el uso del sistema carrier para la protección de línea de
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Instituto Politécnico Nacional.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
Unidad Profesional Zacatenco.
Proyecto terminal.
“El uso del sistema Carrier para la protección de
línea de transmisión”.
PRESENTAN:
Gil Mireles Héctor Miguel.
Pérez Calva Alejandro
ASESOR.
Dr. David Sebastián Baltazar.
CIUDAD DE MÉXICO 2016.
AGRADECIMIENTOS.
En primer lugar deseo expresar mi agradecimiento al asesor de este Proyecto,
Doctor David Sebastián Baltazar, por el tiempo y dedicación que brindó para
realización de este trabajo, por ofrecerme su ayuda al momento de expresarle
el tema a desarrollar.
A mis padres que con su ejemplo y educación formaron parte también de este
proyecto.
A mis hermanos que estuvieron conmigo en las buenas y en las malas.
A mi papa Héctor y mi mamá Cata que a pesar que mi mamá ya no se encuentra
conmigo, también fueron parte fundamental para que siguiera estudiando y sé
que donde se encuentre me está apoyando para que siga con mis proyectos.
A mis abuelitos Alfredo y Teresa por darme a mi padre que es el que me
enseñado a ser una persona de bien.
A mi amigo Alejandro Pérez Calva por colaborar también en este proyecto y así
poder lograr nuestra titulación.
Héctor Miguel Gil Mireles.
AGRADECIMIENTOS. A mis maestros quienes son nuestros guías en el aprendizaje, dándonos
nuestros últimos conocimientos para nuestro buen desenvolvimiento en la
sociedad, pero en especial quiero agradecer al Dr. David Sebastián por haber
aceptado la realización de este proyecto bajo su dirección. Por su importante
aporte y participación activa en el desarrollo del trabajo. Debo destacar, por
encima de todo, su disponibilidad y paciencia que hicieron posible concluir este
proyecto.
A mis padres que me apoyaron con su cariño incondicional a quienes sin
escatimar esfuerzo alguno, han sacrificado gran parte de su vida para
formarme y educarme con buen ejemplo y con valores que han inculcado en mí.
A mis hermanos por siempre haberme dado su fuerza y apoyo incondicional que
me han ayudado y llevado hasta donde estoy ahora.
A mis abuelitos a quienes jamás encontrare la forma de agradecer el cariño,
apoyo y consejos brindados, que me ayudaron a concluir esta meta tan
importante en mi vida.
A dios por acompañarme todos los días.
A mis amigos y compañeros por formar parte de esta aventura y siempre
quedaran en mis recuerdos, pero en especial a mi amigo Héctor Miguel Gil
Mireles por ser parte de este proyecto, porque en esta armonía de
colaboración y participación hemos logrado nuestra titulación.
Alejandro Pérez Calva
i
CONTENIDO. Pág. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. ......................................................................................................................... 1
1.1 Introducción. ...................................................................................................................................... 1
1.2 Objetivo.............................................................................................................................................. 2
1.3 Objetivos específicos. ........................................................................................................................ 2
1.4 Justificación. ....................................................................................................................................... 2
1.5 Análisis de la problemática ................................................................................................................ 2
1.6 Estructura de la tesis. ......................................................................................................................... 3
CAPÍTULO 2. SISTEMAS DE COMUNICACIONES EN LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN. ............................................ 4
2.1 Introducción. ...................................................................................................................................... 4
2.2 Sistema de comunicación Carrier. ..................................................................................................... 5
2.2.1 Introducción. ................................................................................................................................... 5
2.2.2 Elementos de un sistema de comunicación Carrier. ...................................................................... 5
2.2.3 Protección de líneas de transmisión por sistema de comunicación Carrier................................... 7
2.3 Sistema de comunicación con fibra óptica. ....................................................................................... 9
2.3.1 Introducción. ................................................................................................................................... 9
2.3.2 Características y estructura de la comunicación por medio de fibra óptica. ................................ 9
2.4 Comunicación vía microondas. ........................................................................................................ 12
2.4.1 Introducción. ................................................................................................................................. 12
2.4.2 Ventajas. ....................................................................................................................................... 13
2.4.3 Desventajas. .................................................................................................................................. 13
CAPÍTULO 3. PROTECCIÓN PILOTO. .............................................................................................................. 14
3.1 Introducción. .................................................................................................................................... 14
3.2 Protección por hilo piloto. ............................................................................................................... 14
3.2.1 Clasificación de los sistemas piloto. .............................................................................................. 17
3.3 Principio de funcionamiento del sistema de comunicación Carrier. ............................................... 18
3.3.1 Inconvenientes en el uso del canal de comunicación Carrier. ..................................................... 21
3.3.2 Aplicación del sistema de comunicación Carrier en protecciones. ............................................. 21
3.3.2.1 Comparación direccional o tipo de bloqueo. ............................................................................. 21
3.4 Principio de funcionamiento del sistema de comunicación de fibra óptica. ................................... 25
3.4.1 Técnicas de modulación. ............................................................................................................... 25
3.4.2 Comunicaciones de banda ancha. ................................................................................................ 26
3.4.3 Comunicación asíncrona / síncrona. ............................................................................................. 27
3.4.4 Aplicación del sistema de comunicación de fibra óptica en protecciones por comparación de
fase. ........................................................................................................................................................ 33
3.4.4.1 Comparación fase: canales de audio o tono por fibra óptica. ................................................... 33
3.5 Aplicación del sistema de comunicación microondas. .................................................................... 38
3.5.1 Introducción. ................................................................................................................................. 38
3.5.2 Aplicación del sistema de comunicación microondas en la protección. ...................................... 40
CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN OPLAT EN LA SUBESTACIÓN SAN PEDRO –
SAN JOSÉ. ....................................................................................................................................................... 41
4.1 Introducción. .................................................................................................................................... 41
4.2 Conexión del sistema de comunicación Carrier entre las subestaciones propuestas. .................... 41
4.3 PUTT (Permissive Underreaching Transfer Trip): disparo transferido en subalcance permisivo. ... 43
4.4 DTT (Direct Transfer Trip) disparo transferido directo. ................................................................. 44
CAPÍTULO 5. CASO DE ESTUDIO. ................................................................................................................... 45
5.1 Introducción. .................................................................................................................................... 45
5.2 Red de prueba. ................................................................................................................................. 45
5.3 Corrientes de corto circuito trifásicas, entregadas por el software. ............................................... 48
5.4 Corrientes de corto circuito de línea a tierra. .................................................................................. 51
5.5 Relevador de distancia (21). ............................................................................................................ 56
5.6 Zonas de protección. ........................................................................................................................ 57
5.7 Ajuste del relevador de distancia (21). ............................................................................................ 57
CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES. ....................................................................................................................... 62
Referencias. ................................................................................................................................................... 63
ANEXO A. Cálculos de corto circuito. ............................................................................................................. 65
ANEXO B. Tablas de relaciones de transformación para transformadores de corriente y de potencial. ...... 75
ANEXO C. Simbología. ................................................................................................................................... 76
ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 2.1. Equipo Carrier y sistema de acoplamiento. ................................................................................... 6
Figura 2.2 Esquema general de protección por medio de relevador. ............................................................. 7
Figura 2.3 Relevador de distancia: esquema sobre alcance. ........................................................................... 7
Figura 2.4 Estructura de la fibra óptica ............................................................................................................ 9
Figura 2.5 Enlace de comunicación a base de fibra óptica. ........................................................................... 11
Figura 2.6 Ejemplo de sistema de comunicación por microondas. ............................................................... 12
Figura 3.1 Protección y supervisión del hilo piloto y de los equipos terminales. .......................................... 15
Figura 3.2 Esquema general canal de onda portadora una fase de una L .T. ................................................ 19
Figura 3.3 a) Sistema de alimentación y el diagrama de ajuste del relé. b) Diagrama lógicos de estado
sólido. c) Diagrama lógicos de contacto. ....................................................................................................... 23
Figura 3.4 Interfaz estándar eléctrico RS-232. ............................................................................................... 29
Figura 3.5 Interfaz estándar eléctrico RS-485. ............................................................................................... 30
Figura 3.6 Relevador de protección diferencial marca Siemens Modelo: SIPROTEC 7SD5. ......................... 32
Figura 3.7 Relevador de protección diferencial marca Siemens Modelo: SIPROTEC 7SD6 ........................... 33
Figura 3.8 Principios de funcionamiento básicos del sistema piloto de comparación de fase;
comparaciones individuales de media onda a través de canales de tonos de audio: (a) los diagramas
lógicos de sistemas; (b) el funcionamiento del sistema típico par. ............................................................... 35
Figura 3.9 Sistema de comunicación por medio de fibra óptica. .................................................................. 37
Figura 3.10 Diagrama del canal de comunicación microondas. .................................................................... 38
Figura 3.11 Diagrama que ejemplifica de manera general el principio de funcionamiento de la protección
por Comparación Direccional. ....................................................................................................................... 40
Figura 4.1 Red del sistema de comunicación Oplat entre las subestaciones. ............................................... 41
Figura 4.2 Diagrama de servicios teleprotecciones en la línea de transmisión entre las subestaciones “San
Pedro-San José”. ............................................................................................................................................ 42
Figura 4.3 Principio de funcionamiento de un PUTT. .................................................................................... 44
Figura 4.4 Principio de funcionamiento de un DDT. ...................................................................................... 44
Figura 5.1 Red de prueba. .............................................................................................................................. 45
Figura 5.2 Conexión del relevador de distancia. ............................................................................................ 59
Figura 5.3 Aplicación de los canales de comunicación en la teleprotección con el esquema PUTT. ............ 60
Figura A-1 Diagrama de secuencia positiva. .................................................................................................. 65
Figura A-2 Diagrama de secuencia negativa. ................................................................................................. 66
Figura A-3 Diagrama de secuencia cero......................................................................................................... 70
ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 5.1 DATOS INICIALES DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA. ....................................................................... 46
Tabla 5.2 VALORES P.U NUEVOS DEL CIRCUITO PARA INTRODUCIR EN EL PROGRAMA. ............................................ 47
Tabla 5.3 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 3. ........................................ 49
Tabla 5.4 VALORES DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA CONECTADA EN EL
BUS 3. .............................................................................................................................................................. 49
Tabla 5.5 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U EN EL BUS 3 .................................. 49
Tabla 5.6 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 4. ........................................ 49
Tabla 5.7 VALORES DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA CONECTADA EN EL
BUS 4. .............................................................................................................................................................. 50
Tabla 5.8 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U EN EL BUS 4. ................................. 50
Tabla 5.9 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 5. ........................................ 50
Tabla 5.10 VALORES DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA CONECTADA EN EL
BUS 5. .............................................................................................................................................................. 51
Tabla 5.11 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U EN EL BUS 5. ............................... 51
Tabla 5.12 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 3. ................................. 51
Tabla 5.13 VALORES DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA CONECTADA
EN EL BUS 3. ..................................................................................................................................................... 52
Tabla 5.14 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U EN EL BUS 3. ......................... 52
Tabla 5.15 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICA EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 4. ................................. 52
Tabla 5.16 VALORES DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA CONECTADA
EN EL BUS 4 ...................................................................................................................................................... 53
Tabla 5.17 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U EN EL BUS 4. ......................... 53
Tabla 5.18 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 5. ................................. 53
Tabla 5.19 VALORES DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA CONECTADA
EN EL BUS 5. ..................................................................................................................................................... 54
Tabla 5.20 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U EN EL BUS 5. ......................... 54
Tabla 5.21 MATRIZ DE SECUENCIA POSITIVA. ...................................................................................................... 54
Tabla 5.22 MATRIZ DE SECUENCIA NEGATIVA. .................................................................................................... 55
Tabla 5.23 MATRIZ DE SECUENCIA CERO. ........................................................................................................... 55
Tabla A-1 MATRIZ DE Z BUS DE SECUENCIA POSITIVA Y NEGATIVA. .......................................................................... 69
Tabla A-2 MATRIZ DE Z BUS DE SECUENCIA CERO. ................................................................................................ 73
1
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN.
1.1 Introducción.
Hoy en día es de vital importancia la electricidad para la vida humana, ya que se volvió
un elemento fundamental para realizar las actividades cotidianas, desde la más común
hasta la más laboriosa de ellas, además este tipo de energía es indispensable para el
desarrollo tecnológico en todos los países del mundo.
La línea de transmisión es un elemento del sistema eléctrico de potencia, que es
utilizada para transportar la energía eléctrica desde su generación hasta la distribución
donde se ubican los usuarios. Las líneas de transmisión son los elementos más
propensos a fallas, debido a que están expuestas a la interperie. Por esta razón es
importante instalar esquemas de protección para proteger este elemento.
Algunos esquemas de protección requieren canales de comunicación para enviar y/o
recibir información del extremo remoto de la línea, dicha información es utilizada para
determinar si una falla está dentro o fuera de la línea protegida.
Existen otros sistemas de protección que no requieren canales de comunicación pero
requiere más tiempo para liberar la falla interna cuando esta se ubica cercana a uno de
los extremos de la línea de transmisión, y en su caso la ubicación de la falla.
Los sistemas de comunicaciones deben ser configurados junto con los relevadores de
protección para monitorear en tiempo y forma el estado en la que están operando las
líneas de transmisión, y en caso de una falla en la línea, los dispositivos de protección
deben identificar la ubicación de la falla y utilizar los canales de comunicación para
enviar de un extremo a otro dicha información, la cual ayuda a la lógica de operación de
los relevadores a tomar una acción de disparo o de bloqueo.
2
1.2 Objetivo.
Investigar el principio de funcionamiento de los canales de comunicación que se utilizan
para transmitir y recibir información proporcionada por las protecciones ubicadas en los
extremos de la línea de transmisión protegida con esquemas de teleprotección.
1.3 Objetivos específicos.
Estudiar el principio de operación del sistema “Carrier” de comunicación de alta
frecuencia para la transmisión de señales de protección.
Estudiar el principio de operación del sistema “Microondas” utilizado en el sistema de
protecciones.
Estudiar el principio de operación del sistema de “Fibra óptica” utilizado en el sistema de
protecciones.
Implementar el esquema de teleprotección para proteger una línea de transmisión de un
sistema eléctrico de potencia.
1.4 Justificación.
La protección de las líneas de transmisión de energía eléctrica requiere de tiempos de
respuesta rápida para la liberación de fallas en líneas de alta tensión, el esquema que
provee esta respuesta, requiere del sistema de comunicación para que entregue
información del extremo remoto de una línea, en particular cuando ocurre una falla.
1.5 Análisis de la problemática
Las líneas de transmisión están sometidas a diversos fenómenos que producen distintos
tipos de fallas, para afrontar tales problemas se debe contar con un sistema de
protección que actúen rápidamente para no dañar al resto de los elementos del sistema.
3
1.6 Estructura de la tesis.
Capítulo I. En este capítulo se describe la importancia de contar con los sistemas de
protección en una línea de transmisión de energía eléctrica, así como la descripción del
porque se requieren canales de comunicación entre los equipos de protección para
lograr el disparo de la línea fallada en el momento de que ocurra una falla.
Capítulo II. En este capítulo se describen las características básicas de los diferentes
tipos de canales de comunicación como lo son: el sistema Carrier, la Fibra óptica y el
sistema de Microondas que son los más comunes en México, para ser implementados
en los esquemas de protección de los Sistemas Eléctricos de Potencia, particularmente
en la protección de líneas.
Capítulo III. En este capítulo se describe el principio de funcionamiento de la protección
piloto, así como la implementación de los canales de comunicación en sus diferentes
esquemas de protección y su funcionamiento.
Capítulo IV. En este capítulo se propone un canal de comunicación entre dos
subestaciones localizadas en los extremos de la línea del caso de estudio, en esta
sección describe los elementos que componen el canal de comunicación y su
funcionamiento en una línea de transmisión de energía eléctrica.
Capítulo V. Se propone un caso de estudio del sistema de protección para una línea de
transmisión, empleando un canal de comunicación que permite mantener informado a
los relevadores de lo que sucede a lo largo de la línea protegida.
Capítulo Vl. En este capítulo se describe brevemente los resultados obtenidos durante
la realización de esta tesis.
4
CAPÍTULO 2. SISTEMAS DE COMUNICACIONES EN LA LÍNEA DE
TRANSMISIÓN.
2.1 Introducción. En los sistemas eléctricos de potencia requieren de diferentes esquemas de
protecciones, entre ellos hay un esquema conocido como protección piloto que emplean
canales de comunicación, a continuación se describen brevemente cada uno de ellos:
1. Cables piloto: Es un par de hilos trenzados para la transmisión de señales de
frecuencia a 60 o 50 Hz entre las terminales. Originalmente se utilizaron pares
telefónicos, y se prefieren los pares dedicados de propiedad privada.
2. Tonos de frecuencia de audio: on-off o tipos de desplazamiento de frecuencia a
través de pares de cables, respaldado en la línea de alimentación, o de
microondas.
3. Power- line Carrier: Las frecuencias de radio entre 30 y 300 kHz, estos se
transmiten principalmente a través de líneas de transmisión de alta tensión.
4. Microondas: Señal de radio entre 2 y 12 GHz, que se transmite por la línea, visible
entre terminales. Se emplean canales con la protección de una subportadora o
tono de audio.
5. Canal digital: Tipos de medios de comunicación incluyen la fibra óptica dedicada
(fibra oscura) o redes multiplexadas. Redes multiplexadas incluyen multiplexación
T1, SONET, microondas digital, y enlaces de radio. Si la empresa es propietaria,
entonces los cables de fibra óptica se pueden incrustar en el cable de tierra,
envuelto alrededor del cable de energía, o enterrados a lo largo del paso. Los
canales digitales también pueden ser liberados de telecomunicaciones fuera de la
empresa.
En este capítulo se describen las características básicas de los principales canales de
comunicación utilizados aquí en México como son el sistema Carrier, la Fibra óptica y
microondas.
.
5
2.2 Sistema de comunicación Carrier.
2.2.1 Introducción.
Este es un sistema de comunicación mediante el cual la propia línea de transmisión se
usa como un circuito de comunicación, las señales se aplican a las tres fases a través de
redes de circuitos Inductivos-Capacitivos, y divisores de voltaje, operando con rangos de
frecuencia que pueden ir de 30 a 300 kHz. Las señales se restringen a la línea por filtros
de bloqueo en cada extremo de la línea de transmisión y que se conocen como “trampas
de línea” (trampas de onda).
2.2.2 Elementos de un sistema de comunicación Carrier.
El sistema Carrier se compone de los siguientes elementos:
a) Unidad emisora-receptora (con una gama de frecuencias comprendida entre
los 30 y 250 kHz).
b) La unidad sintonizadora, sirve para efectuar la sintonización de la línea a la
frecuencia deseada.
c) Un condensador de alta tensión de acoplamiento para la introducción de la
frecuencia Carrier a la línea.
Con el equipo de comunicación Carrier, la energía de radio frecuencia se acopla a la
línea de transmisión de potencia eléctrica por medio de un capacitor como se muestra
en la figura 2 .1:
6
Figura 2.1. Equipo Carrier y sistema de acoplamiento.
Dónde:
- Capacitor de acoplamiento: es un conjunto de capacitores en serie montados dentro
de una porcelana cilíndrica de dimensiones apropiadas al nivel de tensión empleado.
- El reactor en derivación: tiene entre otras, la función de proporcionar una trayectoria
de baja impedancia para el flujo de corriente y así minimizar el voltaje del punto de
conexión a tierra.
- El sintonizador de línea: consiste esencialmente de una inductancia variable para
ajustar el transmisor y el receptor al capacitor de acoplamiento y a la línea de
transmisión
- La trampa de onda (trampa de línea): se ajusta para ofrecer una alta impedancia al
flujo de corriente, a la frecuencia del sistema y tiene básicamente dos funciones:
1).- Reducir las interferencias con canales de comunicación vecinos o equipos Carrier
cercanos.
2).- Prevenir una falla externa corto-circuitando la señal del Carrier en la línea de
transmisión protegida.
7
2.2.3 Protección de líneas de transmisión por sistema de comunicación Carrier.
El uso del sistema Carrier en protecciones, requiere de relevadores tipo impedancia
direccionales o de relevadores tipo reactancia convencional. Cuando los relevadores de
ambos extremos indican a partir del sentido del flujo de energía en la línea protegida que
existe una falla, entonces ocasiona que no se efectúe la transmisión de ninguna señal
Carrier, esto habilita ambos relevadores para que actúen rápidamente. Cuando uno de
los relevadores en los extremos identifica por el sentido del flujo energía que la falla está
fuera de la línea protegida, entonces transmite una señal Carrier al extremo opuesto,
para efectuar el bloqueo del disparo de los relevadores de la subestación, como se
observa en la figura 2.2. El ajuste de los relevadores de fase y tierra controlados por el
sistema Carrier, siempre permite que estos observan la impedancia más allá del extremo
opuesto de la línea. [1]
Figura 2.2 Esquema general de protección por medio de relevador.
Figura 2.3 Relevador de distancia: esquema sobre alcance.
8
FD (FORWARD DIRECTION): detección de una falla hacia adelante (hacia el lado de la
línea protegida). [2]
T: transmisión de teleprotección.
R: recepción de teleprotección.
F: señal emitida de teleprotección.
Falla externa en el bus G a la izquierda de la línea protegida.
Relevador 1 en el bus G. La unidad FD1 no opera por que no ha visto la falla, por lo
tanto el transmisor (TG) manda un cero por el canal de comunicación, hacia el receptor
(RH) y a la compuerta AND del bus H.
Relevador 2 en el bus H. La unidad FD2 opera por que detectó la falla, por lo tanto el
transmisor (TH) manda un “1” por el canal de comunicación al receptor (RG) y a la
compuerta AND del bus G.
En consecuencia ambas compuertas AND del bus G y AND del bus H no operan para
una falla externa, porque en sus entradas hay un “1” y un “0”, por lo cual no se activan y
esto hace que los relevadores no operen para dicha falla (ver figura 2.3).
Falla interna en la línea protegida.
Relevador 1 en el bus G. La unidad FD1 opera por que detectó la falla, por lo tanto el
transmisor (TG) manda un “1” por el canal de comunicación al receptor (RH) y a la
compuerta AND del bus H.
Relevador 2 en el bus H. La unidad FD2 opera por que detectó la falla, por lo tanto el
transmisor (TH) manda un “1” por el canal de comunicación al receptor (RG) y a la
compuerta AND del bus G.
Así que las compuertas AND del bus G y AND del bus H operan para la falla interna,
porque en sus entradas hay dos “1”, por lo cual se activan y esto hace que los
relevadores operen para dicha falla y la libren (ver figura 2.3).
9
2.3 Sistema de comunicación con fibra óptica.
2.3.1 Introducción. Uno de los medios más recientes incorporados a las telecomunicaciones es la llamada
fibra óptica, cuya aplicación en los sistemas eléctricos se ha dado en forma extensiva
para transmisión de señales de alta tensión y gran potencia, y más recientemente para
transmisión de información analógica y digital de las líneas para su control y protección.
2.3.2 Características y estructura de la comunicación por medio de fibra óptica.
La fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica que opera a frecuencias ópticas.
La información es transmitida como radiación óptica, así la transmisión está basada en
el concepto de reflexión total. Una característica importante es la inmunidad a la
interferencia electromagnética y a la intrusión, y no producen interferencias.
Tienen un gran ancho de banda y alcance, soporta velocidades de Gigabits/s en
decenas de Kms, sin equipos adicionales.
Algunas características son:
-Tamaño y peso reducido.
-Necesitan transconductores (dispositivos optoelectrónicos)
-La amplificación y “routing” ó distribución que es más complicada.
Figura 2.4 Estructura de la fibra óptica
10
Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y
germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar
con un índice de refracción ligeramente menor, como se ve en la figura 2.4. Cuando la
luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran
parte, cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se
habla entonces de reflexión interna total.
En el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos
muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se
pueden guiar las señales luminosas, sin pérdidas aun en largas distancias.
A lo largo de toda la creación y desarrollo de la fibra óptica, algunas de sus
características han ido cambiando para mejorarla. Las características más destacables
de la fibra óptica en la actualidad son:
Cobertura más resistente: La cubierta contiene un 25% más material que las
cubiertas convencionales.
Uso dual (interior y exterior): La resistencia al agua y emisiones ultravioleta, la
cubierta resistente y el funcionamiento ambiental extendido de la fibra óptica
contribuyen a una mayor confiabilidad durante el tiempo de vida de la fibra.
Mayor protección en lugares húmedos: Se combate la intrusión de la humedad en
el interior de la fibra con múltiples capas de protección alrededor de ésta, lo que
proporciona a la fibra, una mayor vida útil y confiabilidad en lugares húmedos.
Empaquetado de alta densidad: Con el máximo número de fibras en el menor
diámetro posible se consigue una rápida y fácil instalación, donde el cable debe
enfrentar dobleces agudos y con espacios estrechos. Se ha llegado a conseguir
un cable con 72 fibras de construcción, súper densa cuyo diámetro es un 50%
menor al de los cables convencionales.
11
Las ventajas principales que ofrece la fibra óptica con respecto a otros sistemas de
comunicación son los siguientes:
No tiene interferencia con otros sistemas de comunicación.
No se afecta por condiciones ambientales (descargas atmosféricas, tormentas
eléctricas, etc).
La fibra óptica para líneas de comunicación, es normalmente una fibra de vidrio muy
delgada que tiene un diámetro de 100 a 200 micrómetros ( y tiene la
particularidad de tener una baja atenuación.
Un enlace de comunicación a base de fibra óptica tiene los siguientes elementos
principales como se ve en la figura 2.5.
Figura 2.5 Enlace de comunicación a base de fibra óptica.
12
2.4 Comunicación vía microondas.
2.4.1 Introducción.
Básicamente un enlace vía microondas consiste en tres componentes fundamentales: el
transmisor, el receptor y el canal aéreo.
Figura 2.6 Ejemplo de sistema de comunicación por microondas.
La estación transmisora es la responsable de modular una señal digital a la frecuencia
utilizada para transmitir, el canal aéreo representa un camino abierto entre el transmisor
y el receptor, y como es de esperarse la estación receptora es la encargada de capturar
la señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital como se muestra en la figura 2.6.
La ingeniería de microondas/milimétricas tiene que ver con todos aquellos dispositivos,
componentes y sistemas que trabajen en el rango de frecuencias de 300 a 300
. Debido al amplio margen de frecuencias, tales componentes encuentran su
aplicación en diversos sistemas de comunicación. [3]
13
2.4.2 Ventajas.
Antenas relativamente pequeñas son efectivas.
A estas frecuencias las ondas de radio se comportan como ondas de luz, por ello la
señal puede ser enfocada utilizando antenas parabólicas y antenas de embudo,
además pueden ser reflejadas con reflectores pasivos.
Otra ventaja es el ancho de banda, que va de 2 a 24 GHz.
2.4.3 Desventajas.
Las frecuencias son susceptibles a un fenómeno llamado Disminución de
Multicamino (Multipath Fanding), lo que causa profundas disminuciones en la potencia
de las señales recibidas.
A estas frecuencias de operación, las pérdidas ambientales se transforman en un factor
importante, ya que la absorción de la potencia causada por la lluvia puede afectar
dramáticamente el desempeño del canal.
14
CAPÍTULO 3. PROTECCIÓN PILOTO.
3.1 Introducción.
En este capítulo se describe los conceptos básicos de la protección piloto, su principio
de funcionamiento y los canales de comunicación que se pueden agregar para la
protección de una línea de trasmisión.
3.2 Protección por hilo piloto.
Este canal consiste en un par de conductores, generalmente de tipo telefónico, por
donde la información puede transmitirse mediante señales de corriente directa
(actualmente en desuso), o de corriente alterna a frecuencias del sistema (50 ó 60 Hz),
esta es la variante más difundida, o bien de corriente alterna con una frecuencia del
orden de 1000 a 3000 Hz (tonos de audio). Estos conductores deben de ser
subterráneos para garantizar un nivel adecuado de confiabilidad del canal; no se
recomienda utilizar conductores aéreos para esta finalidad, aunque esta variante se
aplica en la práctica. Existen valores límites admisibles de la resistencia en serie y la
capacidad en paralelo del hilo piloto; aunque se dispone de medios para compensar
parcialmente los efectos de estos parámetros sobre el funcionamiento del canal, estos
constituyen restricciones a la longitud del canal y al calibre mínimo de conductor a
utilizar. No es recomendable la aplicación de la protección por hilo piloto en longitudes
donde las líneas son superiores a 25 Km.
La Protección piloto es utilizada para las líneas de transmisión y ofrece las posibilidades
de detección simultánea desde ambos extremos, a alta velocidad de protección, tanto
para fallas de fase, como de fallas a tierra sobre el 100% de la línea protegida. La
protección primaria, puede ser un tipo de protección diferencial donde las cantidades en
los extremos se comparan via canal de comunicación, en lugar de ser realizada por una
interconexión de hilos, esto se hace directo a los dispositivos de entrada del relevador.
15
Este último es poco práctico debido a las distancias entre los extremos de una línea
larga. Los esquemas diferenciales, proporcionan protección de la zona primaria, pero
sin respaldo. Por lo tanto, no requieren coordinación con la protección del elemento
adyacente, a menos que se incluya un respaldo como parte del esquema piloto.
Los diferentes elementos que componen la protección y supervisión del hilo piloto en
cada una de las terminales de la línea de transmisión, se muestran en la figura 3.1.
Figura 3.1 Protección y supervisión del hilo piloto y de los equipos terminales.
El relevador piloto (RP) se conecta al canal a través del transformador de corriente (TC),
con una relación de transformación del orden de 1 a 6, y un aislamiento con respecto a
tierra, capaz de soportar alrededor de 15 kV en el lado de alta. La protección contra
sobrevoltajes por inducción electromagnética se logra con el descargador (D) (tubo de
descarga), que permite la descarga a tierra de cualquiera de los dos conductores en el
que haya ocurrido un sobrevoltaje. Los reactores de drenaje (RD) tienen dos funciones:
1. Hace que los dos conductores sean puestos a tierra por el descargador,
aunque solo uno de ellos tenga sobrevoltaje, para evitar la aparición de
un sobrevoltaje transitorio entre conductores que pudiera provocar la
operación incorrecta de la protección.
2. Evita que durante la descarga a tierra, exista algún posible cortocircuito
entre los conductores que impida la transmisión normal de la señal por el
canal.
La protección contra sobrevoltaje por elevación del potencial en la malla de tierra de la
16
subestación, se brinda con el reactor de neutralización de dos devanados, esta
corriente de magnetización circula entre la malla de tierra y la tierra del extremo remoto
a través de los capacitores (C1) y la capacitancia distribuida a tierra del hilo piloto. A
través de estos reactores aparece la diferencia de potencial existente entre la malla de
tierra y la tierra del extremo remoto, por esta razón los conductores piloto tienen
prácticamente el potencial de la tierra del extremo remoto, mientras que el lado que
corresponde al transformador de aislamiento se encuentra al potencial de la malla de
tierra. El reactor (RN) presenta una baja impedancia al paso de la señal normal de
protección. Esta protección también puede brindarse con un transformador de
neutralización (RN) que desempeña la misma función que el reactor, pero se conecta
en forma diferente. La protección contra sobrevoltaje por elevación del potencial de la
malla de tierra no es necesaria, si los aislamientos a tierra del transformador de
aislamiento y el hilo piloto son capaces de soportar dicha elevación de potencial.
En la figura 3.1 se designa con la letra (a) las tierras correspondientes a la malla
de tierra de la subestación, y con la (b) las correspondientes a la tierra del extremo
remoto. En el caso del descargador (D), que se encuentra en la subestación, requiere
ser conectado a una tierra remota, y es necesario hacer la conexión mediante un
conductor aislado que se pone a tierra fuera de los límites de la subestación.
El relevador de supervisión (RS) se conecta al canal a través del capacitor C1,
colocado entre los dos devanados del transformador de aislamiento. [4]
17
3.2.1 Clasificación de los sistemas piloto.
Los sistemas de protección piloto pueden clasificarse en dos categorías:
1. Mediante el uso del canal:
a. Canal no necesario para operaciones de disparo; conocido como sistemas de
bloqueo.
b. Canal requerido para operaciones de disparo; conocido como sistemas de
transferencia de disparo.
2. Por principio de detector de falla (FD): La comparación en los extremos de la
línea.
a. Flujo de energía, conocido como comparación direccional.
b. La posición de fase relativa de las corrientes, conocida como comparación de
fase.
c. Deflexión de la onda de una falla: Es un nuevo sistema de ultra-alta velocidad
relativa con aplicación principalmente a las líneas de transmisión EHV.
Un esquema particular generalmente se describe o se identifica mediante una
combinación de estas dos categorías. Los principales sistemas en uso pueden ser
identificados más específicamente:
A. Sistemas de comparación direccionales:
1. Bloqueo por comparación direccional.
2. Desbloqueo por comparación direccional.
3. Disparo transferido Extralimitado.
4. Disparo transferido de sub-alcance.
a. No permisivo.
b. Permisivo
18
B. Sistemas basados en la corriente:
1. Corriente diferencial.
a. hilo piloto AC.
b. Corriente diferencial Digital.
2. Comparación de fase.
a. Comparación Monofásica: bloqueo
b. Comparación de doble fase: desbloqueo
c. Comparación de doble fase: Viaje de transferencia
d. Comparación de fase separada.
3.3 Principio de funcionamiento del sistema de comunicación Carrier.
La protección con hilo piloto utiliza cualquiera de los cables o canales de transmisión y
ha demostrado ser una solución muy eficaz para los problemas de las líneas de
transmisión de tres terminales.
Existen dos tipos comunes de protección piloto convencional, conocida como
comparación direccional o tipo de bloqueo que utiliza hilo piloto o canales de
telecomunicación por corriente portadora en corriente directa y en segundo lugar, el tipo
de dos hilos piloto en corriente alterna. [5]
En la figura 3.2 se muestra el esquema general del canal de onda portadora de una fase
de una línea de transmisión. El canal está formado por:
1. Los conductores de la línea protegida (las tres fases participan en la
propagación de la señal, aun cuando la señal se aplique a una sola fase).
2. Trampas de onda.
3. Capacitores de acoplamiento.
4. Reactores de drenaje.
19
5. Sintonizadores.
6. Transmisores receptores.
Figura 3.2 Esquema general canal de onda portadora una fase de una L .T.
Las trampas de onda son circuitos paralelos resonantes que constituyen medios de alta
impedancia a la señal de radiofrecuencia, y de baja impedancia a la señal de frecuencia
del sistema. Su función es evitar las pérdidas de señal de onda portadora hacia las
barras de las subestaciones adyacentes, lo que reduce la señal en la dirección deseada
y origina interferencias en los canales cercanos de onda portadora. Las trampas de
onda también evitan que las fallas externas a la línea protegida constituyan
cortocircuitos para las señales de onda portadora de la línea. Las trampas de onda se
diseñan para permitir la circulación continua de la corriente normal de la línea con
pérdidas reducidas, y para soportar la máxima corriente de cortocircuito de la línea.
Existen distintos tipos de trampas de onda, que pueden sintonizarse a una o dos
frecuencias, o a toda una banda de frecuencias.
La señal de radiofrecuencia generada por cada transmisor-receptor se aplica a la línea
de transmisión a través de los capacitores de acoplamiento, compuestos por un
conjunto de capacitores en serie, montados dentro de un aislador de porcelana. Los
sintonizadores que por lo general están situados en la base de los capacitores de
acoplamiento, garantizan la adaptación de la impedancia entre el cable coaxial de la
salida de los transformadores-receptores y la línea de transmisión; cada sintonizador
está conformado con el capacitor de acoplamiento, un filtro pasa-banda que puede
20
estar sintonizado a una, dos o toda una banda de frecuencias de la señal de onda
portadora. Por otra parte, los capacitores de acoplamiento presentan una impedancia
muy alta a la señal de frecuencia del sistema (50 a 60 Hz) de la línea de transmisión.
Los reactores de drenaje que por lo general también están montados en las propias
unidades de capacitores de acoplamiento, constituyen un paso de baja impedancia al
flujo de la corriente de frecuencia del sistema a través de los capacitores a tierra, con lo
que se evita que aparezcan altos valores de voltaje de esa frecuencia entre los puntos
(a) y tierra (figura 3.2). Por otra parte, a las frecuencias de onda portadora los reactores
tienen una alta impedancia, lo que reduce el nivel de pérdidas de esa señal a tierra en
ese punto. Por lo general, en una conexión en paralelo con los reactores de drenaje
donde se colocan descargadores para protección contra sobrevoltajes. En algunas
instalaciones, sobre todo para líneas de 500 kV o voltajes superiores, las unidades de
capacitores de acoplamiento se utilizan también como transformadores de potencial
capacitivos.
La interacción de los relevadores de protección con los transmisores-receptores del
canal de una onda portadora es bidireccional: las señales de salida de los relevadores
de protección controlan el arranque y paro de la transmisión de señal de
radiofrecuencia. Las líneas aéreas de transmisión tienen impedancias características
del orden de 200 a 500 ohms de fase a tierra; el canal de onda portadora hace la
adaptación a esta impedancia para obtener la condición de máxima transferencia de
potencia a la radiofrecuencia. Las derivaciones y otras discontinuidades de la línea de
transmisión pueden dar lugar a grandes pérdidas de las señales. La aplicación de los
sistemas de onda portadora a los cables de potencia es prácticamente imposible,
debido a que tienen valores bajos de impedancia característica y pérdidas mayores a
las líneas aéreas.
En los canales de onda portadora es de gran importancia mantener la atenuación de la
señal en niveles aceptables; la atenuación tiene lugar en todos los elementos del canal,
y especialmente en la línea de transmisión, y depende de un gran número de factores.
La atenuación de la señal constituye una de las limitaciones fundamentales para la
máxima longitud de línea utilizable como canal de onda portadora.
21
3.3.1 Inconvenientes en el uso del canal de comunicación Carrier.
Estos canales se ven afectados por ruidos o interferencias de distintos tipos, que
también limita la longitud admisible de la línea, al imponer un límite a la atenuación del
canal. Debido a las fuentes de ruido, entre ellos la de la propia línea (efecto corona, arco
del cortocircuito o de desconexiones en aire, operación de interruptores, etc.), y factores
externos, tales como canales cercanos de radiofrecuencia, descargas eléctricas
atmosféricas o estaciones de radio. El efecto de los ruidos generados por la propia línea
se atenúa con una selección adecuada del nivel de sensibilidad del receptor de señal; el
efecto de los ruidos de origen externo puede reducirse considerablemente con una
selección adecuada de las frecuencias de trabajo del sistema de onda portadora. Un
inconveniente de los canales de onda portadora (Carrier) es su posible afectación por la
presencia de un cortocircuito en la línea. El caso más crítico en este sentido es el
cortocircuito trifásico a tierra, aunque también puede afectarse bastante la propagación
de la señal durante cortocircuitos a tierra cercanos a la trampa de onda en la fase de la
línea donde está el canal.
3.3.2 Aplicación del sistema de comunicación Carrier en protecciones.
La aplicación del sistema de comunicación Carrier en la protección se realiza por medio
de los relevadores de comparación direccional que se describe a continuación.
3.3.2.1 Comparación direccional o tipo de bloqueo.
El canal portador arranca las unidades, las cuales deben configurarse de forma más
sensible o para llegar más allá del extremo de la línea (FD). En otras palabras, en la
figura 3.3 a, las unidades S1 en el interruptor 1.La protección en el bus G debe funcionar
para todas las fases o las fallas a tierra a la izquierda del interruptor 1 para que pueda
operar FD2 en el interruptor 2, del bus H. Del mismo modo, S2 debe funcionar para
22
todas las fallas de fases y fallas a tierra en el bus H y la derecha para que pueda operar
en FD1 ubicadas en el bus G. Normalmente, se utiliza un relevador de distancia de la
zona 3.
Un diagrama típico de la lógica de funcionamiento se muestra en la figura 3.3 b. Para los
cuadros lógicos, '' 1'' se utiliza para indicar una entrada lógica o señal de salida, y '' 0'' es
ninguna señal de salida. El cuadro de la lógica '' AND'' requiere que todas las entradas
sean “1” para tener como salida “1”. El pequeño círculo (o) en el cuadro indica que “1”
aparece en el cuadro como “0” y viceversa. Los números en el cuadro de la lógica del
temporizador representan el tiempo en milisegundos para que una salida pueda ocurrir
después de una entrada. El número más bajo es el reset (reposición) del tiempo.
23
Figura 3.3 a) Sistema de alimentación y el diagrama de ajuste del relé. b) Diagrama lógicos
de estado sólido. c) Diagrama lógicos de contacto.
La operación ante una falla externa, por ejemplo, en el bus H o en la línea a la derecha
del bus, es la siguiente:
Relevador 2 en bus H: La unidad FD2 no opera, y si S2 opera, entonces de ese modo
AND H1 tiene entradas “1” en el transmisor portador, sucesivamente. La señal f1 a Rf1 se
recibe a nivel local. AND H2 tiene dos entradas “0”; no proporcionará una salida. Por lo
tanto, el interruptor 2 no se encuentra disparado.
Relevador 1 en bus G: La unidad FD1 opera, y si S1 no opera, entonces de ese modo
AND G1 tiene entradas “0” por FD1 de la compuerta inversora, por lo que el transmisor
portador, sucesivamente tiene un “0”. La señal f1 a Rf1 se recibe a nivel local “0”. La
compuerta AND G2 tiene dos entradas “1” por la compuerta inversora en G2; y
proporcionará una salida “1”. Por lo tanto, el interruptor 1 se encuentra disparado.
De esta manera, la señal Carrier (canal) en H se utiliza para bloquear los relevadores de
disparo de sobrealcance en G y debe operar en esta falla externa. En consecuencia, una
falla externa o a la izquierda del bus G proporcionará una señal de bloqueo de G a H
para bloquear los relevadores H, en extralimitación de disparo.
24
Para fallas internas en la zona protegida:
Relevador 1 en bus G: La unidad FD1 opera durante “1” como una entrada a AND G2 y
“0” como entrada en AND G1. Por lo tanto, la estación de transmisor Tf1 mandará un “0”
a Rf1, pero la compuerta inversora de AND G2 hace que se tengan dos “1”, en su
entrada, entonces así opera el disparo en el interruptor 1, aunque opere también S1.
Relevador 2 en bus H: La unidad FD2 opera durante “1” como una entrada a AND H2 y
“0” como entrada a AND H1. Por lo tanto, el transmisor Tf1 mandará un “0” a Rf1, pero la
compuerta inversora de AND G2 hace que se tengan dos “1”, en su entrada y así opera
el disparo en el interruptor 2, aunque opere también S2.
Cuando se tiene una falla interna en la línea de transmisión en los extremos, tanto AND
G2 en el bus G y AND H2 en el bus H, energiza sus respectivos temporizadores y
ambos interruptores se disparan a alta velocidad. El típico retraso 6 a 16 mseg es de
coordinación entre los distintos relevadores. No se requiere el canal para el disparo; Por
lo tanto, si una falla interna interrumpe la señal del canal, el disparo aun así puede
ocurrir.
La lógica básica de contactos para relevadores electromecánicos se muestra en la
Figura 3.3 c y es equivalente a la operación que descrita anteriormente. Para las fallas
internas, los relevadores direccionales de fase de extralimitación direccional o
relevadores de tierra (FD) operan para detener su señal de bloqueo local (parada
portador). Si no se recibe ninguna señal de bloqueo de las terminales remotas, el
relevador (RR) se mantiene y el disparo se inicia. CS proporciona alrededor de 16 ms de
tiempo de coordinación.
Para una falla de fase externa en cualquier extremo, inicia S sus unidades una señal de
bloqueo para energizar RR en las terminales remotas. Esto abre el circuito de disparo en
ese extremo para bloquear el disparo, pero ninguno de los relevadores FD han operado.
Para una falla externa, FD no ha operado, por lo tanto FD y RR están abiertos.[6]
25
3.4 Principio de funcionamiento del sistema de comunicación de fibra óptica.
La ventaja inmediata de la fibra óptica es que las comunicaciones que la utilizan tienen
una alta inmunidad inherente a las interferencias externas y no generan interferencias.
La señal utilizada en este medio es la luz. Se pueden tener ráfagas cortas de la luz para
representar “1” y la ausencia de luz se puede utilizar para representar “0”. Las
propiedades de propagación de la fibra óptica conducen a un retardo, distorsión,
atenuación, y la reflexión de las señales transmitidas.
La construcción clásica de la fibra óptica de plástico, consiste de un núcleo cilíndrico de
un material óptico, y un índice de refracción, rodeado por un revestimiento de un material
óptico con un índice de refracción más pequeño (el índice de refracción de un material
se define como la relación de la velocidad de la luz en el vacío a la velocidad de la luz en
el material correspondiente). Nótese que la luz viaja algo más lento en fibra de
bronceado en el aire (típicamente 2 x 109). Se añade una capa protectora para
proporcionar protección del medio ambiente y para facilitar la manipulación.
3.4.1 Técnicas de modulación. Todas las señales transmitidas a través de un medio de comunicación son formas de
onda independientes, como si se tratará de las comunicaciones digitales. La
implementación más simple de la transmisión de un flujo de bits por medio de
comunicaciones es para amplificar los niveles de energía en el flujo de bits y transmitir
directamente sobre el medio. Desafortunadamente, para la mayoría de los medios de
comunicación, la distorsión resultante de las señales recibidas, limita en gran medida las
capacidades del sistema de comunicaciones y complica el diseño de las unidades de
transmisor y receptor, en particular cuando busca tener comunicaciones confiables. Por
lo tanto, otras técnicas de modulación se han desarrollado para mejorar la capacidad del
sistema de comunicaciones, sin la necesidad de utilizar sistemas de receptor- transmisor
excesivamente complicado.
26
Base y Comunicaciones. La transmisión directa de la corriente de bits sobre el medio
de comunicación se conoce como transmisión de banda base. Esto se utiliza
ampliamente en las comunicaciones por fibra óptica y comunicaciones de corta distancia
a través de un circuito de cobre.
La implementación más simple utiliza “off keying”, en el que una tensión o corriente se
aplica al medio de comunicaciones se transmite “1”, y si no hay tensión aplicada
entonces se transmite un “0”. El éxito del sistema de comunicaciones depende de la
capacidad del receptor para reconstruir el flujo de bits transmitido y está limitada por las
distorsiones y la atenuación de la señal en el medio.
Un esquema similar donde se utilizan un circuito de cobre como medio de comunicación
tiene un resultado de velocidad a distancia considerablemente inferior; por lo tanto, se
requiere que la comunicación sea ejecutada a una baja velocidad de datos o bien la
distancia entre el transmisor y el receptor sea corta. Aunque los repetidores ofrecen una
solución inmediata, los avances en el procesamiento de señal digital y la
microelectrónica moderna han permitido a los receptores compensar las distorsiones
experimentadas por las señales transmitidas. Los filtros de ecualización pueden coincidir
con las características del medio de comunicación y, por tanto, corregir las distorsiones
en las señales. Desafortunadamente, la variedad de circuitos de comunicaciones y
variaciones en el tiempo complica aún más el sistema; Por lo tanto, los filtros de
sintonización adaptativa están disponibles, los cuales utilizan señales de prueba
transmitidos periódicamente para actualizar las características de compensación.
3.4.2 Comunicaciones de banda ancha. Las comunicaciones de banda ancha permite que el medio de comunicación sea
compartida por varios usuarios al mismo tiempo, utilizando la multiplexación por división
de frecuencia. En particular, facilita las comunicaciones bidireccionales simultáneas, en
un esquema dúplex completo.
27
La clave para una extensión inmediata a la modulación de encendido-apagado es usar
un sistema donde se utiliza una sola frecuencia portadora y la amplitud se cambia
cuando el bit transmitido es “1” o “0”. Aunque el portador y fuera del portador se podrían
utilizar, hay ventajas inmediatas cuando se utilizan dos amplitudes de las portadoras
para representar los “1” y “0”, denominado como turno de amplitud (ASK). Una
alternativa es utilizar dos señales de diferentes frecuencias, la frecuencia FL, para
representar “1” y la frecuencia FO para representar “0”, llamado desplazamiento de
frecuencia(FSK).
El uso de diferentes frecuencias son ampliamente utilizados en los sistemas de
comunicaciones digitales. Sin embargo, la demanda para aumentar la velocidad de
datos que se puede llevar en un ancho de banda limitado por el canal de
comunicaciones, el cual ha llevado a otros esquemas más sofisticados. Todos ellos
transmiten un bit a la vez; por lo tanto, una mejora inmediata de la capacidad se puede
introducir mediante la transmisión de múltiples bits para cada estado de transmisión.
El desarrollo de estas técnicas de modulación ha llevado a la modulación de amplitud de
cuadratura (QAM), en el que una combinación específica polar de cuatro bits está
representada por una de las dieciséis señales (de uno de los ángulos de fase, en
modulación de fase). Por lo tanto utilizando este esquema, se transmiten cuatro bits por
cada señal en lugar de uno, aumentando drásticamente la velocidad de datos. Otros
sistemas han sido desarrollados para aumentar aún más la velocidad de datos por Hz
del sistema de modulación, la cual da el aumento natural en la complicación de los
circuitos de transmisor y receptor.
3.4.3 Comunicación asíncrona / síncrona. Las comunicaciones de datos en serie implica la conversión de bytes de datos en
secuencias de tiempo de señales eléctricas. El tiempo que pasa cada bit en un estado
particular es igual a la inversa de la tasa de bits. Por ejemplo, un relé que envía datos a
9600 bits por segundo (bps) establece un nivel de señal eléctrica para cada bit de datos
28
de 119.600 de un segundo. Debe tenerse en cuenta que la velocidad de transmisión de
canal se utiliza a menudo para este propósito; sin embargo, la velocidad en baudios
tiene un uso más general para describir el número de paquetes de modulación enviados
en cada paquete que puede representar múltiples bits; estrictamente hablando, la tasa
de bits puede ser mayor que la velocidad de transmisión, pero igualmente se ha
convertido en algo habitual.
Transmisión de datos asíncrona. Sincronización del transmisor y receptor de par para
decodificar este mensaje se toma una de las dos formas: asíncronos o síncronos.
Comunicaciones asíncronas es claramente la forma más común de las comunicaciones
en los dispositivos electrónicos inteligentes (IED) de hoy. En este método de
sincronización los bits de datos es sólo depende de las fuentes de reloj en cada extremo.
En particular, la decodificación de cada bit en un mensaje depende de la detección de un
bit de inicio en el mensaje transmitido.
El dispositivo que codifica y decodifica los datos serie se conocen como un transmisor
receptor asíncrono universal (UART). En la transmisión, la UART acepta uno o más
bytes de datos del procesador, carga los datos en un registro de desplazamiento, añade
el bit de inicio, bit de paridad (si es necesario), y el bit de parada, y procede a trasladar
los datos un bit a un tiempo. Normalmente, los datos se transmiten comenzando por el
bit menos significativo (LSB) del byte que se transmite.
Debe tenerse en cuenta que el estado de reposo del dispositivo es un “1” lógico, y que
las transiciones de inicio a un “0” lógico. En la mayoría de los IED, esta señal se asigna
a una interfaz estándar eléctrico, RS- 232 (ver figura 2.4), que define cuál será el
alcance de las señales eléctricas, dadas las señales lógicas.
El estándar eléctrico RS- 232 también define la configuración de pines de la transmisión
y recepción de señales, así como una serie de señales de control del módem, tanto para
las conexiones machos y hembras en un 25 -pin conector D. El conector macho está
asociado con la fuente de los datos y se conoce como el equipo terminal de datos DTE.
29
La sincronización de los datos, conocido como el equipo de comunicaciones de datos
(DCE), se supone que un módem en este estándar, contiene el conector hembra de 25
patillas. Cuando el dispositivo DTE transmite datos en el pin 2, el dispositivo DCE debe
recibir los datos en el pin 2. Del mismo modo, en el que el dispositivo DTE recibe datos
en el pin 3, el dispositivo DCE debe enviar los datos en el pin 3.
Figura 3.4 Interfaz estándar eléctrico RS-232.
Otra interfaz eléctrica común que se encuentra en la IED es RS-485 (ver figura 3.5).Esta
norma tiene dos principales mejoras frente a RS- 232: Capacidad de disco y capacidad
multipunto. Con respecto a la unidad eléctrica, RS-232 es un controlador de una sola
terminal, es decir, la señal de transmisión se modula con respecto a un conductor a
tierra fija, y la distancia máxima para la que se recomienda RS- 232 que se utilizará es
23,6 m (50 pies). El estándar RS- 485 cambia a un diferencial del transmisor / receptor y
aumenta la potencia de accionamiento para llegar a distancias de 1219 m (4000 pies). A
través de la operación diferencial, los errores debidos a ruido de modo común se
reducen.
El otro aspecto que RS-485 trae a las comunicaciones es la capacidad de espacio para
conectar múltiples dispositivos en un par de cables. El RS- 232, su señal de transmisión
en cualquier dispositivo en cualquier punto en el tiempo es a través de una polarización
de -15 V o + I5 V. Como tal, no hay otros transmisores que se pueden conectar en los
mismos cables, ya que tendrán un dispositivo de transición alto, mientras que el otro
dispositivo está puesto en bajo, dando lugar a un cortocircuito en la línea de
30
comunicaciones. En el RS - 485, este problema se elimina, debido que el transmisor
tiene la capacidad de hacer la transición a un estado de alta impedancia o de circuito
abierto. Al colocar el transmisor en este estado, entonces múltiples transmisores se
pueden colocar en una línea de transmisión de forma simultánea y, a través de control
de protocolo, permiten sólo uno a la vez. El RS - 485 requiere que el transmisor sea
capaz de conducir cargas unitarias 32 en un par de alambre. Los nuevos diseños de
chips RS- 485 tienen cargas menores y permiten más de 32 dispositivos en un solo par
de alambres.
Figura 3.5 Interfaz estándar eléctrico RS-485.
Transmisión de datos síncrono. En las comunicaciones asíncronas, la detección de
las posiciones de bit se determina mediante la detección del bit de inicio en el flujo de
datos. Con el fin de garantizar que la línea de transmisión se encuentra en un estado
adecuado para empezar, un bit de parada debe ser añadido a los datos transmitidos.
Como resultado, se necesitan 10 bits en el alambre (descontando el bit de paridad) con
31
el fin de transmitir 8 bits de información. Dicho de otro modo, 20 por ciento de la anchura
de banda del medio de comunicación se utiliza para fines de temporización.
Las comunicaciones síncronas adopta un enfoque diferente a la temporización de bits en
el que la detección de bits se basa en una señal de reloj que se incluye con los datos. El
reloj o bien puede ser transmitida a través de un alambre separado o incrustada en la
técnica de modulación. Como todavía hay una necesidad de determinar el inicio de una
transmisión, un carácter de sincronización se coloca generalmente en el comienzo de un
mensaje. El transmisor receptor asíncrono universal de dispositivo síncrono (USART) de
decodificación se coloca en un modo de búsqueda de sincronización y continuamente
busca el carácter de sincronización. Una vez detectado, cada ocho bits de datos que se
reciben se interpretan como el siguiente byte de datos, lo que se consigue una mejora
de casi 20 por ciento en ancho de banda. Varios de los códigos PCM son códigos
autosincronizados; es decir, el reloj original puede ser extraído, ya que habrá una
transición de la señal de cada periodo de bit. Estos códigos autosincronizados incluyen
la bifase y modulaciones RZ bipolares.
Alternativamente, si el número de bits en el espacio es 1 en el mensaje sumados a un
número par (aun suponiendo paridad impar), entonces el bit de paridad se establece en
1, de manera que la suma de los datos de 1 bits y el bit de paridad es un número impar.
Un proceso similar se produce si se selecciona paridad par. Típicamente, la detección de
error de paridad se realiza en el nivel de hardware por la UART o USART, que luego
envía una notificación al procesador sobre el error recibido.
Tenga en cuenta que la paridad es sólo eficaz para un número impar de cambios de bits
en los ocho bits de datos transmitidos. La paridad no detectará si los bits 2 o 4 o 6 o 8
cambio en el byte del mensaje, ni va a informar al usuario si los datos se acaban de
perder. Por otro lado, son muy pocos los protocolos utilizan la paridad para la
comprobación de errores.
Los dispositivos de protección diferencial de operación numéricamente intercambian
magnitudes de comparación actuales a través de fibras ópticas, cables de cobre o las
redes de comunicación digital. Además de la función de protección principal real, los
32
dispositivos de Siemens por ejemplo el 7SD5 y 7SD6 (ver figura 3.6 y 3.7), ofrecen
funciones adicionales integrales. Los 4 comandos binarios, así como 24 señales binarias
pueden ser transmitidos de forma aleatoria entre los dos extremos. Las conexiones de
comunicación son constantemente monitoreadas por los dispositivos. Interferencias de
datos son recogidos y crear alarmas si la calidad de la conexión de comunicación no es
suficiente. Durante una falla de la conexión principal, las conexiones alternativas pueden
ser activadas. El tiempo de retardo de la transmisión de los datos también se mide y se
controla constantemente. Este artículo describe las múltiples posibilidades de
intercambio de datos entre los dispositivos de protección, utilizando la comunicación
digital.
Figura 3.6 Relevador de protección diferencial marca Siemens Modelo: SIPROTEC 7SD5.
33
Figura 3.7 Relevador de protección diferencial marca Siemens Modelo: SIPROTEC 7SD6
3.4.4 Aplicación del sistema de comunicación de fibra óptica en protecciones
por comparación de fase.
Otra de las aplicaciones de protección por hilo piloto es la de comparación de fase, la
cual se describe a continuación su principio de funcionamiento.
3.4.4.1 Comparación fase: canales de audio o tono por fibra óptica.
El sistema actual con una tensión monofásica es utilizado para representar todo tipo de
fallas de fase y tierra apareció desde mediados de 1940. Utilizado para la protección de
las líneas de transmisión largas. Un sistema típico utiliza voltaje de fase. Este voltaje se
pasa a través de un amplificador de cuadratura que produce ondas cuadradas para la
transmisión y la comparación en el extremo remoto.
34
Para mayor seguridad se pueda usar, los detectores de falla (FDs) de dos niveles se
pueden usar, de tal manera que funcionen para todas las fallas internas de fase y de
tierra. Normalmente, se trata de unidades que operar con intensidad de corriente.
Cuando las corrientes de fallas internas mínimas son menores que la corriente máxima
de carga, las unidades de distancia se aplican para los detectores, cuando hay una falla
en la fase. Esto significa que el sistema ahora requiere transformadores de potencial.
En cualquier caso, el detector de alto nivel se ajusta alrededor de 125% a 250% de la
unidad de bajo nivel.
Un sistema típico y su funcionamiento se ilustran en la figura 3.8. Para el interruptor 1,
de la subestación G, se tienen los detectores de falla son FD1S y FD1T, para el
interruptor 2, de la subestación H, se tienen los detectores de falla que son FD2S y FD2T.
(a)
35
(b)
Figura 3.8 Principios de funcionamiento básicos del sistema piloto de comparación de fase;
comparaciones individuales de media onda a través de canales de tonos de audio: (a) los
diagramas lógicos de sistemas; (b) el funcionamiento del sistema típico par.
Las unidades S se ajustan con mayor sensibilidad (menor corriente eléctrica alcanza
mayores distancias) que las unidades T. Como se muestra en la figura 3.8 inciso (a), el
amplificador de cuadratura produce ondas cuadradas que están en el máximo en una
mitad de la onda de 50 a 60 Hz y cero en la otra mitad de la onda.
Con el equipo y la configuración similar en las dos terminales, la operación en el bus G
para el relevador 1 es el siguiente:
Falla externa en bus H, o a la derecha de la línea:
FD1S y FD1T opera con “1”en la entrada de las compuertas AND G1 y AND G2 porque
detectó la falla.
La red y el amplificador de cuadratura considerando los diagramas de ondas cuadradas
(ver la figura 3.8 inciso (b) de falla externa) la señal local de la subestación a AND G2,
nos da en sus salidas “1” para las compuertas AND G1 y AND G2.
El receptor de señal RG da un “1” lógico, según el diagrama de ondas cuadradas.
El receptor de señal RG a AND G2, según su diagrama de ondas cuadradas da un “0”
lógico por su compuerta inversora en la entrada de la compuerta lógica AND G2.
36
Por lo que la señal de disparo da “0” y así la compuerta AND G2 no operaría y el
relevador 1 tampoco operaría para una falla externa como se observa en la figura 3.8
inciso (a).
En todo caso, para los picos cortos de salida considerablemente menor que 4 mseg son
necesarios para el funcionamiento. Para las fallas externas, las corrientes en la línea de
1 deben estar en fase con la corriente de la línea a 2 para todos los propósitos prácticos
(las pérdidas de líneas y cambios de fase son normalmente insignificantes excepto por
líneas muy largas). Se proporciona un retardo para la señal local para compensar las
diferencias y los retrasos de los canales; en consecuencia, el disparo no se produce
para las fallas externas.
Fallas internas en la zona protegida:
FD1S y FD1T opera con “1”en la entrada de las compuertas AND G1 y AND G2 porque
detectó la falla.
La red y el amplificador de cuadratura considerando los diagramas de ondas cuadradas
(ver la figura 3.8 sección (b) de falla interna) la señal local de la subestación a AND G2,
nos da en sus salidas “1” para las compuertas AND G1 y AND G2.
El receptor de señal RG da un “0” lógico, según el diagrama de ondas cuadradas.
El receptor de señal RG a AND G2, según su diagrama de ondas cuadradas da un “1”
lógico por su compuerta inversora en la entrada de la compuerta lógica AND G2.
Por lo que la señal de disparo da “1” y así la compuerta AND G2 operaría y el relevador
1 también operaría para una falla interna como se observa en la figura 3.8 inciso (a).
La salida de onda completa muestra que las corrientes en los buses G y H son 180
grados desfasados. Con la corriente de carga que fluye a través de la línea, esto no es
cierto, pero estos sistemas puede encontrarse con las corrientes en los dos buses fuera
de fase hasta 90 grados. En sistemas de 60 Hz, una diferencia de ángulo de fase de 90
grados corresponde a 4 mseg. Funcionamiento similar a las fallas internas se produce
en los relevadores 2, en el bus H.
37
Este sistema puede ser utilizado con canales de onda portadora de la línea transmisión
de encendido-apagado. Para las fallas internas, si no se recibe una señal de receptor, y
G2 tendrá “1” como una entrada continua. La operación de disparo puede ocurrir en
ambos extremos por la entrada de la señal local más la operación local de FDT.
Los sistemas descritos proporcionan comparación en solo medio ciclo. Si la falla se
manifiesta en el ciclo medio de cruce por cero, el disparo para fallas internas se retrasa
hasta el próximo medio ciclo.
Si FSK es portador de la línea eléctrica los canales de tonos de audio están disponibles,
la comparación se podrá realizar en cualquiera de los dos medios ciclos de la onda de
50 a 60 Hz. Esto se conoce como la comparación de doble fase, para la comparación de
cada medio ciclo. Las ondas cuadradas de medio ciclo se transmiten por “1” en una
frecuencia y “0” por la frecuencia de desplazamiento. El otro medio ciclo se transmite de
manera similar por un canal separado, la operación de desbloquear por permisos de
lógica en fallas internas si no se recibe la señal del canal. El modo de disparo transferido
se utiliza en general para los canales de tipo de tono de audio.
Otra técnica para la comparación de la tensión de una sola fase de las redes de
secuencia en los extremos es por pulso-período de modulación. En este caso, el período
de la onda portadora varía linealmente con las amplitudes de la señal de modulación. Un
modulador desarrolla el tren de pulsos y el demodulador traduce el tren de impulsos en
una sola magnitud. El sintonizador de retardo asegura la coincidencia temporal de las
señales locales y remotas. El canal puede ser tonos de audio o de fibra óptica.
Figura 3.9 Sistema de comunicación por medio de fibra óptica.
38
Dónde:
PP2 Protección primaria 2.
DTL Disparo trasferido de línea.
DTD Disparo transferido directo.
PP1 Protección primaria 1
85L Protección de comparación direccional de secuencia positiva y negativa, o de onda
viajera o superpuesta.
3.5 Aplicación del sistema de comunicación microondas.
3.5.1 Introducción.
Este canal consiste en un enlace por radio en la banda de microonda, usualmente en el
intervalo de frecuencias de 2 a 12 GHz, con antenas entre las que debe existir un
enlace “visual” directo. Cuando no se dispone de estaciones repetidoras intermedias, la
máxima longitud del canal es alrededor de 60 Km (ver figura 3.10). [7]
Figura 3.10 Diagrama del canal de comunicación microondas.
39
Dónde:
PP2 Protección primaria 2.
DTL Disparo trasferido de línea.
DTD Disparo transferido directo.
PP1 Protección primaria 1
85L Protección de comparación direccional de secuencia positiva y negativa, o de
onda viajera o superpuesta
La información puede transmitirse por el canal de dos formas:
1. Por un tono de audio o una señal de una frecuencia que oscila entre la de audio y varios
cientos de KHz, y modula directamente la frecuencia de microonda (modulación de base
banda).
2. Cuando se requieren más canales se aplica directamente a un canal de voz de tonos de
audio en el intervalo de frecuencias de 400 a 3000 Hz; este canal de voz es una señal
de frecuencia comprendida entre la de audio y varios cientos de KHz que modula la
frecuencia de microonda.
Ventajas:
1. Como la señal de microonda es independiente de la línea protegida, esta origina que las
señales no sean afectadas por los cortocircuitos.
2. Admite muchos canales de banda ancha; esto hace que una vez establecido el enlace
de microonda, el agregar nuevos canales no implica un costo elevado.
40
3.5.2 Aplicación del sistema de comunicación microondas en la protección.
Los sistemas de protección piloto que utilizan los canales de onda portadora y de
microonda se basan por lo general en los mismos principios de detección del
cortocircuito, que son esencialmente los de comparación de fase y comparación
direccional (ver figura 3.11).
Figura 3.11 Diagrama que ejemplifica de manera general el principio de funcionamiento de
la protección por Comparación Direccional.
La protección por Comparación Direccional (85 L) tiene un medio de comunicación entre
ambos relevadores, y este medio los mantiene informados de lo que acontece sobre
toda la línea en una dirección determinada, así como el cambio en las magnitudes
eléctricas que se llegaran a manifestarse. Al ocurrir una falla (un corto circuito por
ejemplo) esta debe ser detectada por ambos relevadores en cuestión de milisegundos,
una vez detectada la falla, ambos extremos deben confirmarse del acontecimiento “visto”
desde sus extremos y tomando por decisión unánime, el disparo de sus interruptores
para así evitar que se propague la falla.[8]
41
CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN OPLAT
EN LA SUBESTACIÓN SAN PEDRO – SAN JOSÉ.
4.1 Introducción.
El sistema de comunicación Carrier (OPLAT) se aplicará a una red de prueba, donde se
describe cómo debe de funcionar entre dos subestaciones que se proponen como caso
de estudio.
4.2 Conexión del sistema de comunicación Carrier entre las subestaciones
propuestas.
La figura 4.1 muestra la red de un sistema de comunicación Carrier o también conocido
como sistema de comunicación OPLAT, conectado entre las subestaciones San Pedro-
San José.
Figura 4.1 Red del sistema de comunicación Oplat entre las subestaciones.
42
Dónde:
(V) Comunicación de voz (telefónicamente).
(P) Comunicación de protección de la línea de los relevadores.
(D) Obtención de datos.
(93280) Número de identificación de la línea de transmisión.
En la figura 4.2 muestra de manera detallada que elementos se conectan entre las
subestaciones para lograr un sistema de comunicación Oplat entre ellas, lo cual
ayudará a saber si existe una falla o no en la línea, a partir de la información capturada
en los extremos de la línea.
Figura 4.2 Diagrama de servicios teleprotecciones en la línea de transmisión entre las
subestaciones “San Pedro-San José”.
Dónde:
T.O Trampa de onda.
PUTT Disparo transferido en subalcance permisivo.
43
DTT Disparo transferido directo.
D Datos
V Voz
P Protección.
500F6 Equipo de comunicación
ESB200i Equipo de comunicación.
El esquema de protección tiene dos tipos de disparo para los interruptores que protegen
a la línea que se describen a continuación.
4.3 PUTT (Permissive Underreaching Transfer Trip): disparo transferido en
subalcance permisivo.
El Esquema de teledisparo en subalcance permisivo (PUTT). El PUTT requiere de una
función de subalcance (zona 1), ver figura 4.3, que dispara el interruptor local y envía
una señal al extremo remoto, además incluye una función de sobrealcance (zona 2). El
interruptor del extremo remoto abrirá cuando reciba la señal que su elemento de zona 2
está detectando una falla. El PUTT no enviará señal para fallas fuera de la sección de la
línea. Este esquema no requiere de lógica para inversiones de corriente en líneas
paralelas. El esquema de teleprotección en subalcance permisivo, es reconocido como
seguro, dado que no ocasiona disparos falsos. [9]
44
Figura 4.3 Principio de funcionamiento de un PUTT.
4.4 DTT (Direct Transfer Trip) disparo transferido directo.
En este esquema sólo se compara la dirección de la corriente, ver figura 4.4, es decir, si
hay una falla dentro de la línea, los dos relés asociados verán la falla hacia delante y
cada uno envía una señal permisiva al otro extremo produciéndose el disparo.
Normalmente, este esquema se implementa con relés de sobrecorriente de tierra
direccionales, que son muy sensibles para la detección de fallas de alta impedancia.
También requiere de una función o una lógica contra inversión de flujo en líneas
paralelas. [9]
Figura 4.4 Principio de funcionamiento de un DDT.
45
CAPÍTULO 5. CASO DE ESTUDIO.
5.1 Introducción.
PowerWorld Simulator es un software de simulación de Sistemas Eléctricos de Potencia
interactiva diseñada para simular la operación del sistema eléctrico en un marco de
tiempo que va desde varios minutos a varios días. El software contiene un módulo de
análisis de flujo de potencia, capaz de resolver de manera eficiente los sistemas de
hasta 250 mil buses. [10]
5.2 Red de prueba.
El Sistema Eléctrico de Potencia mostrado en la figura 5.1 [11], se modela en el programa
computacional PowerWorld para realizar simulaciones de corto circuito en varios nodos
de la red. Por otro lado se realiza a mano como una manera de comprender el método
de componentes simétricas para el estudio de corto circuito, ver anexo A. Se realizaron
fallas de corto circuito a la mitad de la línea 1 (nodo ficticio No.4), tanto para fallas
trifásicas, como monofásicas para ajustar y coordinar el relevador ubicados en los
extremos de la línea de transmisión. También se propone la relación de transformación
de los transformadores de corriente (TC) y los transformadores de potencial (TP) para la
línea 1.
Figura 5.1 Red de prueba.
46
Los datos del sistema de prueba, se muestran en la tabla 5.1.
Tabla 5.1 DATOS INICIALES DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA.
ELEMENTO TENSION POTENCIA (x”) (X´) (Xs) X(-) X(0)
G1 20 kV 300MVA 0.2
pu
0.6
pu
1.0 pu 0.2
pu
0.1
pu
G2 11 kV 300MVA 0.2
pu
0.6
pu
1.0pu 0.2
pu
0.1
pu
TR’1 20/230kV 350MVA 0.17 0.17 0.17
TR’2 11/230kV 350MVA 0.17 0.17 0.17
L1-3 230kV
CARGA 230kV 250MW,50VARS
IND.
Dónde:
(x”) Reactancia subtransistoria = reactancia de secuencia positiva.
(X’) Reactancia transitoria.
(Xs ) Reactancia síncrona.
X(-) Reactancia de secuencia negativa.
X(0) Reactancia de secuencia cero.
Se considera las impedancias de la línea:
Para secuencia positiva y negativa se tiene que la impedancia de la línea L1 de longitud
total 100 km es:
Z(+) = Z(-)= (
Para la secuencia cero se plantea que debe ser como dato práctico de 2 a 3.5 veces
mayor que la secuencia positiva [12], tomando en el ejemplo:
Z(0) = 2.5 (Z (+))
Para obtener los datos necesarios que requiere el programa computacional se tuvo que
calcular los valores de p.u nuevos por medio de la fórmula siguiente:
47
Zp.u = Z pu(1) * (
* (
(
( )
Dónde:
Z pu(1) = Valor de la reactancia del circuito.
SB2 = Es la potencia base de 100MVA.
SB1 = Es la potencia del elemento.
(kV B1) 2 = Es el voltaje base al que se refirió el circuito al cuadrado.
(kV B2) 2 = Es el voltaje en el que se encuentra conectado el elemento al cuadrado.
Los valores base para el programa son:
Potencia base = SB = 100MVA.
Voltaje base1= kVB = 11 kV.
Voltaje base2= kVB = 20 kV.
Voltaje base3= kVB = 230 kV.
Por lo cual haciendo las operaciones se obtienen los valores en p.u nuevos, los cuales
se observan en la tabla 5.2 y se procede a introducirlos en el programa computacional.
Tabla 5.2 VALORES P.U NUEVOS DEL CIRCUITO PARA INTRODUCIR EN EL PROGRAMA.
ELEMENTO (x”) (X´) (Xs) X(-) X(0)
G1 0.066 pu 0.2 pu 0.333
pu
0.066 pu 0.033 pu
G2 0.066 pu 0.2 pu 0.333pu 0.066 pu 0.033 pu
TR’1 0.048 p.u 0.048 pu 0.048 pu
TR’2 0.048 p.u 0.048 pu 0.048 pu
L1-3
CARGA 0.384+0.076i
P.U
0.384+0.076i
P.U
0.384+0.076i
P.U
La línea L1 tiene una longitud total de 100 km, sin embargo para simular
fallas al 50% de su longitud, se agregó el bus 4. Así cada 50 km, con la
impedancia correspondiente de:
48
Z(+) = Z(-)= (
Z(0) = 2.5 (Z (+)) = (
La línea L2 tiene una longitud de 80 km, entonces su impedancia
correspondiente es:
Z(+)=Z( (
Z(0) = 2.5 (Z (+)) (
La línea L3 tiene una longitud de 60 km, entonces su impedancia
correspondiente es:
Z(+) = Z(-)= (
Z(0) = 2.5 (Z (+)) (
Las corrientes de corto circuito trifásico y las corrientes de corto circuito de fase a tierra
que se calculan por medio del programa de simulación, puede simularse a la mitad de la
línea, por ejemplo entre el bus 4 y en el bus 5. Los resultados pueden presentarse en
por unidad y también en ampers, que son utilizados para calcular el ajuste de las
protecciones de la línea de transmisión (L1) y seleccionar el canal de comunicación
adecuado a la necesidad del sistema de protección.
5.3 Corrientes de corto circuito trifásicas, entregadas por el software.
A continuación se muestran las corrientes de corto circuito y las tensiones que arroja el
programa computacional PowerWorld en los nodos 3, 4 y 5 correspondientes a la línea
L1 y L2 de la figura 5.1.
En la tabla 5.3 y 5.4 muestran las corrientes de corto circuito trifásicas en p.u. y en
ampers, y en la tabla 5.5 muestra las tensiones en p.u. del bus 3 durante la falla.
49
Tabla 5.3 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 3.
Corriente de falla trifásica en el bus 3.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud 14.661 3680.2
Angulo. -81.25 -81.25
Tabla 5.4 VALORES DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA
CONECTADA EN EL BUS 3.
Por fases.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud Angulo Magnitud Angulo
A 14.661 -81.25 3680.2 -81.25
B 14.661 158.75 3680.2 158.75
C 14.661 38.75 3680.2 38.75
Tabla 5.5 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U EN EL BUS 3
Fault Data – Buses
Number Name Phase Volt A
Phase Volt B
Phase Volt C
Phase Ang A
Phase Ang B
Phase Ang C
1 Bus 0.42243 0.42243 0.42243 -1.75 -121.75 118.25
2 Bus 0.62474 0.62474 0.62474 23.47 -96.53 143.47
3 Bus 0 0 0 0 0 0
4 Bus 0.1641 0.1641 0.1641 19.25 -100.75 139.25
5 Bus 0.32819 0.32819 0.32819 19.25 -100.75 139.25
6 Bus 0.18824 0.18824 0.18824 14.73 -105.27 134.73
En la tabla 5.6 y 5.7 muestran las corrientes de corto circuito trifásico en p.u. y en
ampers, y en la tabla 5.8 las tensiones en p.u. del bus 4 (a la mitad de la línea L1)
durante la falla.
Tabla 5.6 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 4.
Corriente de falla trifásica en el bus 4.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud 12.474 3131.24
Angulo. -78.58 -78.58
50
Tabla 5.7 VALORES DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA
CONECTADA EN EL BUS 4.
Por fases.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud Angulo Magnitud Angulo
A 12.474 -78.58 3131.24 -78.58
B 12.474 161.42 3131.24 161.42
C 12.474 41.42 3131.24 41.42
Tabla 5.8 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U EN EL BUS 4.
Fault Data – Buses
Number Name Phase Volt A
Phase Volt B
Phase Volt C
Phase Ang A
Phase Ang B
Phase Ang C
1 Bus 0.58685 0.58685 0.58685 -2.32 -122.32 117.68
2 Bus 0.59947 0.59947 0.59947 22.15 -97.85 142.15
3 Bus 0.28412 0.28412 0.28412 -3.8 -123.8 116.2
4 Bus 0 0 0 0 0 0
5 Bus 0.28743 0.28743 0.28743 13.85 -106.15 133.85
6 Bus 0.28376 0.28376 0.28376 1.82 -118.18 121.82
En la tabla 5.9 y 5.10 muestran las corrientes de corto circuito trifásicas en p.u. y las
corrientes de corto circuito trifásicas en ampers y en la tabla 5.11 muestra las tensiones
en p.u. del bus 5 fallado.
Tabla 5.9 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 5.
Corriente de falla trifasica en el bus 5.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud 14.675 3683.81
Angulo. -75.78 -75.78
51
Tabla 5.10 VALORES DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA
CONECTADA EN EL BUS 5.
Por fases.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud Angulo Magnitud Angulo
A 14.675 -75.78 3683.81 -75.78
B 14.675 164.22 3683.81 164.22
C 14.675 44.22 3683.81 44.22
Tabla 5.11 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN P.U EN EL BUS 5.
Fault Data – Buses
Number Name Phase Volt A
Phase Volt B
Phase Volt C
Phase Ang A
Phase Ang B
Phase Ang C
1 Bus 0.60616 0.60616 0.60616 -3.36 -123.36 116.64
2 Bus 0.43547 0.43547 0.43547 25.31 -94.69 145.31
3 Bus 0.31829 0.31829 0.31829 -7.05 -127.05 112.95
4 Bus 0.15914 0.15914 0.15914 -7.05 -127.05 112.95
5 Bus 0 0 0 0 0 0
6 Bus 0.13692 0.13692 0.13692 -11.57 -131.57 108.43
5.4 Corrientes de corto circuito de línea a tierra.
En las tablas 5.12 y 5.13 se muestran las corrientes de corto circuito monofásicas en
ampers y en p.u., y en la tabla 5.14 muestra las tensiones del bus 3 debido a la falla.
Tabla 5.12 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 3.
Corriente de falla monofásica en el bus 3.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud 17.221 4322.91
Angulo. -82.66 -82.66
52
Tabla 5.13 VALORES DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA
CONECTADA EN EL BUS 3.
Por fases.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud Angulo Magnitud Angulo
A 17.221 -82.66 4322.91 -82.66
B 0 0 0 0
C 0 0 0 0
Tabla 5.14 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U EN EL BUS 3.
Fault Data – Buses
Number Name Phase Volt A
Phase Volt B
Phase Volt C
Phase Ang A
Phase Ang B
Phase Ang C
1 Bus 0.54745 0.90876 0.90774 0.11 -107.53 107.55
2 Bus 0.70706 0.97422 0.89491 21.23 -96.84 127.36
3 Bus 0 0.95071 0.89657 0 -108.72 112.54
4 Bus 0.20806 0.94994 0.88531 15.25 -105.29 114
5 Bus 0.41612 0.95256 0.87464 15.25 -101.87 115.5
6 Bus 0.23841 0.96256 0.87726 8.33 -109.05 109.82
En la tabla 5.15 y 5.16 muestra la corriente de corto circuito monofásica en ampers y en
p.u., y en la tabla 5.17 las tensiones del bus 4 (a la mitad de la línea L1) durante la falla.
Tabla 5.15 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICA EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 4.
Corriente de falla monofásica en el bus 4.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud 12.453 3126.05
Angulo. -79.7 -79.7
53
Tabla 5.16 VALORES DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA
CONECTADA EN EL BUS 4
Por fases.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud Angulo Magnitud Angulo
A 12.453 -79.7 3126.05 -79.7
B 0 0 0 0
C 0 0 0 0
Tabla 5.17 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U EN EL BUS 4.
Fault Data – Buses
Number Name Phase Volt A
Phase Volt B
Phase Volt C
Phase Ang A
Phase Ang B
Phase Ang C
1 Bus 0.72452 0.9339 0.94355 -0.83 -112.82 112.57
2 Bus 0.73323 0.96762 0.91242 18.96 -97.91 127.88
3 Bus 0.4242 0.94719 0.92521 -1.84 -111.02 114.13
4 Bus 0 1.01571 0.98217 0 -115.91 124.29
5 Bus 0.42592 0.96131 0.9148 9.75 -106.1 119.27
6 Bus 0.42614 0.96456 0.91407 -0.77 -112.46 112.63
En la tabla 5.18 y 5.19 muestra la corriente de corto circuito monofásicas en p.u. y en
ampers y la tabla 5.20 muestra las tensiones del bus 5 debido a la falla.
Tabla 5.18 MAGNITUD DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN EL BUS 5.
Corriente de falla monofásica en el bus 5.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud 17.244 4328.56
Angulo. -77.36 -77.36
54
Tabla 5.19 VALORES DE CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U Y EN AMPERS EN LAS FASES DE LA LÍNEA
CONECTADA EN EL BUS 5.
Por fases.
Por unidad (p.u) Ampers
Magnitud Angulo Magnitud Angulo
A 17.244 -77.36 4328.56 -77.36
B 0 0 0 0
C 0 90 0 90
Tabla 5.20 VALORES DE TENSIÓN DEBIDO AL CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO EN P.U EN EL BUS 5.
Fault Data – Buses
Number Name Phase Volt A
Phase Volt B
Phase Volt C
Phase Ang A
Phase Ang B
Phase Ang C
1 Bus 0.69029 0.92327 0.94119 -1.6 -111.94 111.5
2 Bus 0.55885 0.94621 0.87227 22.26 -92.73 122.77
3 Bus 0.40764 0.91512 0.90676 -3.85 -107.02 109.75
4 Bus 0.20382 0.93469 0.89864 -3.85 -105.44 113.5
5 Bus 0 0.95495 0.89445 0 -103.92 117.31
6 Bus 0.17998 0.95104 0.88942 -11.89 -109.36 109.61
La matriz de Ybus de secuencia positiva, negativa y cero, también la proporciona el
programa (PowerWorld), en este trabajo estos resultados son utilizados para
comprender el método, en relación al método de la información de la matriz de Ybus.
Tabla 5.21 MATRIZ DE SECUENCIA POSITIVA.
Secuencia positiva.
Numero Nombre Bus 1 Bus 2 Bus 3 Bus 4 Bus 5 Bus 6
1 Bus 0.00 - j35.98
-0.00 + j20.83
2 Bus 0.00 - j35.98
-0.00 + j20.83
3 Bus -0.00 + j20.83
3.96 - j56.50
-2.44 + j21.95
-1.52 + j13.72
4 Bus -2.44 + j21.95
4.88 - j43.90
-2.44 + j21.95
5 Bus -0.00 + j20.83
-2.44 + j21.95
4.47 - j61.08
-2.03 + j18.29
6 Bus -1.52 + j13.72
-2.03 + j18.29
6.05 - j31.51
55
Tabla 5.22 MATRIZ DE SECUENCIA NEGATIVA.
Secuencia negativa
Numero Nombre Bus 1 Bus 2 Bus 3 Bus 4 Bus 5 Bus 6
1 Bus 0.00 - j35.98
-0.00 + j20.83
2 Bus 0.00 - j35.98
-0.00 + j20.83
3 Bus -0.00 + j20.83
3.96 - j56.50
-2.44 + j21.95
-1.52 + j13.72
4 Bus -2.44 + j21.95
4.88 - j43.90
-2.44 + j21.95
5 Bus -0.00 + j20.83
-2.44 + j21.95
4.47 - j61.08
-2.03 + j18.29
6 Bus -1.52 + j13.72
-2.03 + j18.29
6.05 - j31.51
Tabla 5.23 MATRIZ DE SECUENCIA CERO.
Secuencia cero
Numero Nombre Bus 1 Bus 2 Bus 3 Bus 4 Bus 5 Bus 6
1 Bus 0.00 - j30.30
0.00 + j0.00
2 Bus 0.00 - j30.30
0.00 + j0.00
3 Bus 0.00 + j0.00
1.59 - j35.10
-0.98 + j8.78
-0.61 + j5.49
4 Bus -0.98 + j8.78
1.95 - j17.56
-0.98 + j8.78
5 Bus 0.00 + j0.00
-0.98 + j8.78
1.79 - j36.93
-0.81 + j7.32
6 Bus -0.61 + j5.49
-0.81 + j7.32
1.42 - j12.80
Los niveles de tensión de las líneas son de 230kV con una corriente de carga de 227.67
A primarios para esta red de pruebas, mostrada en la figura 5.1. En este ejemplo se va a
proteger la línea (L1) con la protección de distancia (21).
56
5.5 Relevador de distancia (21).
En las líneas de alta tensión se trasmiten bloques de energía, y en caso de presentarse
un corto circuito, la corriente de falla también es de gran magnitud, por lo cual, si una
falla no es despejada rápidamente, puede llevar a una inestabilidad al sistema de
potencia, y dañar severamente al elemento donde se presenta la falla. Por esta razón,
en las líneas de transmisión se utilizan relevadores de distancia que son empleados
como protección primaria, en vez de los relevadores de sobrecorriente. Las ventajas de
los relevadores de distancia, en comparación con los relevadores de sobrecorriente son:
mayor zona de operación instantánea, mayor sensibilidad, más fáciles de ajustar y
coordinar, y no son afectados por los cambios en la configuración del sistema de
potencia. Un relevador de distancia mide la impedancia como el cociente entre la tensión
y corriente, y desde su ubicación en el sistema de potencia, permite determinar si existe
una falla dentro o fuera de su zona de operación. Dado que en las líneas de trasmisión,
la impedancia de la línea es proporcional a su longitud; es apropiado utilizar relevadores
de distancia para estimar la impedancia que existe desde la ubicación del relevador
hasta un punto determinado (lugar de la falla). De allí que a los relevadores de
impedancia se les llama relevadores de distancia. El relevador de distancia está
alimentado a través de los transformadores de instrumento que conocidos como los
transformadores de corriente y transformadores de potencial. Por ejemplo, supóngase
que ocurre una falla a una distancia nZL Ω desde el relevador. Dado que la tensión en el
lugar de la falla es: VF = 0V, la tensión medida por el relevador es: VR = IR n ZL y la
corriente medida por el relevador es IR, obteniéndose que:
Que es la impedancia al punto de falla.
57
5.6 Zonas de protección.
El esquema básico de los relevadores de distancia comprende una zona 1 instantánea y
al menos dos zonas con disparo temporizado. Los relés digitales pueden tener hasta 5
zonas y algunas de ellas se puede ajustar para operar hacia atrás. Los ajustes típicos de
cada zona son:
- Zona 1: Alcance = 80% impedancia de la línea; Tiempo: instantáneo
- Zona 2: Alcance = 120% impedancia de la línea: Tiempo: 0.3 a 0.6 s
- Zona 3: Alcance = respaldo de líneas adyacentes: Tiempo: >1 s [13]
5.7 Ajuste del relevador de distancia (21).
Para proponer el ajuste del relevador de distancia para una línea de prueba (ver figura
5.1), se requiere tener las relaciones de transformación de los transformadores de
corriente y de potencial (ver anexo B). Lo cual:
RTC= 300/5 para el transformador de corriente.
RTP= 138000/115. Para el transformador de potencial.
Como se mencionó anteriormente se utilizó una potencia base de Sbase =100MVA y una
tensión de base de Vbase = 230kV.
El relevador seleccionado para este caso es un relevador General Electric que en su
catálogo da los siguientes datos.
Unidad Modelo Alcance mínimo. (ohm)
ymin o zmin
Franja de alcance (ohm)
Zs
Ángulo.
Reactancia Largo Corto
0.25 0.50 1.0 0.10 0.20 0.40
0.25 a 10 0.10 a 4
* * * * * *
MHO Largo Corto
2.5 1.0
2.5 a 10 1.0 a 4
60 a 70º 60 a 70º
58
Cálculo de ajuste para la zona 1.
Para la línea 1 se tiene una impedancia de: 0.005+0.045i P.U = (0.5+4.5i) %
Se calcula la reactancia primaria para el primer tramo.
(
La reactancia que ve el relevador para el primer tramo en cantidades secundarias.
Considerando que la zona 1 se ajusta para un alcance del 90%, K=0.90.
Ω, secundarios.
Con este dato se entra a la tabla de características del relevador en la franja o zona de
alcance en la unidad de reactancia en el modelo largo que es de 0.25 a 10, por lo tanto
1.071 se encuentra dentro de este rango.
El tap de ajuste en la primera zona.
Se ajusta la Zona 1 Ti= 94%.
59
La impedancia total de la línea es igual a
(
(
Suponiendo que la zona 2 alcanza menos del 10% más del total de la línea.
El tap de ajuste en la zona 2.
(
( (
(
Se ajusta la Zona 2 Tii= 87% [14]
Figura 5.2 Conexión del relevador de distancia.
A continuación se analiza el funcionamiento del esquema de teleprotección conocida
como PUTT. El diagrama de comunicación se muestra en la fig. 5.3.
60
Figura 5.3 Aplicación de los canales de comunicación en la teleprotección con el esquema
PUTT.
Donde la zona 1S y 1R se ajustó en los taps de los relevadores al 94%, así mismo el
ajuste de la zona 2S y 2R Se ajustó al 87%de los taps disponibles en los relevadores.
A este relevador se le implementa un canal de comunicación como lo es la fibra óptica la
cual tiene la capacidad de que por medio de código binario o sea (0,1) donde el “1”
representa un cierre para las entradas de las compuertas y el “0” representa abierto para
las entradas de las compuertas, para dar a conocer cuando hay una falla en la línea de
transmisión, por medio del principio de funcionamiento de un disparo transferido en
subalcance permisivo, ver figura 4.3 del capítulo 4, en los extremos de la línea se tiene
un transmisor y un receptor, los cuales recaudan la información de lo que acontece en la
línea para poder disparar los interruptores que son S y R, los cuales como se muestra en
la figura 5.3, se compone cada uno por una compuerta lógica AND y una OR. En la
figura 5.3 se observa que si no hay falla en la línea, todos los valores en las entradas a
las compuertas deben de ser cero.
Para falla externa o la derecha de la subestación del interruptor (R).
La zona 2S detecta la falla y recibe un “1” en la compuerta AND del interruptor S y un “0”
de la zona 1R que no detecto la falla, y a la vez se tiene un “0” en la salida de la
compuerta AND del interruptor S y lo manda a la compuerta OR del interruptor S, y a la
61
vez la señal de la zona 2S tarda un tiempo de 0.3 a 0.6 segundos en mandar la señal a
la zona 1S, al recibir esta señal se tiene en la entrada de la compuerta OR del interruptor
S un “1”, por lo cual esta hace que se active aunque nada más tenga un “1” lógico en su
entrada y así opere el interruptor S.
Para falla interna.
Para una falla interna, quien la observan son las zonas 1S y 1R lo cual hacen que se
tengan en las compuertas OR en sus entradas un “1”, y operen las dos compuertas OR
en automático para disparar los interruptores S y R, ya que las compuertas OR
necesitan que en su entrada se tenga un “1” lógico para que en sus salidas se tenga un
“1” lógico para que operen los interruptores.
62
CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES.
Este trabajo cumplió con las expectativas de mostrar los diferentes canales de
comunicación, su principio de funcionamiento y como es que se instalan sobre las líneas
de transmisión.
Se presentó un caso de estudio, en el que fue útil para realizar las operaciones
matemáticas correspondientes para hacer el cálculo de corto circuito y con su respectiva
simulación. Por otro lado, a partir de los datos de la impedancia de las líneas se pudo
realizar el cálculo de ajuste del relevador de distancia para la línea de prueba.
Se describe la lógica de la respuesta del canal de comunicación para el caso cuando los
relevadores detectan fallas internas con una explicación de la lógica del (PUTT), así
como también para fallas externas.
De donde se concluye que haciendo, el uso de un canal de comunicación se alcanza
una protección total de la línea.
Se espera que en el futuro se aproveche las habilidades y conocimientos adquiridos en
este trabajo para ponerlo en práctica en alguna empresa que requiera de estos
esquemas y tecnologías, para la protección de su Sistema Eléctrico de Potencia, en
especial la parte de líneas de transmisión.
Finalmente, se concluye que el uso de herramientas computacionales para el modelado
de los sistemas eléctricos de potencia, ayudan al estudiante en la comprensión de los
diferentes fenómenos que se presentan en una red eléctrica, así como de la respuesta
de sus esquemas de protección.
63
Referencias.
- [1] Donald G. Fink,H. Wayne Beaty,John M. Carroll. Manual práctico de
electricidad para ingenieros. Tomo 1. 11ª. ed. New york U.S.A.
Reverte;1981
- [2] Xiao Hui, Zeng Xiangjun, Fan Shaosbeng, Wu Xuebin, Kuang Lang.
Medium-voltage Power Line Carrier Communication System. Conference
on Power System Technology-Powercom. Singapur; 2004.
[3] Comunicación via microondas. [Base de datos en línea]. Cuba; EcuRed
conocimiento para todos. 2009 [fecha de acceso 14 de abril de 2014]. URL
disponible en:
http://www.ecured.cu/index.php/Comunicaci%C3%B3n_v%C3%ADa_micro
ondas
- [4] Olvera Blanco Francisco Joel. Relevadores de Protección Aplicados a las líneas de transmisión. [Tesis de Maestría]. Nuevo León Méx. Universidad Autónoma de Nuevo León; 1999.
- [5] M.A. Bostwickm and E.L. Harder. Relay Protection of Tapped Transmision Lines. American Institute of Electrical Engineers. New York U.S.A; 1985.
- [6] J.Lewis Blackburn, Thomas J. Domin Protective relaying. Principles and applications. 2a ed. New York U.S.A. Marcel Dekker Inc; 1997.
- [7] Norma de referencia nrf-041-cfe-2005. Esquemas normalizados de protecciones para líneas de transmisión.
- [8] Ricardo Durán Franco “Criterios de ajuste de esquemas de protección
de líneas de transmisión y su aplicación en líneas compensadas”.
64
- [9] Anaya Mora Rene Jaime. “Equipos de teleprotección en subestaciones
eléctricas”. [Tesis de Ingeniería]. Puebla. Méx. Benemérita Universidad
Autónoma de Puebla; 2003.
- [10] PowerWorld Simulator. [descarga del programa] Estados Unidos.
PowerWorld corporation. [fecha de acceso 10 de agosto de 2014]. URL
disponible en: http://www.powerworld.com/.
- [11] Jonh. J. Grainger. y Willian D. Stevenson jr. Análisis de sistemas de
potencia. 2ª ed. U.S.A. Mc. Graw-Hill; 1996.
- [12] Apuntes de componentes simétricas. [Base de datos en linea]. España
2006. [Fecha de acceso 16 de marzo de 2016]. URL disponible en:
http://www.iit.upcomillas.es/pablof/asee/cc/componentes%20simetricas.pdf
- [13] Curso de estabilidad de Sistemas Eléctricos de Potencia. [Base de
datos en linea]. Uruguay. Universidad de la Republica – Uruguay. 2007
[fecha de acceso 30 de enero de 2015]. URL disponible en:
http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/esep/material/Curso%20estabilidad,%20Pr
otecciones.pdf
- [14] Enriquez Harper Gilberto. Fundamentos de protección de sistemas
eléctricos por relevadores. 2ª ed. México D.F. Limusa; 1996.
65
ANEXO A. Cálculos de corto circuito.
Para realizar el cálculo de corto circuito por el método de componentes simétricas
se debe de realizar primero los diagramas representativos de secuencia positiva,
negativa y cero por ejemplo los diagramas que se generan a partir de la figura
número 5.1.
Diagrama de secuencia (“+”)
Se dibuja primero el diagrama de secuencia positiva en el cual se representan las
reactancias de los elementos con el símbolo de una resistencia como se observa
en el diagrama de la figura A-1, se coloca primero las fuentes generadoras que se
tengan, con una tensión unitaria de ( 1 + 0i ) y se conectan en el neutro, que en
este caso se representa con una línea, después se le agregan a las fuentes de
generación sus respectivas reactancias de secuencia positiva, después el bus en
el cual está conectadas, posteriormente se colocan las reactancias respectivas de
los transformadores y se agregan los buses en los cuales están conectados y
luego las reactancias de las líneas de transmisión y colocando sus respectivos
buses y por último las cargas.
(Ver los valores de las reactancias de secuencia positiva o reactancia subtransitoria (x´´),
ver la tabla 5.2 del capítulo V).
Figura A-1 Diagrama de secuencia positiva. Nota: El bus 4 se coloca a la mitad de (L1) entre bus tres y cinco, y se divide en dos la
impedancia de la línea.
66
Diagrama de secuencia negativa (“-”)
Para el diagrama de secuencia negativa que se observa en la figura A-2, se hace
el mismo procedimiento que en el de secuencia positiva, solo que aquí ya no se
toman en cuenta las fuentes de generación sino únicamente su reactancia de
secuencia negativa.
(Ver los valores de las reactancias de secuencia negativa X( -) ver la tabla 5.2 del capítulo V).
Figura A-2 Diagrama de secuencia negativa.
Nota: El bus 4 se coloca a la mitad de (L1) entre bus tres y cinco, y se divide en dos la
impedancia de la línea.
Una vez obtenidos los diagramas de secuencia positiva y negativa se procede a
obtener las admitancias de cada uno de los elementos que conforman este
sistema eléctrico de potencia, como son los mismos valores en los dos diagramas
se tienen las siguientes operaciones, así como los resultados de las admitancias.
67
YG1 = YG2 =
= - 15.15 i
YT1 = YT2 =
= - 20.83 i
YL1 a 50km=
= 2.43-21.95 i
YL2 =
= 1.52- 13.72 i
YL3 =
= 2.03- 18.29 i
Ycarga =
=2.506+0.495 i
Para obtener la matriz de Ybus, primero se muestra la diagonal de la matriz, y se
busca los elementos conectados en cada uno de los buses y se suman las
admitancias conectadas.
Bus 1
Bus 2
Bus 3
Bus 4
Bus 5
Bus 6
Ejemplo.
En el Bus 1 se tiene conectado el generador 1 y el transformador 1, según los
diagramas de secuencia de las figuras A-1, A-2 por lo que se suman las
admitancias.
(
En el Bus 3 por ejemplo se tiene que está conectado el transformador 1, la línea 1
a 50 Km y la línea 2 por lo que se suman las admitancias.
( (
Y así sucesivamente se hace con los demás buses de la diagonal y se agregan
en la matriz.
68
Los elementos fuera de la diagonal son los que se encuentran conectados entre
buses.
Bus1 al
Bus 2
Bus 1 al
Bus 3
Bus 1 al
Bus 4
Bus 1 al
Bus 5
Bus 1 al Bus
6
Bus 2 al
Bus 1
Bus 2 al
Bus 3
Bus 2 al
Bus 4
Bus 2 al
Bus 5
Bus 2 al Bus
6
Bus 3 al
Bus 1
Bus 3 al
Bus 2
Bus 3 al
Bus 4
Bus 3 al
Bus 5
Bus 3 al Bus
6
Bus 4 al
Bus 1
Bus 4 al
Bus 2
Bus 4 al
Bus 3
Bus 4 al
Bus 5
Bus 4 al Bus
6
Bus 5 al
Bus 1
Bus 5 al
Bus 2
Bus 5 al
Bus 3
Bus 5 al
Bus 4
Bus 5 al Bus
6
Bus 6 al
Bus 1
Bus 6 al
Bus 2
Bus 6 al
Bus 3
Bus 6 al
Bus 4
Bus 6 al
Bus 5
Por ejemplo:
Del Bus 1 al Bus 3 se tiene conectado el transformador 1, según los diagramas de
secuencia de las figuras A-1. A-2 por lo que la admitancia es.
(
Del Bus 1 al Bus 2 no hay nada conectado entre estos buses, por lo que se dice
que no se tiene ninguna admitancia entre ellas.
Y así sucesivamente se hace con los demás y se agregan en la matriz.
Por lo que la Matriz Ybus queda de la siguiente manera:
0.00-35.98i 0 -0.00+20.83i 0 0 0
0 0.00-35.98i 0 0 0+20.83i 0
-0+20.83i 0 3.95-56.5i -2.43+21.95i 0 -1.52+13.72i
0 0 -2.43+21.95i 4.86-43.90i -2.43+21.95i 0
0 -0.00+20.83i 0 -2.43+21.95i 4.46-61.07i -2.03+18.29i
0 0 -1.52+13.72i 0 -2.03+18.29i 6.05-31.51i
69
Matriz zbus. de secuencia positiva y negativa.
Haciendo la matriz inversa de Ybus de secuencia positiva y negativa se obtiene la
matriz zbus mostrada en la siguiente tabla A-1.
Tabla A-1 MATRIZ DE Z BUS DE SECUENCIA POSITIVA Y NEGATIVA.
0.00297858 + 0.050419 i 0.0024806 + 0.015454 i 0.0051449 + 0.039082 i 0.0047149 + 0.032879 i 0.0042849 + 0.026676 i 0.0071991 + 0.031643 i
0.0024806 + 0.015454 i 0.0032781 + 0.050383 i 0.0042849 + 0.026676 i 0.0049736 + 0.032848 i 0.0056624 + 0.039021 i 0.0077546 + 0.033347 i
0.0051449 + 0.039082 i 0.0042849 + 0.026676 i 0.008869 + 0.067507 i 0.0081441 + 0.056792 i 0.0074014 + 0.046077 i 0.012435 + 0.054657 i
0.0047149 + 0.032879 i 0.0049736 + 0.032848 i 0.0081441 + 0.056792 i 0.010858 + 0.079269 i 0.0085911 + 0.0567 i 0.012914 + 0.056103i
0.0042849 + 0.026676 i 0.0056624 + 0.039021 i 0.0074014 + 0.046077 i 0.0085911 + 0.0567 i 0.0097808 + 0.067402 i 0.013394 + 0.057602 i
0.0071991 + 0.031643 i 0.0077546 + 0.033347 i 0.012435 + 0.054657 i 0.012914 + 0.056103i 0.013394 + 0.057602 i 0.023344 + 0.085950 i
Para calcular la corriente de corto circuito trifásica se debe de tomar los
elementos de la diagonal de la matriz zbus de secuencia positiva para cada uno de
los buses de acuerdo a la siguiente fórmula:
(
Calculando la corriente de corto circuito trifásico en p.u, en el bus 3, 4 y 5 que es
donde conecta la línea L1 a proteger.
Por lo que se puede concluir que la corriente de corto circuito trifásico, es
correctamente calculada empleando las ecuaciones correspondientes, ya que
estos son similares a los obtenidos utilizando el software PowerWorld.
70
Diagrama de secuencia (“0”).
Para hacer el diagrama de secuencia cero se debe de tomar en cuenta las
conexiones que tienen los elementos del sistema eléctrico de potencia, ya que
primero se dibuja una tierra y se procede a ver si los generadores están
sólidamente aterrizados, se representan con un interruptor cerrado o si están
conectados en delta se toman como interruptores abiertos pero en el caso de
estudio están sólidamente aterrizados, lo mismo sucede con los transformadores
ya que igual se representan como una resistencia pero sin conectarse con los
buses, ya que si por el lado del devanado de baja tensión es conectado en delta
se toma como circuito abierto y por el lado de alta tensión están conectados en
estrella se cierra a condición de que se conecte en el bus, las líneas van
aterrizadas y la carga no está sólidamente aterrizada por lo cual en este caso se
va a tierra también, es importante observar bien las conexiones de cada uno de
los elementos. (Ver figura A-3).
(Ver los valores de las reactancias de secuencia cero X( 0 ) en la tabla 5.2 del capítulo V.)
Figura A-3 Diagrama de secuencia cero. Nota: El bus 4 se coloca a la mitad de (L1) entre bus tres y cinco, y se divide en dos la
impedancia de la línea.
71
Ya obtenido el diagrama de secuencia cero se procede a obtener las admitancias
de cada uno de los elementos que conforman este sistema eléctrico de potencia,
YG1 = YG2 =
= - 30.30 i
YT1 = YT2 =
= - 20.83 i
YL1 a 50km =
= 0.975-8.780 i
YL2 =
= 0.609 - 5.48 i
YL3 =
= 0.813 - 7.31 i
Para obtener la matriz de Ybus, primero en la diagonal mostrada de la matriz se
agregan los elementos conectados en cada uno de los buses y se suman sus
admitancias.
Bus 1
Bus 2
Bus 3
Bus 4
Bus 5
Bus 6
Ejemplo.
En el Bus 1 se tiene conectado el generador 1 y el transformador 1 pero según la
conexión del transformador en el lado del devanado de baja tensión está
conectado en delta por lo que se considera como circuito abierto, por lo tanto su
admitancia es cero como lo muestra el diagrama de secuencia cero por lo que se
suman las admitancias.
(
En el Bus 3 por ejemplo se tiene que está conectado el transformador 1 que está
conectado en estrella por el lado del devanado de alta tensión lo que se considera
que está conectado en el bus, la línea 1 a 50 Km y la línea 2 por lo que se suman
las admitancias.
( (
72
Y así sucesivamente se hace con los demás buses de la diagonal y se agregan
en la matriz.
Los elementos fuera de la diagonal son los que se encuentran conectados entre
buses.
Bus1 al Bus 2
Bus 1 al Bus 3
Bus 1 al Bus 4
Bus 1 al Bus 5
Bus 1 al Bus 6
Bus 2 al Bus 1
Bus 2 al Bus 3
Bus 2 al Bus 4
Bus 2 al Bus 5
Bus 2 al Bus 6
Bus 3 al Bus 1
Bus 3 al Bus 2
Bus 3 al Bus 4
Bus 3 al Bus 5
Bus 3 al Bus 6
Bus 4 al Bus 1
Bus 4 al Bus 2
Bus 4 al Bus 3
Bus 4 al Bus 5
Bus 4 al Bus 6
Bus 5 al Bus 1
Bus 5 al Bus 2
Bus 5 al Bus 3
Bus 5 al Bus 4
Bus 5 al Bus 6
Bus 6 al Bus 1
Bus 6 al Bus 2
Bus 6 al Bus 3
Bus 6 al Bus 4
Bus 6 al Bus 5
Por ejemplo:
En el Bus 1 al Bus 3 se tiene conectado el transformador 1 según los diagramas
de secuencia por lo que la admitancia es cero por lo conexión delta que se aterrizó
a tierra en el bus 1.
(
En el Bus 1 al Bus 2 por ejemplo se tiene que no está conectado nada entre
estos buses por lo que se dice que no se tiene ninguna admitancia entre ellas.
Y así sucesivamente se hace con los demás y se agregan en la matriz.
73
Por lo que la Matriz Ybus queda de la siguiente manera.
0.00-30.30i 0 0 0 0 0
0 0.00-30.30i 0 0 0 0
0 0 1.59-35.10i -0.98+8.78i 0 -0.61+5.49i
0 0 -0.98+8.78i 1.95-17.56i -0.98+8.78i 0
0 0 0 -0.98+8.78i 1.79-36.93i -0.81+7.32i
0 0 -0.61+5.49i 0 -0.81+7.32i 1.42-12.80i
Matriz zbus. de secuencia cero.
Haciendo la matriz inversa de Ybus de secuencia cero se obtiene la matriz zbus
mostrada en la tabla A-2.
Tabla A-2 MATRIZ DE Z BUS DE SECUENCIA CERO.
Para calcular la corriente de corto circuito monofásico de cada uno de los buses se
debe de tener las 3 impedancias (positiva, negativa y cero) de las diagonales de la
matriz Zbus.
( ( (
Calculando la corriente de corto circuito monofásica en p.u, en el bus 3, 4 y 5 que
es donde conecta la línea L1 a proteger.
( ( (
( ( (
0.0000 + 0.033003 i 0 0 0 0 0
0 0.0000 + 0.033003i 0 0 0 0
0 0 0.00064352 + 0.037912 i - 0.0000192 + 0.024010 i - 0.000655 + 0.01106 i - 0.0000997 + 0.022040 i
0 0 - 0.0000192 + 0.024010 i 0.0062140 + 0.080266 i - 0.0000192 + 0.02401 i - 0.0000172 + 0.024029 i
0 0 - 0.000655 + 0.01106 i - 0.0000192 + 0.02401 i 0.0006436 + 0.037913 i 0.00009236 + 0.06015 i
0 0 - 0.0000997 + 0.022040 i - 0.0000172 + 0.024029 i 0.00009236 + 0.06015 0.0085741 + 0.1015 i
74
( ( ) (
Por lo que se puede concluir que la corriente de corto circuito monofásico, es
correctamente calculada empleando las ecuaciones correspondientes, ya que
estos son similares a los obtenidos utilizando el software PowerWorld.
75
ANEXO B. Tablas de relaciones de transformación para
transformadores de corriente y de potencial.
Según la norma de referencia de Comisión Federal de Electricidad NRF-027-CFE-2010. Nos muestra las relaciones de transformación de los TC´s, así como las características que deben de cumplir al instalarlos.
Relaciones de transformación de los TC´s.
5:5 150:5 1500:5
10:5 200:5 1600:5
15:5 250:5 2000:5
20:5 300:5 3000:5
25:5 400:5 4000:5
30:5 500:5 5000:5
40:5 600:5 6000:5
50:5 800:5 8000:5
75:5 1000:5 12000:5
100:5 1200:5
Según la norma de referencia de Comisión Federal de Electricidad NRF-026-CFE-2004. Nos muestra las relaciones de transformación de los TP´s en la página 11 de dicha norma, así como las características que deben de cumplir para su correcta instalación.
Relación de transformación de los TP´s
Tensión nominal del sistema (kV)
Tensión máxima de diseño. (kV)
Relación de transformación.
Clase y potencia de exactitud.
13.8 15 8400/120 0.3 W,X,Y
23.0 25.8 14400/120 0.3 W,X,Y
34.5 38 20125/115 0.3 W,X,Y
69.0 72.5 40250/115 0.3 W,X,Y,Z
115.0 123.0 69000/115 0.3 W,X,Y,Z
138.0 145.0 80500/115 0.3 W,X,Y,Z
161.0 170.0 92000/115 0.3 W,X,Y,Z
230.0 245.0 138000/115 0.3 W,X,Y,Z
400.0 420.0 241500/115 0.3 W,X,Y,Z
76
ANEXO C. Simbología.
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