocircuito, es decir, por esas protecciones slo puede

circular corriente de cortocircuito dirigida hacia la malla, que es la direccin para la que debe

producirse la operacin.

Para el clculo de los parmetros de ajuste de las protecciones debe tenerse en cuenta que,

debido a la direccionalidad, se tienen dos grupos de protecciones que son los designados pornmeros y letras respectivamente, en la Figura 6.8. Para cada uno de esos grupos es aplicable

en general la metodologa de clculo de parmetros de ajuste de las protecciones de

sobrecorriente de tiempo inverso en sistemas radiales expuesta en el epgrafe 5.3.2.2$

;

$5.3.2.2Proteccin de Sobrecorriente de Tiempo Inverso.

Figura 6.8


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6-16

asimismo hay que tener en cuenta las consideraciones hechas para las protecciones

direccionales de sobrecorriente de tiempo definido, sobre todo las referentes al primer y tercer

escalones, que son aplicables, respectivamente, a los elementos instantneos y de tiempo

inverso de esta proteccin.

Para el elemento de tiempo inverso, el clculo de la corriente de arranque se hace mediante la

expresin 5.19%

, tomando en lugar de mxcI el valor de mxI' , que como en el caso de la

expresin 6.10, es la mxima corriente de carga que puede circular en cualquier direccin por la

proteccin. Debe observarse tambin el cumplimiento de la condicin 5.17.La comprobacin de

sensibilidad se efecta de acuerdo con la ecuacin 5.20&planteando el mnimo cortocircuito

bifsico con la malla cerrada, que es la condicin en que por la proteccin pasa la menor

corriente posible. Las protecciones 2 y b(as como la 1 y la a) constituyen casos especiales en

la comprobacin de la sensibilidad, ya que hay que tener en cuenta dos condiciones posibles;

falla al final de la lnea adyacente, con la malla abierta, y falla al inicio de la lnea adyacente, con

la malla cerrada. Esto se debe, por ejemplo,a que cuando ocurre una falla junto al interruptor e

con ste cerrado, por la proteccin circula corriente, hasta que no es disparado por la accin de

su propia proteccin (operacin en cascada de ambas protecciones). No obstante, tal condicin

puede no ser la de mnima corriente por la proteccin, ya que para una falla al inicio de la lnea

adyacente (junto al interruptor 1) s circula corriente por la proteccin 2 an con la malla

cerrada, y esa corriente puede ser menor que la del caso anterior.

Para la determinacin de la curva de tiempo de operacin de cada rel de sobrecorriente se

sigue el algoritmo descrito en el epgrafe 5.3.2.2, con la particularidad de que los cortocircuitos

se plantean con malla abierta, que es la condicin en que pasa la mayor corriente por la

proteccin de respaldo en todos los casos. Las protecciones 1 y a pueden ser instantneas,

pues para fallas en la barra A en las lneas que no pertenecen a la malla, que salen de esa

barra, no circula corriente de cortocircuito por esas protecciones, mientras la malla est cerrada,

es decir, en las protecciones 1 y a,la selectividad se logra por corriente en lugar de por tiempo.

%Ecuacin 5.19

cmxkInaPI

&Ecuacin 5.20

naPI

mncIcc

ak =


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6-17

A modo de resumen puede sealarse que en los terceros escalones de las protecciones

direccionales de sobrecorriente de tiempo definido, y en los elementos de tiempo inverso de

este otro tipo de proteccin direccional de sobrecorriente, es posible garantizar en general, la

selectividad para redes con alimentacin bilateral compuestas por una cadena de lneas

sencillas (Figura 6.3a), y para redes en malla con una sola fuente de generacin (Figura 6.8).

Puede demostrarse que tambin se puede lograr la selectividad en los casos en que en la red

de la Figura 6.3a haya cualquier nmero de fuentes de generacin, en que en la malla de la

Figura 6.8 haya lneas adicionales que unan la barra A (donde est conectada la fuente de

generacin) con alguna otra (como por ejemplo la C la D). Por el contraro, no se garantiza la

selectividad cuando en la malla hay ms de una fuente de generacin, cuando hay lneas

adicionales que unen dos subestaciones, en ninguna de las cuales est conectada la fuente de

generacin (por ejemplo, una lnea entre B y D).

La sensibilidad de estos terceros escalones y elementos de tiempo inverso puede ser difcil de

lograr en redes como la de la Figura 6.3a debido a la necesidad de tener en cuenta en el clculo

de la corriente de arranque posibles regmenes de sobrecarga por averas. En este sentido es

algo ms favorable la situacin de la proteccin de la malla de la Figura 6.8.

Los primeros y segundos escalones de las protecciones direccionales de sobrecorriente de

tiempo definido, as como los elementos instantneos de las de tiempo inverso, pueden en

principio ser direccionales no, pero la direccionalidad por lo general mejora su sensibilidad.Sin embargo, esa sensibilidad puede verse afectada por la necesidad de considerar en el

clculo de la corriente de arranque el efecto de las oscilaciones de potencia, en el caso de las

redes del tipo de la mostrada en la Figura 6.3a. Adems es necesario tener en cuenta los

problemas de sensibilidad de tensin asociados con la zona muerta de la proteccin direccional,

que pueden estar presentes en ambos tipos de redes.

6.4 CARACTERSTICAS DE LOS RELS DIRECCIONALES

La representacin grfica de la condicin de operacin de rels direccionales puede hacerse

mediante la caracterstica angular (en el plano complejo impedancia en coordenadas

rectangulares) y mediante la caracterstica tensin - corriente. Para el caso ideal en que el rel

sea infinitamente sensible, su caracterstica angular se puede apreciar en la Figura 6.9 la cual

se obtiene a partir de la ecuacin:


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6-18

)sm90(r)sm-90( !!! +

Donde,sm

! = ngulo de sensibilidad mxima del rel (el cual puede ser ajustable)

r! = ngulo de desfase entre tensin y corriente

Y su representacin en el plano complejo tiene la forma de la Figura 6.9b. Cuando el esquema

de comparacin de fase tiene lmites angulares distintos de 90 la caracterstica del rel es la

mostrada en la Figura 6.10b.

(6.11)

Figura 6.9

Figura 6.10


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6-19

El ngulor

! en el plano complejo impedancia es positivo cuando la corriente est en atraso

con respecto a la tensin; por ello, en rels en que la sensibilidad mxima se origina para

corriente en adelanto con respecto a la tensin (como es el caso de los rels direccionales para

proteccin contra cortocircuitos entre fases), 0!sm< . En la Figura 6.11a se presenta una

caracterstica angular en el plano impedancia para este caso.

Otra variante de caracterstica angular en el plano complejo es la que resulta de representar la

variable complejaar

V en ese plano (dondear

V es el valor de la tensinr

V para la cual se

origina la operacin del rel) parar

I constante, que generalmente se toma igual a su valor

nominal. Esta caracterstica tiene la misma forma que la correspondiente al plano complejo

impedancia.

La caracterstica angular en coordenadas rectangulares o cartesianas es la representacin

grfica de la relacin funcional )f(!Vrar

= para un valor constante der

I que

generalmente es el valor nominal. Esta caracterstica se presenta en la Figura 6.11b para el

caso ideal de un rel infinitamente sensible ( 0Var= para todo r! que cumpla con la ecuacin

6.11).

Figura 6.11


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6-20

En el caso real, los rels direccionales tienen una sensibilidad finita. La forma en que se alteran

las caractersticas angulares en este caso depende de la base constructiva del rel y de su

principio de operacin, pero por lo general toman el aspecto que se muestra en la Figura 6.12.

La caracterstica, angular en el plano complejo ya no pasa por el origen de coordenadas y

experimenta un corrimiento de valorminr

Za

(Figura 6.12a) minr

Va

(Figura 6.12b). La

caracterstica en coordenadas rectangulares (Figura 6.12c) se modifica por el carcter variable

deminr

Va

conr

! ; como puede apreciarse, para valores pequeos der

V la caracterstica

angular tiene un ancho inferior a 180 y tiende a este valor para valores elevados der

V .

La caracterstica tensin - corriente es la representacin grfica en coordenadas rectangulares

de la relacin funcional )(IfVarar

= para un valor constante der

! , que generalmente se

toma igual asm

! (en cuyo casominr

VrV aa= ). En el caso ideal del rel direccional

infinitamente sensible, la caracterstica coincide con los ejes de coordenadas. En el caso real su

forma depende de la base constructiva y del principio de operacin del rel, As por ejemplo,para el rel de induccin electromagntica se tiene que el torque eM esta dado por:

)sm!rcos(!rIrkVeM =

Y la condicin umbral de operacin es me M(t)M = (donde mM es el torque del muelle de

retencin) puede expresarse de acuerdo a la Ecuacin 6.12 como:

Figura 6.12

(6.12)


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22/49

6-22

Esta conexin es muy apropiada para discriminar la direccin de la potencia de secuencia cero,

pues el ngulo de fase de la tensin prcticamente no cambia con la ubicacin de la falla,

mientras que el de la corriente experimenta un cambio de alrededor de 180 al invertirse la

direccin del flujo de potencia.

En algunos pases se utilizan tambin variantes de esta proteccin en que el rel direccional esdel tipo corriente - corriente. El problema en este caso consiste en encontrar una corriente de

secuencia cero cuyo ngulo de fase no cambie con la ubicacin de la falla, de modo que sirva

como referencia angular en sustitucin de la tensin de secuencia cero. A continuacin se

analizan algunas variantes de solucin a este problema.

Si en la subestacin en que se origina la lnea protegida hay transformadores de dos devanados

con conexin delta - estrella aterrizada, la corriente de secuencia cero se obtiene al conectar un

transformador de corriente en el neutro del transformador de potencia.

Cuando el transformador de potencia es de tres devanados, hay que tener en cuenta todas las

corrientes de secuencia cero. En el caso de transformador con conexin delta - estrella

aterrizada y terciario en estrella aterrizada, la corriente se obtiene con dos transformadores de

Figura 6.14


23/49

6-23

corriente conectados en ambos neutros y puestos en paralelo. Si un solo neutro est aterrizado,

el transformador de corriente se conecta en ese neutro.

En los autotransformadores de tres devanados la situacin es ms compleja, sobre todo cuando

una de las ramas de su circuito equivalente tiene reactancia negativa. Hay algunos rels

direccionales especialmente diseados para secuencia cero, que tienen tres bobinas en lugar

de dos, de magnitudes que alternativamente sirven como referencia angular. Estos rels se

utilizan con frecuencia en las redes con autotransformadores de tres devanados.

Las protecciones direccionales de sobrecorriente contra cortocircuitos a tierra tienen, con

respecto a las de fase (que se conectan a las tensiones y corrientes totales de fase) las mismas

ventajas que se expusieron en el epgrafe 5.5para las protecciones no direccionales. A estas

se suma el hecho de que los rels direccionales trababan con mayor precisin cuando estn

conectados a las tensiones y corrientes de secuencia cero.

La metodologa de calculo de parmetros de ajuste de la proteccin es en lo fundamental, la

expuesta en el epgrafe 5.5. Sin embargo, en el caso de los primeros y segundos escalones de

protecciones de lneas paralelas que tienen efecto de induccin mutua, es necesario tener en

cuenta condiciones complementarias en el calculo de la corriente de arranque.

En la Figura 6.15 se representa el diagrama unifilar de un sistema en que hay dos lneas

paralelas que tienen acoplamiento magntico mutuo. La corriente de arranque 1aPII del

primer escaln de la proteccin 1 tiene que ser mayor que la corriente de secuencia cero que

pasa por la lnea 1 - 2en las dos condiciones siguientes:

a) Falla a tierra en F (al inicio de la lnea adyacente), con la lnea 3 - 4 desconectada

(interruptores 3y 4abiertos) y puesta a tierra en sus dos extremos.

b) Falla a tierra en F (al inicio de la lnea paralela) y apertura del interruptor 3por accin

de su proteccin, antes de la apertura 4(operacin en cascada de las protecciones 3y

4). En ambos casos hay que tener en cuenta el efecto de la induccin mutua en el

clculo de la corriente de secuencia cero de la lnea 1 - 2.

5.5 Proteccin de Sobrecorriente contra Cortocircuitos a Tierra en Sistemas Slidamente Aterrizados.


24/49

6-24

Esto es valido tambin para el elemento instantneo de la proteccin direccional de

sobrecorriente de tiempo inverso.

La corriente de arranque 1aPIII del segundo escaln de la proteccin 1debe a su vez, ser

mayor que la corriente de secuencia cero en la lnea 1-2 en dos condiciones diferentes:

a) Falla a tierra en F (al final de la zona del primer escaln de la lnea adyacente), con la

lnea 3 - 4desconectada y puesta a tierra.

b) Falla a tierra en F(al final de la zona del primer escaln de la proteccin 4) y apertura

del interruptor 3, antes de la apertura de 4.

Tal como se seal en el epgrafe 5.5 la proteccin direccional de sobrecorriente contra

cortocircuitos a tierra se utiliza como regla en redes de 34.5 y 115 kV (y en ocasiones de

220 kV) con neutro slidamente aterrizado, en los casos de redes con ms de una fuente de

generacin, conectadas en malla. Esta proteccin es por lo general de tiempo definido, si la

proteccin de fase de la lnea es direccional de sobrecorriente de tiempo definido de distancia

y es de tiempo inverso cuando la proteccin de fase es direccional de sobrecorriente de tiempo

inverso.

Fi ura 6.15


25/49

6-25

6.6 CONEXIN DE LOS RELS DIRECCIONALES

Los esquemas de conexin de los rels direccionales deben asegurar la correcta determinacin

de la direccin de la potencia para todos los cortocircuitos a los que la proteccin debe

responder. Para garantizar la sensibilidad adecuada de la proteccin es necesario lograr que

para estos cortocircuitos el valor de Vr sea lo mayor posible, y el de !rsea lo ms cercano

posible a !sm del rel. Existen muchas variantes de esquemas de conexin de rels

direccionales, que en general pueden subdividirse en dos grandes grupos: los que responden a

una de las componentes simtricas de la potencia, y aquellos que lo hacen a las corrientes y

tensiones totales.

Dentro del primer grupo, la variante de conexin ms utilizada es la que responde a la potencia

de secuencia cero. Tiene como ventajas la facilidad con que se logran los filtros de tensin y de

corriente de secuencia cero, y el hecho de que la potencia de secuencia cero tiene la direccin

nica en caso de cortocircuito de la lnea protegida (del punto de la falla hacia el punto de

ubicacin de la proteccin), lo que garantiza una selectividad adecuada. Esta conexin se aplica

en las protecciones direccionales de sobrecorriente contra cortocircuitos a tierra en sistemas

slidamente aterrizados.

Los esquemas de conexin a las corrientes y tensiones totales de las fases responden a todos

los tipos de cortocircuitos; sin embargo, en redes con aterrizaje slido, al ocurrir fallas

asimtricas a tierra los rels de las fases no falladas pueden operar incorrectamente por efecto

de las corrientes de carga de cortocircuito. Por esta razn estos esquemas se utilizan por lo

general en tales redes slo para cortocircuitos entre fases, y se complementan con protecciones

direccionales de secuencia cero. En caso de fallas a tierra automticamente puede sacarse de

servicio la proteccin contra cortocircuitos entre fases para evitar su operacin incorrecta.

Los esquemas de conexin a las corrientes y tensiones totales de las fases se conforman por lo

general con tres rels direccionales monofsicos, en algunos casos con slo dos rels. Como

alternativas a estos esquemas se han utilizado otras dos variantes: los rels direccionales

trifsicos, que tanto en la versin electromecnica como en la esttica son de gran complejidad;

la utilizacin de un solo rel monofsico, que se conecta por un elemento de arranque en forma

automtica a las corrientes y tensiones apropiados para el tipo de cortocircuito que ha ocurrido.

Estas dos variantes no han tenido gran difusin en la prctica.


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6-26

A los efectos de facilitar la tarea de conectar los rels direccionales, los terminales de sus

circuitos de corriente y potencial tienen marcas de polaridad, que indican la forma de

conectarlos para lograr el ngulo de sensibilidad mxima dado en la informacin del fabricante

del rel.

A continuacin se hace un anlisis simplificado de las conexiones fundamentales de los rels

direccionales, y se determinan los valores ms apropiados del ngulo de sensibilidad mxima

en cada caso.

6.6.1 CONEXIONES PARA RELS DIRECCIONALES DE PROTECCIN CONTRA

CORTOCIRCUITOS ENTRE FASES

De las conexiones la ms utilizada es la denominada 90, en que a cada rel se aplica la

corriente de una fase y la tensin de lnea corresponde a las otras fases, es decir:

Ir Vr

IaVbc

Ib Vca

Ic VabDonde:

Ir = cantidad actuante

Vr = cantidad polarizante

El nombre de la conexin proviene del hecho de que el ngulo de desfase entre la tensin y la

corriente de cada rel, en condiciones de factor de potencia unitario en el sistema protegido es

90, como puede apreciarse en la Figura6.16a.


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6-27

El diagrama fasorial para un cortocircuito trifsico suficientemente alejado del rel se muestra

en la Figura 6.16b como puede apreciarse el ngulo !r esta dado por:

cc90)

cc(90

r +==

Donde ambos ngulos se toman como positivos cuando la corriente est en atraso con respecto

a la tensin. El ngulo !cc puede variar entre 0 y 90 dependiendo del valor de la impedancia

de la lnea y la resistencia de falla. Por ello, el intervalo posible de valores !res 90 "!r"0.

De acuerdo con esto, y teniendo en cuenta la ecuacin

)(90)(90smrsm

+

El valor de!sm (ngulo de torque mximo o sensibilidad mxima) para esta conexin debe

seleccionarse en el intervalo de 0< !sm< 90.

En el caso en que el cortocircuito trifsico ocurra en el punto de ubicacin de los rels, las tres

tensiones de la lnea tienen valores muy reducidos y los rels pueden no operar (zona muerta

de operacin direccional). En la prctica, en los cortocircuitos siempre hay un cierto valor de

resistencia de falla, que garantiza el valor suficiente de tensin para la correcta operacin de los

rels direccionales. La excepcin a esto es el caso en que el personal de servicio por error deja

conectado en la lnea el equipo de puesta a tierra de seguridad despus de una reparacin;

esto provoca un cortocircuito trifsico al reconectar la lnea, para el cual no opera la proteccin.

Figura 6.16


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6-28

Un anlisis similar para los tres casos de cortocircuitos bifsicos da como resultado para !smel

intervalo de valores posibles 30 < -!sm < 90. De todo lo anterior se desprende como valor

ms adecuado el de !sm = -45, que es el que se utiliza en la prctica para esta conexin. Para

cualquier cortocircuito bifsico operan en principio dos rels, por lo que en la prctica puedenutilizarse solamente dos rels con conexin 90 para la proteccin de una lnea trifsica. Hay sin

embargo, dos casos en que no es posible omitir el tercer rel direccional, debido a que de los

dos rels que tienden a operar para cada cortocircuito bifsico hay uno que tiene menor

sensibilidad que el otro. Estos casos son: cuando la corriente de carga tiene un valor apreciable

frente a la de cortocircuito, y cuando hay un banco de transformadores con conexin

delta - estrella aterrizada dentro de una zona protegida.

El anlisis de la operacin de los rels direccionales con conexin 90, para cortocircuitosmonofsicos bifsicos a tierra revela que los rels conectados a las fases no falladas pueden

operar incorrectamente por efecto de las corrientes de carga y de cortocircuito.

Una segunda conexin posible para los rels direccionales que protegen contra cortocircuitos

trifsicos y bifsicos es la conexin 30, en que a cada rel se aplica una tensin de lnea y la

corriente de una de las dos fases propias, o sea:

Ir Vr

Ia Vac

Ib Vba

Ic Vcb

El nombre de la conexin se debe al hecho de que el desfase entre la tensin y la corriente de

cada rel en condiciones de factor de potencia unitario es 30. Un inconveniente de esta

conexin es que, como puede demostrarse en un anlisis semejante al realizado para la

conexin 90, se requiere un valor de !sm= 0 en los rels, que resulta difcil de lograr, al

menos en los rels direccionales electromecnicos. Como segundo inconveniente est el hecho

de que para los cortocircuitos bifsicos cercanos opera solamente el rel (en uno de los otros

dos rels hay ausencia de tensin, y en el otro de corriente); por ello en esta conexin es

necesario utilizar tres rels monofsicos.


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6-29

Otra conexin que se ha utilizado para los rels direccionales de proteccin contra cortocircuitos

entre fases es la denominada conexin 60, en que a cada rel se le aplica la suma fasorial de

dos tensiones de lnea y una de las corrientes de fase, de la siguiente forma:

Ir Vr

Ia Vbc+Vac

Ib Vca+Vbc

Ic Vab+Vcb

En resumen, con respecto a las conexiones de los rels direccionales de proteccin contracortocircuitos entre fases puede concluirse lo siguiente:

a) La denominacin de cada conexin est dada por el ngulo de desfase entre la

tensin y la corriente aplicados al rel con factor de potencia unitario.

b) En las conexiones 90 y 60 pueden utilizarse solamente dos rels, pues para cada

falla bifsica operan correctamente los rels conectados a las dos fases falladas. En la

conexin 30 es necesario utilizar tres rels.

c) La utilizacin de solamente dos rels en lugar de tres es recomendable cuando losdos rels que corresponden a cada cortocircuito bifsico lo hacen con niveles

semejantes de sensibilidad. Ello ocurre cuando la corriente de carga es despreciable

frente a la de cortocircuito, y cuando no hay bancos de transformadores con conexin

delta-estrella aterrizada en la zona protegida.

d) La proteccin presenta zona muerta solamente para cortocircuitos trifsicos cercanos

a los rels.

e) En caso de cortocircuitos monofsicos bifsicos a tierra pudieran operar

incorrectamente los rels de las fases no falladas; es necesario tomar medidas paraque esto no conduzca a la operacin incorrecta del esquema completo.

f) La conexin 90 tiene ventajas con respecto a las restantes y es la ms utilizada en la

prctica.


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6-30

6.6.2 CONEXIONES PARA RELS DIRECCIONALES DE PROTECCIN CONTRA

CORTOCIRCUITOS A TIERRA

En la variante ms utilizada como se sealo en el epgrafe 6.5, el rel direccional recibe las

seales Ir = 3I0 y Vr = 3V0, sirve como proteccin contra cortocircuitos monofsicos y

bifsicos a tierra en sistemas slidamente aterrizados.

En la Figura 6.17b se presenta el diagrama fasorial de las magnitudes de secuencia cero para

el caso de un cortocircuito a tierra, en el sistema de Figura 617a a travs de cierta resistencia

de falla Rf . La tensin V0 es mxima en el punto Fde cortocircuito y es cero en el neutro

aterrizado del devanado estrella del transformador; esa tensin, que no depende del valor de la

resistencia de falla, esta dada porV0= - Z0I0

, dondeZ0T

es la impedancia de secuencia cero

del transformador, que tiene un ngulo cercano a 90. De acuerdo con esto, el ngulo !rest

en el intervalo 180 < !r < -90 y tiene el valor limite 90.

En la practica, la conexin se hace aplicando al rel en forma invertida la tensin la corriente,

de modo que realmente !rest en el intervalo 0< !r< 90, como se ilustra en la Figura 6.17b,

para el caso en que se ha invertido la tensin. De acuerdo con esto, el valor de !smdel rel

debe escogerse tambin en el intervalo 0< !sm< 90. Es recomendable un valor del orden de

!sm = 70 para tener en cuenta el hecho de que por lo general Z0T no es solamente la

impedancia de secuencia cero del transformador, sino la equivalente de varios transformadores

Figura 6.17


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6-31

y lneas que componen la red de secuencia cero para la falla dada, y cuyo ngulo tiene

realmente un valor no muy cercano a 90. Precisamente la inversin de la tensin la corriente

en la conexin del rel se hace para que el valor de !sm est en el primer cuadrante

(!sm< 90) y sea ms fcil de obtener en el rel direccional.

Esta conexin de los rels direccionales de proteccin contra cortocircuitos a tierra tiene como

ventajas la simplicidad, el hecho de que el valor de Rfno influye en el de !r, y la ausencia de

zona muerta en la proteccin, para los cuales sta acta como respaldo, los valores de Vre Ir

pueden ser reducidos, por lo que se requieren rels de gran sensibilidad para esta conexin.

Generalmente los rels direccionales de proteccin contra cortocircuitos y una combinacin de

dos rels, uno direccional que normalmente es de alta velocidad y un rel de sobrecorriente que

normalmente es del tipo de tiempo inverso; este ltimo es ajustable y es controlado por el

direccional, en algunas aplicaciones el rel direccional de alta velocidad es ajustable a su valor

de puesta en trabajo y puede tambin dar disparo al interruptor; esta conexin se ilustra en la

Figura 6.18.


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6-32

6.7 PROTECCIN DE LNEAS CON RELS DE SOBRECORRIENTE

6.7.1 AJUSTE DE LOS RELS DE SOBRECORRIENTE

El primer paso es escoger el ajuste del valor de puesta en trabajo del rel de tal manera que

funcione para todos los circuitos de la lnea y que brinde proteccin de respaldo para

cortocircuitos en las lneas adyacentes.

El ajuste mnimo del valor de puesta en trabajo del rel debe ser a la corriente de falla mnima,

a condiciones de generacin mnima, en el extremo ms lejano de la lnea adyacente. Los rels

de fase se ajustan con la corriente de un cortocircuito lnea a lnea que es la que presenta un

valor menor, pero estos rels no deben ser sensitivos a las corrientes mximas de carga de la

lnea; el ajuste para los rels de fase debe ser al menos dos veces la corriente mxima normal y

no menor de 1.5 veces la Imx. de la lnea.

Figura 6.18


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6-33

El rel de tierra se debe ajustar con las corrientes en falla monofsica; la corriente de carga no

se tiene en cuenta en estos rels a excepcin de los sistemas de distribucin en donde existe

una fuerte corriente de desbalance, utilizndose un ajuste mnimo de 0.1 Imx.de carga de la

lnea.

Si existen dos ms lneas adyacentes, la falla debe ser asumida en la lnea que ocasione un

menor flujo de corriente por el rel que esta siendo ajustado.

La proteccin de sobrecorriente y la de fallas a tierra usualmente se aplican juntas bien sea con

tres dos rels para proteccin contra fallas entre fases, y un rel para proteccin contra fallas

a tierra. Cuando el sistema est sujeto a corrientes de fallas entre fases, el rel de tierra no

debera operar pero en ocasiones sucede que debido a la imprecisin de los transformadores

de corriente y a su diferente comportamiento, la corriente residual tiene un valor tal que puede

hacer operar el rel de proteccin de fallas a tierra localizado en dicha conexin, especialmente

cuando estos rels estn localizados en la conexin de un devanado en delta de un

transformador de potencia, ya que en este caso es normal efectuar un ajuste del rel de tierra

porque debe responder solamente para fallas a tierra en dicha conexin sin que sea necesario

tener en cuenta las fallas a tierra en el otro devanado del transformador. En este caso se

prefiere entonces utilizar el rel de sobrecorriente de tierra conectado despus de un

transformador de corriente de secuencia cero.

Para los rels de sobrecorriente de fase, los valores de ajuste normales varan en el rango

0.5 2.0 IN(corriente nominal).

Para los rels de sobrecorriente de tierra normalmente se encuentran dos rangos de valores de

puesta en trabajo: 0.1 0.4 IN y 0.2 0.8 IN (valor de la corriente secundaria de los

transformadores de corriente), se recomienda el uso del segundo valor cuando el ajuste

necesario es mayor del 20% (con el objeto de introducir menor calentamiento en el rel). En

sistemas en los cuales la resistencia de tierra es alta intencionalmente se reduce el nivel de

falla a tierra, se recomienda utilizar el rango de 0.1 0.4 IN.Los rels de tierra se coordinan de

una manera similar a los rels de fase, permitindose si se desea mayores valores del factor de

coordinacin.


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6-34

En vista de lo anterior ha sido necesario disear rels de sobrecorriente de tierra con elementos

muy sensitivos con el objeto de no efectuar ajustes demasiado bajos (por ejemplo con rels

electrnicos pueden obtenerse burdens del orden de 0.005 VA cuando su ajuste es del 0.1 IN.

Usualmente el burden de los rels de sobrecorriente no representa problema para los

transformadores de corriente excepto para los rels de tierra debido a sus bajos valores de

ajuste. El burden se puede expresar por:

ZI(Burden)VA 2=

Donde Ies la corriente de ajuste y Zla impedancia de la bobina.

'EJEMPLO 6.1:Un rel de sobrecorriente de tierra con un burden nominal de 3 VA (burden a la corriente

nominal), cuando su valor de ajuste sea de 20%, cual ser el burden impuesto?

A5NI =

"0.1225

VA3nominal

Z == "32)

NI(0.2

VA3ajuste

Z ==

( ) VA752(5)32NIZimpuestoBurden ===

75 VA sera el burden impuesto a la corriente nominal, burden que puede hacer saturar el

transformador de corriente al cual se conecta el rel.

El segundo paso en el ajuste de los rels del tipo tiempo inverso es el ajuste del tiempo de

operacin de tal forma que se obtenga selectividad con los rels de las lneas adyacentes. El

ajuste se efecta con las corrientes de falla mxima que pueden circular por el rel en

condiciones de generacin mxima; las fallas se suponen inmediatamente despus del

interruptor adyacente. Se debe asumir falla trifsica para ajuste de rels de fase y falla

monofsica para rels de tierra.

El ajuste de tiempo para lograr selectividad se efecta con condiciones mximas de falla,

porque si se obtiene selectividad bajo estas condiciones tambin se obtendr con corrientes

menores. En la Figura 6.19 se observa que el espacio en tiempo entre dos curvas incrementa a

medida que la corriente de ajuste disminuye, de esto se concluye que los rels de una cadena


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6-35

deben tener la misma caracterstica de operacin.

La diferencia de tiempo debe existir entre los tiempos de operacin de dos rels consecutivos

para lograr la correcta selectividad:

T1= T2+ TI2 + SG1+ F.S.

En donde: T1 = Tiempo de operacin del rel que se esta ajustando.

T2 = Tiempo de operacin del rel adyacente.

TI2 = Tiempo de operacin del interruptor adyacente.

Figura 6.19


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6-36

SG1 = Sobregiro o carrera del rel que se esta ajustando.

F.S. = Factor de seguridad.

El tiempo de sobregiro o sobre carrera slo es aplicable para los rels del tipo electromecnico.

En los catlogos de los fabricantes se incluye el tiempo de sobregiro de los rels; en general se

puede asumir un tiempo de 0.1.

El trmino TI2 + SG1+ F.S. se denomina factor de coordinacin, F.C.el cual se determina

como sigue:

FACTORES

Tipo de Interruptor 5 ciclos 8 ciclos

I2 (tiempo de apertura del interruptor) 0.08 0.13

SG1 (sobregiro)

Electromecnico 0.10 0.10

Estado slido 0.00 0.00

F.S. (Factor de Seguridad)

Mnimo 0.07 0.07

Mximo 0.17 0.17

F.C. (Factor de Coordinacin)

Mnimo electromecnico 0.25 0.30

Mximo electromecnico 0.35 0.40

Mnimo estado slido 0.15 0.20

Mximo estado slido 0.25 0.30

TIEMPO EN SEGUNDOS

Comnmente se utiliza un factor de 0.30 s para electromecnicos y 0.20 s para estado slido

para efectuar la coordinacin.

La curva de operacin del rel se selecciona de tal forma que en el punto de falla mxima exista

una separacin entre la curva del rel adyacente y la que se esta seleccionando igual a F.C.

El proceso de seleccin se ilustra en la Figura 6.20 Se observa en esta figura que se debe

empezar a coordinar desde el punto ms alejado de la fuente, obtenindose que los rels que

estn ms cerca de la fuente son los que ms tiempo requieren para su operacin


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6-37

Figura 6.20


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6-38

'EJEMPLO 6.2:Para la lnea de la Figura 6.21, ajustar la unidad de corriente temporizada en cada rel cuya

curva de operacin caracterstica es mostrada en la Figura 6.22, de tal modo que haya

coordinacin entre las protecciones para el cortocircuito ubicado.

DATOS:

Relacin CTs RCT1 = RCT2: 1000 : 5 A 200

Corriente Nominal Conductor: 960 A

Seleccionar un Time Dial TD de 0.5 para el rel 2.

! SOLUCIN:

Se selecciona un TAP (secundario) de ajuste previendo un 20 % de sobrecarga, es decir que la

corriente de arranque es de 6 A. Que llevados al primario son 1200 A.

Calculando la constante de ajuste M

91.2

6

200

3500

22 ===

TAP

RTC

I

M

CC

Se busca en la grfica caracterstica (Figura 6.22) y se encuentra un tiempo de ajuste para el

rel 2:

T2= 0.4 s

Figura 6.21


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6-39

La corriente que v el rel 2 en la falla es la misma por lo tanto;

91.26

200

3500

11 ===

TAP

RTC

I

M

CC

El tiempo de respuesta del rel 1 ser

T1= T2+ F.C.

F.C.= Factor de Coordinacin = 0.3 s

T1= 0.4 s + 0.3 s = 0.7 s

Con este tiempo T1 y para M 2.91 se relaciona en la curva caracterstica que TD se debe

ajustar el rel 1 para que haya coordinacin entre las protecciones.

Luego para el rel 1 se deber ajustar el TD en 0.9.

Figura 6.22


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6-40

6.7.2 SELECCIN DE LA CURVA DE OPERACIN DE LOS RELS

De acuerdo con la construccin del rel, se pueden obtener diferentes tipos de caractersticas

de operacin, que han sido mencionadas y presentadas.

Efectuar una definicin nica del tipo de curva que se debe utilizar para cada caso es imposible,

pero se pueden dar las siguientes recomendaciones [ 1 ] que son aplicables a todo nivel de

tensin:

Curvas o caractersticas extremadamente inversas se utilizan para:

# Coordinacin de fusibles.

# Coordinacin con corrientes normales momentneamente altas como la de

magnetizacin inicial de transformadores (inrush) y arranque de motores ( reconexin

de carga como en circuitos de distribucin).

# Cuando no varia mucho la corriente de cortocircuito con los cambios de generacin, o

sea en distribucin.

# Cuando la corriente de cortocircuito vara considerablemente del principio al fin de la

lnea (ZL>> ZS).

Caractersticas inversas se utilizan para:

# Cuando exista una alta impedancia de retorno.

# Cuando no vara considerablemente la corriente de cortocircuito entre el principio y el

fin (ZL= ZS, lneas cortas).

# Cuando no se requiere coordinar con los dispositivos de proteccin de cargas.

# Cuando se requiere un disparo relativamente rpido para corrientes bajas.

# Cuando vara la magnitud de la corriente de cortocircuito con los cambios de

generacin.

En trminos generales, en sistemas de alta tensin se requiere una caracterstica menos

inversa que para sistemas de distribucin industriales.


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6-42

El ajuste de los rels se complica cuando en la malla existe ms de una fuente de generacin y

cuando una parte de la malla hace parte de otra malla. En estos casos el ajuste se hace por

inspeccin o sea comprobando la operacin de todos los rels para todo tipo de falla; para

sistemas grandes y muy interconectados el ajuste de los rels se efecta con la ayuda de

computadores.

El uso de rels direccionales es aplicable para sistemas interconectados; sin embargo en

algunos casos los rels de fases pueden ser no direccionales como se ve en la Figura 6.24. Se

recomienda que los rels de tierra sean direccionales para poder lograr un ajuste sensitivo.

Generalmente la polarizacin de los rels direccionales de tierra se efecta con tensin de

secuencia cero obtenida de una conexin delta rota.

6.7.5 UTILIZACIN DE LOS RELS INSTANTNEOS

Los rels instantneos se utilizan cuando la corriente de cortocircuito en el sitio del rel es por lo

menos tres veces la corriente de cortocircuito en el extremo opuesto de la lnea. Los rels se

ajustan a la corriente que resultara de tener una falla localizada en un punto equivalente al 70%

de la longitud de la lnea.

Como se puede observar en la Figura 6.25a, la utilizacin de los rels instantneos reduce el

tiempo de operacin para la mayora de fallas (hasta el 70%).

Figura 6.23


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6-44

En la Figura 6.25b, se observa que se obtiene una ventaja adicional si se utilizan rels

instantneos, y sta consiste en que se puede reducir el tiempo, escoger una curva inferior,

ya que el factor de coordinacin se aplica no al principio de la lnea sino en el punto de

cubrimiento de rel instantneo, o sea hasta el alcance del rel instantneo.

Adicionando unidades de disparo instantneo a los rels de sobrecorriente de tiempo inverso se

suministra operacin de alta velocidad para fallas cercanas, permitiendo ajustes ms rpidos

para los rels adyacentes.

Una manera de obtener reducciones en el tiempo de disparo total del rel ms cercano a la

fuente de cortocircuito es utilizando rels de sobrecorriente con valores de puesta en trabajo

altos, de tal forma que operen para fallas cerca de su punto de instalacin pero no lo hagan con

la corriente mxima de falla que pueda fluir hacia el extremo remoto de la lnea; protegindose

entonces una porcin de la lnea con el rel instantneo y la restante con un rel de

sobrecorriente de tiempo inverso. Esto puede efectuarse siempre y cuando exista una diferencia

apreciable en el valor de la corriente de falla entre los extremos de la lnea (normalmente se

considera que la corriente de falla en el extremo donde se localiza el rel sea por lo menos tres

veces el valor de la corriente de falla en el extremo remoto).

Debe tenerse en cuenta que debido a la componente de corriente directa el rel puede

sobrealcanzar el punto para el cual se ajusta con base en la corriente de cortocircuito de estadoestable (valor rms o eficaz) puesto que al ser de funcionamiento instantneo puede tenerse

valores para la corriente iguales hasta 2.5 veces el valor de la corriente de estado estable, por

esto los fabricantes acostumbran a disear dichos rels instantneos de tal forma que el

sobrealcance que puedan sufrir no sea de importancia y no se pierda la coordinacin y la

selectividad del sistema de protecciones.

El disparo instantneo puede utilizarse en alimentadores de distribucin si la falla cercana esta

entre 1.15 y 1.3 veces la mxima falla en extremo remoto, mientras ms grande sea esarelacin, mayor ser el porcentaje que de la lnea estar protegido. En trminos de las

constantes del sistema y los ajustes, el alcance o cubrimiento para una lnea puede

determinarse como sigue:

Ki

1KI)Ks(1n

+=


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6-45

n = Longitud protegida de la lnea por el rel instantneo

Corriente de ajuste de la unidad instantnea

Corriente mxima de falla e extremo remoto

Ks = ZS/ZL ZSes la impedancia de la fuente yZLes la impedancia de la lnea

Ki = Recomendado 1.3 para rels de tipo solenoide

1.15 para rels tipo cilindro

Figura 6.25

KI =


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6-46

6.7.6 DETECCIN DE FALLAS A TIERRA EN SISTEMAS NO PUESTOS A TIERRA

Aunque el funcionamiento de sistemas no puestos a tierra es una prctica que tiene ciertas

complicaciones, estos se encuentran en algunas ocasiones. La deteccin de las fallas a tierra

en estos sistemas no se puede efectuar por medio de rels de sobrecorriente ya que no existe

corriente de secuencia cero. El mtodo utilizado para detectar estas fallas consiste en utilizar

tres transformadores de potencial cuyos secundarios estn conectados en delta rota, con un

rel de sobrevoltaje y una resistencia a travs de la abertura en la delta, tal como se ilustra en la

Figura 6.26.

Este esquema es equivalente a poner a tierra el sistema a travs de una impedancia muy alta;

al ocurrir una falla a tierra alguna corriente de secuencia cero circular por el neutro del primario

de los PTs, lo cual aparecer como una tensin de secuencia cero en el rel, suficiente para su

funcionamiento.

En el Captulo 7, Ejemplo 7.1 se presenta el ajuste de una unidad de sobrecorriente para un

caso en particular.

Figura 6.26


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6-47

6.8 ESTRUCTURA DE LOS RELS ESTTICOS DE SOBRECORRIENTE

DIRECCIONAL

Un rel direccional de sobrecorriente de proteccin contra cortocircuitos es un rgano de

medicin de dos seales que responde al sentido de circulacin de la potencia aparente, y que

opera cuando esa potencia fluye hacia la lnea protegida por efecto de un cortocircuito. Se

utiliza en combinacin con un rgano de sobrecorriente para conformar protecciones

direccionales de sobrecorriente, entre otras aplicaciones.

El algoritmo ms sencillo para determinar el sentido de la potencia aparente del cortocircuito se

basa en calcular el ngulo de desfase entre V y corriente I, a partir de los estimados

fasoriales de estas seales. Dadas las componentes ortogonales de tensin Vsy Vcy corriente

Ise Icse tiene:

m#

cV

sV

arctanV

+= m#

cI

sI

arctanI

+=

Donde se hace m = 0para VC> 0 IC>0, y m = 1en caso contrario.

El desfase !entre tensin y corriente se calcula por:

IV =

El criterio de operacin del rel direccional se calcula por:

21


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6-48

En la Figura 6.28 se presenta a modo de ejemplo el diagrama de bloques de un rel direccional

esttico cuyo esquema de comparacin de fase se basa en la comparacin de los tiempos de

coincidencia y no coincidencia de las seales de entrada operacin. El rel consta de un bloque

1de formacin de seales de entrada al esquema de comparacin de fase, dos detectores de

cruce por cero 2y 3, un sumador 4, un comparador 5, un integrador 6, un detector de nivel 7yun elemento de salida 8.

En los detectores 2 y 3 se generan los pulsos cuadrados que portan informacin sobre los

instantes de cruce por cero de las seales e1y e2; esos pulsos se suman en el sumador 4y se

obtiene una seal contentiva de informacin sobre los tiempos de coincidencia (signos

diferentes) de las seales e1y e2, el comparador 5convierte esa seal en otra ms adecuada

para el integrador de tipo Miller. En el integrador 6se genera como seal de salida una tensin

rampa, cuyo valor aumenta durante la coincidencia y se reduce durante la no coincidencia. Esta

es precisamente la base de la comparacin del tiempo de coincidencia tccon el tiempo de no

coincidencia tn de las seales para cierta condicin tc > k tn (donde k es un coeficiente

constante), al terminar un ciclo de coincidencia y no coincidencia, en la salida del integrador

queda cierto valor de tensin, a partir del cual se inicia el ciclo siguiente, en el cual esa tensin

experimenta un incremento, y as sucesivamente; al cabo de cierto valor y hace operar el

elemento de salida 8 (se pone en conduccin un tiristor o se cierra el contacto de un rel

electromecnico auxiliar.

Figura 6.28


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6-49

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] Introduccin a los Rels de Proteccin. Carlos Felipe Ramrez G.,Meja Villegas S.A.,

Universidad Pontificia Bolivariana, Medelln, 1987.

[2] Applied Protective Relaying. J. L. Blackburn, Westinghouse Electric Corporation, 1979.

[3] Protective Relays. Application Guide. Gec Alsthom, Tercera Edicin, 1990.

[4] Guas para el Buen Ajuste y la Coordinacin de Protecciones del STN. Consultara

para Elaborar Manual de Procedimientos para la Coordinacin de Protecciones en el

CND realizada por Ingeniera Especializada S.A. para Interconexin Elctrica S.A.

Itagi- Antioquia, Julio de 2000.

[5] El Arte y Ciencia de la Proteccin por Relevadores. Russell Mason.

[6] Introduccin a los Relevadores y Sistemas Digitales de Proteccin, Dr Hctor Jorge

Altuve Ferrer, Universidad Autnoma de Nuevo Len. Facultad de Ingeniera Mecnica

y Elctrica. Monterrey, N.L, Mxico. Nov 1993.

[7] Proteccin de Sistemas Elctricos de Potencia, Dr Hctor Jorge Altuve Ferrer,

Universidad Autnoma de Nuevo Len. Facultad de Ingeniera Mecnica y Elctrica.

Monterrey, N.L, Mxico.

[8] Protective Relaying in Electric Power Systems, Titarenko M., Noskav-Dukelsky.

Segunda Edicin. Peace Publishers. Moscow, 1971.

[9] Notas de clase de Protecciones y Estabilidad dictada por el Ing. Orlando Ortiz Navas en

la Universidad Industrial de Santander. Ao 2000.

[10] Estrategias para la Proteccin de la Red. Programa de Formacin en Sistemas de

Energa Elctrica. Modulo III. Interconexin Elctrica S.A., ISA. Facultad de Minas,

Departamento de Electricidad y Electrnica. Universidad Nacional de Colombia, sede

Medelln. Julio Diciembre del ao 2000.

[11] Curvas del fabricante, Whestinghouse.

cap. 06 protección direccional de sobrecorriente

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