ES2308913B1 - Proteccion de linea electrica para determinar el sentido en el que se produce una falta. - Google Patents
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Abstract
Protección de línea eléctrica para determinar el
sentido en el que se produce una falta, que emplea la potencia de
secuencia directa. Para ello calcula un valor escalar a partir de la
tensión de prefalta (V_{1}^{P}), la variación de tensión
respecto a la prefalta (\DeltaV_{1}), la variación de la
intensidad respecto a la prefalta (\DeltaI_{1}), la impedancia
de secuencia directa de la línea (Z_{L1}), el máximo desfase entre
tensiones sanas en ambos extremos de línea (\theta) y los valores
ajustados por el usuario (\gamma, \delta) que se compara con
dos referencias prefijadas (K_{F}, K_{R}), también fijadas por
el usuario, para determinar la dirección de la falta.
El valor escalar se calcula mediante la
siguiente expresión:
La regla de decisión para determinar la
dirección de la falta es:
\bullet Si \kappa<K_{F} la falta se ha
producido hacia delante.
\bullet Si \kappa> K_{R} la falta se ha
producido hacia atrás.
Description
Protección de línea eléctrica para determinar el
sentido en el que se produce una falta.
- Área:
- Ingeniería Eléctrica
- Disciplina:
- Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia
- Sector de Actividad:
- Unidad direccional para ser empleada en equipos de protección del sistema eléctrico de potencia
Para un equipo de protección responsable de
actuar ante los cortocircuitos que se producen en una determinada
línea eléctrica es imprescindible determinar, cuando se produce un
cortocircuito, si éste ha tenido lugar en la dirección de la línea
que está cubriendo (falta hacia delante) o en la dirección
contraria en una línea contigua (falta detrás).
La unidad que determina la dirección en la que
se ha producido la falta se denomina comúnmente unidad direccional
y tiene un papel primordial en la calidad del equipo de protección
en el que se integra.
Las unidades direccionales existentes basan su
funcionamiento en la descomposición de las tensiones e intensidades
que aparecen en un cortocircuito en tensiones e intensidades de
tres redes de secuencia denominadas secuencia directa, inversa y
homopolar respectivamente.
Las unidades direccionales se clasifican en
función de las secuencias que emplean para determinar cuál es la
dirección en la que se ha producido la falta y existen así
direccionales de secuencia homopolar, direccionales de secuencia
inversa y direccionales de secuencia directa.
Las unidades de secuencia homopolar se emplean
para determinar la dirección en la que se producen las faltas
monofásicas y bifásicas a tierra mientras que las unidades de
secuencia inversa se emplean tanto para faltas monofásicas como
bifásicas. Por último, para determinar la dirección en la que se
producen las faltas trifásicas se emplea el direccional de
secuencia directa.
La unidad que nos ocupa es una unidad de
secuencia directa que mejora la unidad de secuencia directa
tradicional empleada para determinar la dirección en la que se
producen las faltas trifásicas mejorando su comportamiento ante
faltas trifásicas y haciendo que sea válida no sólo para faltas
trifásicas, sino para todo tipo de falta.
La técnica tradicional empleada en el
direccional de secuencia directa se basa en el cálculo de la
siguiente expresión:
Donde:
- \bullet
- V_{1}^{P} es la tensión de secuencia directa donde está instalada la unidad antes de producirse el cortocircuito.
- \bullet
- I_{1}* es la intensidad de falta de secuencia directa conjugada donde está instalada la unidad.
- \bullet
- \theta_{L1} es el ángulo de la impedancia directa de la línea.
La regla de decisión para determinar la
dirección de la falta es:
- \bullet
- Si \chi>0 la falta se ha producido en la dirección hacia delante.
- \bullet
- Si \chi<0 la falta se ha producido en la dirección hacia atrás.
La nueva unidad que se presenta se apoya en una
técnica inédita de los autores de la invención que demuestra que la
secuencia directa puede ser descompuesta en cuatro términos dos de
los cuáles tienen siempre direcciones contrarias -uno de los
términos va de la falta a la unidad y otro de la unidad a la falta-
y que, por lo tanto, es mucho más conveniente dividir la potencia
de secuencia directa y considerar esos dos términos por
separado.
Además de la nueva técnica sobre las potencias
puestas en juego en el cortocircuito, la unidad que se presenta
emplea la nueva polarización por potencia cuya originalidad y
propiedad aparece en la solicitud de patente P200602716, presentada
asimismo por los inventores. Por último, este direccional se puede
combinar con el mostrado en la citada solicitud P200602716 para dar
lugar a un único direccional generalizado que abarca todos los
tipos de falta con un único comparador empleando el máximo de
información que se puede obtener en un cortocircuito.
En posteriores apartados se mostrara que el
direccional de secuencia directa que se viene empleando adolece de
un problema importante que el nuevo direccional que se presenta no
padece.
La documentación más importante para conocer al
detalle cuál es el estado del arte es la que citamos a
continuación:
(1) U.S. Patent No. 5,808,845 - System for
preventing sympathetic tripping in a Power System.
(2) EP 0 769 836 A2 - A Directional Element.
(3) U.S. Patent No. 5,349,490 - Negative
sequence directional element for a relay useful in protecting power
transmission lines.
(4) U.S. Patent No. 5,365,396 - Negative
sequence directional element for a relay useful in protecting power
transmission lines.
(5) CA 2 108 443 - Negative Sequence Directional
Element For a Relay Useful In Protecting Power Transmission
(6) G.E. Alexander, Joe Mooney and
William Tyska, Joe, "Advanced Application Guidelines for
Ground Fault Protection", 28^{th} Annual Western Protective
Relay Conference, Spokane, WA, October 2002.
(7) Jeff Roberts, Demetrious
Tziouvaras, Gabriel Benmouyal et al, "The
effect of Multiprinciple Line Protection on Dependability and
Security", Schweitzer Engineering Laboratories Technical
Papers, Pullman, WA 2001.
(8) Bogdan Kasztenny, Dave
Sharples, Bruce Campbell and Marzio Pozzuoli,
"Fast Ground Directional Overcurrent Protection - Limitations and
Solutions", 27^{th} Annual Western Protective Relay
Conference, Spokane, WA, October 2000.
(9) Elmo Price, "Sequence Coordination
Study AN-55L-00", Substation
Automation and Protection Division, ABB Application Note, March
2000.
(10) G. Benmouyal and J. Roberts,
"Superimposed Quantities: Their True Nature and Their Application
in Relays", 26^{th} Annual Western Protective Relay
Conference, Spokane, WA, October 1999.
(11) J.L. Blackburn, "Protective
Relaying: Principles and Application", Second Edition, Marcel
Dekker Inc. New York, 1998.
(12) Bill Fleming, "Negative Sequence
Impedance Directional Element", Schweitzer Engineering
Laboratories Technical Papers, Pullman, WA 1998.
(13) Joe Mooney and Jackie Peer,
"Application Guidelines for Ground Fault Protection",
24^{th} Annual Western Protective Relay Conference,
Spokane, WA, October 1997.
(14) Jeff Roberts and Edmund O.
Schweitzer III, "Limits to the Sensitivity of Ground
Directional and Distance Protection", 1997 Spring Meeting of
the Pennsylvania Electric Association Relay Committee,
Allentown, Pennsylvania, May 1997.
(15) Armando Guzman, Jeff Roberts
and Daquing Hou, "New Ground Directional Elements Operate
Reliably For Changing System Conditions", 51st Annual Georgia
Tech Protective Relaying Conference, Atlanta, Georgia, April
1997.
(16) P.M. Anderson, "Analysis of
Faulted Power Systems", IEEE-Press - Power
Engineering Series, 1995.
(17) P.G. McLaren, G.W. Swift
et al, "A New Directional Element for Numerical Distance
Relays", IEEE-PES Summer Meeting, San
Francisco, CA, July 28, 1994, Paper No. 94 SM 429-1
PWRD.
(18) Jeff Roberts and Armando
Guzman, "Directional Element Design and Evaluation";
21^{th} Annual Western Protective Relay Conference,
Spokane, WA, October 1994.
(19) Karl Zimmerman and Joe
Mooney, "Comparing Ground Directional Element Performance
Using Field Data", 20^{th} Annual Western Protective Relay
Conference, Spokane, WA, October 1993.
(20) G.E. Alexander and J.G.
Andrichak, "Ground Distance Relaying: Problems and
Principles", 19^{th} Annual Western Protective Relay
Conference, Spokane, WA, October 1991.
(21) IEEE Guide for Protective Relay
Applications to Transmission Lines. IEEE standard, January
2000.
La invención que se presenta es una nueva unidad
direccional de secuencia directa que mejora notablemente la
respuesta de la unidad de secuencia directa tradicional al
descomponer la potencia en sumandos que son tratados separadamente
extrayendo el máximo de información posible de las magnitudes de
secuencia directa.
Consiste en una unidad direccional para ser
empleada en un Sistema Eléctrico de Potencia que, cuando se produce
un cortocircuito, emplea la potencia de secuencia directa que
circula por el punto en el que está situada la unidad y la consumida
por la línea para determinar la dirección en que se encuentra el
cortocircuito. Para ello calcula un valor escalar a partir de la
tensión de prefalta (V_{1}^{P}), la variación de tensión
respecto a la prefalta (\DeltaV_{1}), la variación de la
intensidad respecto a la prefalta (\DeltaI_{1}), la impedancia
de secuencia directa de la línea (Z_{L1}), el máximo desfase entre
tensiones sanas en ambos extremos de línea (\theta) y los valores
ajustados por el usuario (\gamma, \delta) que se compara con dos
referencias prefijadas (K_{F}, K_{R}), también fijadas por el
usuario, para determinar la dirección de la falta.
El valor escalar se calcula mediante la
siguiente expresión:
La regla de decisión para determinar la
dirección de la falta es:
- \bullet
- Si x<K_{F} la falta se ha producido en la dirección hacia delante.
- \bullet
- Si x> K_{R} la falta se ha producido en la dirección hacia atrás.
\vskip1.000000\baselineskip
El presente invento preconiza una protección de
línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una
falta, que se caracteriza porque consta de una unidad direccional
que recibe las magnitudes de la línea eléctrica de tensión de
secuencia directa (V_{1}), tensión de secuencia directa existente
antes de producirse la falta (V_{1}^{P}), intensidad de
secuencia directa (I_{1}), intensidad de secuencia directa
existente antes de producirse la falta (I_{1}^{P}), constando
la unidad direccional de:
a) un módulo calculador de potencias que consta
de medios para
- a_{1})
- calcular la potencia de secuencia directa suministrada por la fuente al cortocircuito (S_{FI}) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión:
- siendo \DeltaI_{1}^{\text{*}} la conjugada del incremento de la intensidad de secuencia directa (\DeltaI_{1} = I_{1} - I_{1}^{P});
\vskip1.000000\baselineskip
- a_{2})
- calcular la potencia de secuencia directa consumida por la totalidad de la línea (S_{L1}) debido a la falta, de acuerdo con la siguiente expresión:
- siendo Z_{L1} la impedancia de la línea eléctrica de secuencia directa;
\vskip1.000000\baselineskip
- a_{3})
- calcular la potencia de secuencia directa (S_{1}) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión:
- siendo \DeltaV_{1}^{\text{*}} la conjugada del incremento de la tensión de secuencia directa (\DeltaV_{1} = V_{1} - V_{1}^{P});
b) un módulo de decisión que consta de medios
para:
- b_{1})
- determinar una señal de polarización que responde a la expresión:
- donde S_{L1} es la potencia de secuencia directa de la línea y \gamma es el porcentaje de esa potencia que deseamos incluir en la unidad.
\vskip1.000000\baselineskip
- b_{2})
- determinar una señal de operación que responde a la expresión:
- donde S_{1} = \DeltaV_{1}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1} y S_{F1} = V_{1}^{P}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1} son las potencias de secuencia directa suministradas y consumidas por el cortocircuito respectivamente y K es el valor frontera elegido por el usuario, siendo K=K_{F} para faltas delante y K=K_{R} el valor frontera para faltas detrás;
\vskip1.000000\baselineskip
- b_{3})
- determinar la parte real (Re) del producto de la señal de operación por el conjugado de la señal de polarización, de acuerdo con la expresión:
\vskip1.000000\baselineskip
- b_{4})
- decidir que el sentido de la falta se ha producido "delante" del sistema cuando la parte real (Re) es negativo y "detrás" cuando la parte real es positiva, lo que formalmente se expresa:
\vskip1.000000\baselineskip
También se caracteriza porque deducida de
Re{S_{OP}\cdotS^{\text{*}}_{POL}}\leq 0 la expresión
y fijados la \kappa como valor
frontera K_{F} para faltas delante y el valor frontera K_{R}
para faltas detrás, dispone el módulo de decisión de medios
direccionales para decidir que
si:
- \kappa\leq K_{F} la falta se ha producido en sentido hacia delante
- \kappa\geq K_{R} la falta se ha producido en sentido hacia detrás
activándose su correspondiente salida.
\vskip1.000000\baselineskip
También se caracteriza porque el sistema consta
de circuitos contadores, uno que cuenta las muestras durante las
que se mantiene la salida "hacia delante" activada y otro que
cuenta las muestras durante las que se mantiene la salida "hacia
detrás" activada, activándose la salida de los circuitos
contadores cuando el número de muestras acumulado es tal que el
tiempo durante el cuál se ha mantenido la respuesta es superior al
correspondiente a una temporización (valor umbral)
predeterminada.
También se caracteriza porque consta de un
circuito contador que, durante un tiempo prefijado, bloquea la
activación de la salida en sentido "delante" para no permitir
que cambios de flujo debidos a actuaciones de unos interruptores
asociados del sistema den lugar a actuaciones indebidas de la
unidad.
También se caracteriza porque consta de un
módulo de adaptación de señal que consta de:
- a)
- un circuito de memoria que almacena los valores de tensión e intensidad presentes en el momento anterior a producirse el cortocircuito.
- b)
- dos restadores que calculan la variación de tensión e intensidad entre la situación de prefalta y falta.
\vskip1.000000\baselineskip
También se caracteriza porque el arranque de la
unidad no se produce si la variación de intensidad de secuencia
directa no supera un umbral prefijado por el usuario.
Esta unidad tiene las siguientes características
mejoradas frente a la unidad de secuencia directa tradicional:
- \bullet
- Ninguna de las magnitudes que intervienen en la expresión incluye la intensidad de carga que introduce un sesgo o error en la medida de la direccionalidad.
- \bullet
- Se emplean tanto las tensiones como las intensidades de falta y prefalta con lo que la información que se utiliza es la máxima que se puede obtener en un cortocircuito de la secuencia directa.
- \bullet
- El nivel de señal que se obtiene es muy superior al de la unidad direccional de secuencia directa tradicional.
- \bullet
- Se puede emplear para todo tipo de faltas, tanto monofásicas, como bifásicas (puras y a tierra) como a trifásicas.
- \bullet
- Es compatible con las unidades de secuencia homopolar e inversa pudiendo sumarse efectos para obtener una única unidad direccional generalizada.
\vskip1.000000\baselineskip
En la Figura 1 se muestra una línea eléctrica de
un sistema eléctrico de potencia. La línea eléctrica está situada
entre las subestaciones "A" y "B". En esta figura se
presenta la situación de funcionamiento normal de la línea, con
carga circulando de un extremo al otro. El sentido de circulación
de la potencia de uno a otro extremo viene fijado por los extremos
de las flechas. En este ejemplo hemos supuesto que la carga, tal y
como se aprecia en la figura, circula de "A" hacia
"B".
En la Figura 2 se presenta la situación que se
produce cuando la falta tiene lugar delante de la protección. En la
figura se aprecia que la componente
3\cdot\DeltaV_{1}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1} circula
desde la falta hacia las fuentes mientras que la componente
3\cdotV_{1}^{P}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1} circula desde
las fuentes hacia el cortocircuito.
En la Figura 3 se presenta la situación que se
produce cuando la falta se encuentra detrás de la protección. En la
figura se aprecia que las componentes de secuencia directa siguen
circulando igual que en el caso anterior:
3\cdot\DeltaV_{1}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1} circula
desde el cortocircuito hacia las fuentes mientras que
3\cdot\DeltaV_{1}^{P}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1} circula
desde las fuentes hacia el cortocircuito. Como la situación de la
falta respecto a la unidad ha cambiado, los dos sumandos cambian de
sentido cuando son medidos desde el punto donde está sita la
unidad.
En la Figura 4 se muestran las etapas en las que
se divide la actuación del equipo de protección y las relaciones
con los transformadores de medida y el interruptor de las figuras
1, 2 y 3.
En la Figura 5 se muestran las señales de
polarización y operación del comparador polarizado por potencia de
secuencia directa en el que se basa el funcionamiento de la unidad
cuando la falta se produce "detrás" de la protección:
En la Figura 6 se muestran las señales de
polarización y operación del comparador polarizado por potencia de
secuencia directa en el que se basa el funcionamiento de la unidad
cuando la falta se produce "delante" de la protección:
En la Figura 7 aparecen las tres zonas en las
que se divide la respuesta de la unidad en función del valor de
\kappa, siendo \kappa la salida del comparador de secuencia
directa:
En la Figura 8 se muestra la unidad, esto es, la
implementación de la misma. Se incluye por claridad el circuito de
memoria aunque es una unidad independiente que se emplea en varias
aplicaciones. Asimismo se incluye el circuito que confirma que la
salida es adecuada mediante la comprobación de que se mantiene
durante un determinado número de muestras.
En la Figura 9 se presentan las redes de
secuencia directa, inversa y homopolar conectadas de modo que
reflejen las relaciones existentes entre tensiones e intensidades
de las distintas secuencias cuando se produce una falta franca -esto
es, con resistencia de falta nula- en la fase R a tierra para una
falta "delante" de la protección a una determinada distancia
"p" (en tanto por uno) de la subestación A.
En la Figura 10 se presentan las redes de
secuencia directa, inversa y homopolar conectadas de modo que
reflejen las relaciones existentes entre tensiones e intensidades
de las distintas secuencias cuando se produce una falta franca -esto
es, con resistencia de falta nula- en la fase R a tierra para una
falta en un punto inmediatamente anterior al de ubicación de la
protección.
En la Figura 1 se muestran dos protecciones de
línea (9) y (10) que, a través de los transformadores de medida de
intensidad (5) y (6) y de los transformadores de medida de tensión
(7) y (8), que reducen las tensiones e intensidades a valores de
baja tensión normalizados, monitorizan las tensiones e intensidades
de la línea situada entre las subestaciones A y B.
En la Figura 4 se muestra la forma en que operan
las protecciones de ambos extremos a partir de las tensiones e
intensidades reducidas a valores normalizados por los
transformadores de medida. Estas tensiones e intensidades se filtran
analógicamente eliminando las componentes de alta frecuencia. Las
tensiones e intensidades filtradas se muestrean y, a partir de
estos valores, se obtienen los fasores de tensión e intensidad que
son empleados por las distintas unidades de protección que, mediante
la lógica apropiada, activan las salidas de la protección que abren
o cierran los interruptores de línea.
Retomando a la Figura 1, en condiciones de
funcionamiento normal los interruptores que se encuentran en ambos
extremos de línea (3) y (4) se encuentran cerrados y la potencia
que transporta la línea va desde una fuente (1) a la otra (2) a
través de ella. La potencia activa y reactiva transportadas por la
línea pueden calcularse en cada extremo mediante las expresiones
que aparecen en la figura 1 correspondiente a la situación
normal.
Cuando se produce un cortocircuito -Figuras 2 y
3- las protecciones de ambos extremos (9) y (10) lo detectan y dan
orden de apertura a los interruptores (3) y (4) aislando el
cortocircuito. En una red normal la energía tiene caminos
alternativos que permiten que la energía siga circulando de A hacia
B, con lo que la continuidad de servicio queda garantizada.
En general, la potencia aparente compleja que
circula por un punto de una línea trifásica puede calcularse a
partir de las tensiones e intensidades de las tres fases (R, S y T)
mediante la expresión:
La nueva teoría sobre las potencias puestas en
juego en un cortocircuito en una línea trifásica demuestra que,
cuando se produce un cortocircuito, la potencia se puede expresar
en función de las tensiones e intensidades de tres circuitos
denominados red de secuencia directa, red de secuencia inversa y
red de secuencia homopolar mediante la expresión:
Donde el significado de las variables, todas
ellas referidas al punto donde está la unidad, es el siguiente:
- \bullet
- V_{1}^{P}: tensión de secuencia directa antes de producirse el cortocircuito.
- \bullet
- I^{P^{\text{*}}}_{1}: intensidad de secuencia directa conjugada antes de producirse el cortocircuito.
- \bullet
- \DeltaV_{1}: variación de la tensión de secuencia directa debida al cortocircuito.
- \bullet
- \DeltaI^{\text{*}}_{1}: variación de la intensidad de secuencia directa conjugada debida al cortocircuito.
- \bullet
- V_{2}: tensión de secuencia inversa durante el cortocircuito.
- \bullet
- I^{\text{*}}_{2}: intensidad de secuencia inversa conjugada.
- \bullet
- V_{0}: tensión de secuencia inversa durante el cortocircuito.
- \bullet
- I^{\text{*}}_{0}: intensidad de secuencia inversa conjugada.
\vskip1.000000\baselineskip
Y el significado fisico de los términos, en
conformidad a la nueva teoría, es el siguiente:
- \bullet
- V_{1}^{P}\cdotI^{P^{\text{*}}}_{1}: flujo de carga en el instante anterior a producirse el cortocircuito.
- \bullet
- \DeltaV_{1}\cdotI^{P^{\text{*}}}_{1}: variación en el flujo de carga debida al cortocircuito.
- \bullet
- V_{1}^{P}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1}: potencia suministrada por la fuente al cortocircuito.
- \bullet
- \DeltaV_{1}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1}: potencia de secuencia directa devuelta por el cortocircuito.
- \bullet
- V_{2}\cdotI^{\text{*}}_{2}: potencia de secuencia inversa devuelta por el cortocircuito (S2).
- \bullet
- V_{0}\cdotI^{\text{*}}_{0}: potencia de secuencia homopolar devuelta por el cortocircuito (S0).
\vskip1.000000\baselineskip
La aplicación de estas expresiones en cada
extremo de la línea en situación de falta da lugar a las
situaciones descritas en la Figura 2 para "Faltas Delante" y la
Figura 3 para "Falta Detrás". Si comparamos ambas situaciones
vemos que para la protección sita en el extremo B no se aprecia
ninguna diferencia ya que todos los términos en los que podemos
descomponer la potencia mantienen su dirección.
En la unidad que nos ocupa sólo se han empleado
la potencia simétrica y no los términos de potencia de secuencia
homopolar e inversa por lo que los términos a tener en cuenta son
los siguientes:
Ahora bien, los términos asociados a la
corriente que circula por la línea antes de producirse el
cortocircuito (I_{1}^{P}) dependen del flujo de carga existente
en el instante en que se produce la falta y no están en absoluto
ligados al punto donde se produce el cortocircuito por lo que no
pueden ser empleados. Debido a ello sólo podemos emplear:
Analizando las Figura 2 y 3 se aprecia que el
primer sumando se dirige desde la fuente hacia el cortocircuito y
que el segundo tiene justo la dirección opuesta, esto es, va desde
el cortocircuito hacia la fuente. Ambos términos son nulos cuando la
línea se encuentra en funcionamiento normal por lo que podemos
definir una señal para determinar la dirección de cortocircuito de
la siguiente manera:
Donde el signo negativo tiene en cuenta el hecho
de que las dos componentes tienen sentidos opuestos.
Por otro lado, analizando las figuras 2 y 3 se
aprecia que la potencia devuelta por el cortocircuito que circula a
través de la protección sólo recorre la línea cuando la falta se
produce "detrás" de la unidad ya que cuando la falta se produce
delante la potencia devuelta por el cortocircuito que circula a
través de la unidad es la consumida por la fuente y no por la
línea. Teniendo esto en cuenta podemos tomar la potencia consumida
por la línea cuando la falta se produce detrás como referencia para
determinar la dirección en la que se ha producido el
cortocircuito:
\newpage
Heurísticamente podemos decir que las señales de
referencia y dirección coincidirán cuando la falta se produce
detrás y serán opuestas cuando la falta se produce delante. La
aplicación de este criterio se materializa a través de un comparador
cuya señal de polarización (referencia) es:
Y cuya señal de operación (actuación) es:
Los valores "\gamma" y "\delta"
representan los porcentajes de la potencia puesta en juego por el
cortocircuito y por la fuente respectivamente que deseamos emplear
en el comparador. La representación gráfica de ambas señales se
presenta genéricamente en la Figura 5 para las dos situaciones de
interés. Cuando la falta se produce "detrás" -Figura 5- ambas
señales están aproximadamente en fase y cuando la falta se produce
"delante" -Figura 6- ambas están en contrafase. Debido a esto
el coseno del ángulo que forman ambas señales será positivo cuando
la falta se produce "detrás" y negativo cuando la falta se
produce "delante", tal y como se muestra en las Figuras 5 y
6.
El criterio de actuación será, por tanto, el de
un comparador coseno que responde a la siguiente ecuación:
Para determinar la frontera para la cuál el
comparador deja de dar una salida positiva y pasa a dar una salida
negativa debemos de imponer la condición de que la salida del
comparador sea nula. En ese punto se cumple que:
Esta última expresión es mucho más adecuada para
ser implementada numéricamente por lo que la unidad calculará la
expresión:
Siendo el significado de los términos de la
expresión los explicados anteriormente. El valor calculado mediante
la expresión se compara con dos valores límite tal y como se
muestra en la Figura 7 y se determina la dirección de la falta con
la siguiente regla de decisión:
- \bullet
- \kappa<K_{F}: la falta se ha producido en dirección "hacia delante".
- \bullet
- \kappa>K_{R}: la falta se ha producido en la dirección "hacia atrás".
- \bullet
- K_{F}<\kappa<K_{R}: la unidad no da salida, es la zona "sin decisión".
El ajuste de la unidad se realiza a través de
los parámetros Z_{L1}, \gamma, \delta, \theta, K_{F} y
K_{R} de acuerdo a las siguientes reglas básicas:
Z_{L1}: hay que introducir el 100% de la
impedancia de secuencia directa de la línea que esta siendo
protegida por la unidad.
\gamma: se puede ajustar entre 1 y 100. Es un
porcentaje. Representa el porcentaje de la potencia de secuencia
directa devuelta por la falta que deseamos que intervenga en la
unidad.
\delta: se puede ajustar entre 0 y 100. Es
también un porcentaje. Representa el porcentaje de la potencia
suministrada por la fuente al cortocircuito que deseamos que
intervenga en la unidad.
\Theta: es el máximo desfase que puede existir
entre las tensiones de los dos extremos de la línea protegida en
funcionamiento normal. Se corresponde con el desfase existente entre
las tensiones de los dos extremos en situación de carga máxima
(ajuste en grados).
K_{F} y K_{R}: se pueden ajustar entre el 0
y el 1, siempre cumpliéndose que K_{R}>K_{F}. El 0'5 es el
punto medio, cuanto más cerca del cero, mayor facilidad de que la
unidad dé una salida de bloqueo o, lo que es lo mismo, indique
falta hacia atrás. Cuanto más cerca del 1 esté, mayor la facilidad
de obtener una salida en dirección "delante". Asimismo, cuanto
más cerca estén los dos valores menor será la zona de incertidumbre
y cuanto más separados estén mayor la probabilidad de que la unidad
no dé salida.
\vskip1.000000\baselineskip
Para analizar el comportamiento de la unidad
partimos de un sistema como el mostrado en la Figura 1 -cuyo
circuito equivalente para faltas "delante" se muestra en la
Figura 9 y para faltas "detrás" en la Figura 10- donde se
aprecia que el sistema considerado está compuesto por una línea con
fuentes en ambos extremos. Los valores, en ohmios secundarios, de
los distintos elementos que componen el sistema son los
siguientes:
El valor de las fuentes en ambos extremos de la
línea es E_{A} = 67'78V L 7'8º y E_{B} =
70'85VL-5.4º respectivamente, medidos en voltios
secundarios. El valor calculado de la tensión de prefalta en el
extremo A es V_{AP} =67'8V L7'1º y el valor de la intensidad de
prefalta en ese extremo es de I_{AP} =1'8 AL 17'57º.
Aplicando los criterios de ajuste mostrados en
el epígrafe anterior y conocidos los datos de la línea y del
sistema seleccionamos los siguientes valores para el funcionamiento
de la unidad:
Tratamos a continuación de ver el comportamiento
de la unidad paso a paso en las dos situaciones consideradas.
Comenzamos suponiendo que se produce una falta monofásica franca en
la fase R a un 95% de la longitud de la línea midiendo desde el
extremo A.
Las tensiones e intensidades que aparecen en el
punto del relé durante esa falta son las siguientes:
Al producirse el cortocircuito el detector de
falta se activa y la entrada FD -que es la salida de la unidad
detectora de falta- toma el valor lógico verdadero (vide figura 8).
Asimismo la unidad está habilitada con lo que el ajuste DIRE también
tiene valor lógico verdadero. Por último la variación de corriente
supera el umbral fijado por 50D ya que la variación de intensidad
de secuencia directa es superior a 0'5A. Como las tres entradas
están activas se habilitan simultáneamente el módulo de cálculo de
potencias y el elemento que contiene al comparador. El circuito de
memoria suministra los valores de la tensión y la intensidad antes
de producirse el cortocircuito y el módulo de cálculo de potencias
calcula a partir de los valores de falta y de prefalta las
siguientes magnitudes:
\vskip1.000000\baselineskip
Continuando con el esquema de la Figura 8, los
valores calculados entran en el comparador y, con los ajustes
seleccionados calcula la expresión:
\vskip1.000000\baselineskip
Como 5'042 es mucho menor que KF -cuyo valor es
0'4- al cabo de un número prefijado de muestras se activa la salida
DIR_F indicando que se ha producido una falta "delante" de la
protección. Por el contrario, como -5'042 no es mayor que KR -cuyo
valor es 0'6- la salida que indica que la falta se ha producido
detrás no se activa.
El otro caso de interés es el que se da cuando
la falta tiene lugar "detrás" de la protección. Si la falta
(falta monofásica franca en la fase R) se produce en un punto
inmediatamente "detrás" de la protección, el circuito a
resolver será el planteado en la Figura 10.
La resolución del circuito representado en la
Figura 10 conduce a los siguientes valores de tensión e
intensidad:
\vskip1.000000\baselineskip
Al producirse este cortocircuito en la línea, el
detector de falta mide un aumento de las intensidades homopolar e
inversa y activa su salida. La salida del detector de falta entra
en la unidad (FD=verdadero) y al estar activada la unidad
(DIRE=verdadero) y superarse el umbral 50D se activa el módulo
calculador de potencias y también el elemento que contiene al
comparador.
El módulo calculador de potencias calcula los
siguientes valores:
\newpage
Estos valores calculados entran en el comparador
y el resultado de aplicar la expresión es el que se muestra a
continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
Como 12'1 es mucho mayor que KR -cuyo valor es
0'6- transcurrido el número de muestras prefijado se activa la
salida DIR_R indicando que se ha producido una falta "hacia
atrás". Inversamente como 12'1 es mucho mayor que KF esta salida
no se activa.
Claims (6)
1. Protección de línea eléctrica para determinar
el sentido en el que se produce una falta, caracterizado
porque consta de una unidad direccional que recibe las magnitudes de
la línea eléctrica de tensión de secuencia directa (V_{1}),
tensión de secuencia directa existente antes de producirse la falta
(V_{1}^{P}), intensidad de secuencia directa (I_{1}),
intensidad de secuencia directa existente antes de producirse la
falta (I_{1}^{P}), constando la unidad direccional de:
a) un módulo calculador de potencias que consta
de medios para
- a_{1})
- calcular la potencia de secuencia directa suministrada por la fuente al cortocircuito (S_{F1}) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión:
- siendo \DeltaI_{1}^{\text{*}} la conjugada del incremento de la intensidad de secuencia directa (\DeltaI_{1} = I_{1} - I_{1}^{P});
\vskip1.000000\baselineskip
- a_{2})
- calcular la potencia de secuencia directa consumida por la totalidad de la línea (S_{L1}) debido a la falta, de acuerdo con la siguiente expresión:
- siendo Z_{L1} la impedancia de la línea eléctrica de secuencia directa;
\vskip1.000000\baselineskip
- a_{3})
- calcular la potencia de secuencia directa (S_{1}) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión:
- siendo \DeltaV_{1}^{\text{*}} la conjugada del incremento de la tensión de secuencia directa (\DeltaV_{1}= V_{1}-V_{1}^{P});
\vskip1.000000\baselineskip
b) un módulo de decisión que consta de medios
para:
- b_{1})
- determinar una señal de polarización que responde a la expresión:
- donde S_{L1} es la potencia de secuencia directa de la línea y \gamma es el porcentaje de esa potencia que deseamos incluir en la unidad.
\vskip1.000000\baselineskip
- b_{2})
- determinar una señal de operación que responde a la expresión:
- donde S_{1} = \DeltaV_{1}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1} y S_{F1} = V_{1}^{P}\cdot\DeltaI^{\text{*}}_{1} son las potencias de secuencia directa suministradas y consumidas por el cortocircuito respectivamente y K es el valor frontera elegido por el usuario, siendo K=KF para faltas delante y K=KR el valor frontera para faltas detrás;
\vskip1.000000\baselineskip
- b_{3})
- determinar la parte real (Re) del producto de la señal de operación por el conjugado de la señal de polarización, de acuerdo con la expresión:
\vskip1.000000\baselineskip
- b_{4})
- decidir que el sentido de la falta se ha producido "delante" del sistema cuando la parte real (Re) es negativo y "detrás" cuando la parte real es positiva, lo que formalmente se expresa:
\vskip1.000000\baselineskip
2. Protección de línea eléctrica para determinar
el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación
anterior, caracterizado porque deducida de
Re{S_{OP}\cdotS^{\text{*}}_{POL}}\leq 0 la expresión
y fijados la \kappa como valor
frontera K_{F} para faltas delante y el valor frontera K_{R}
para faltas detrás, dispone el módulo de decisión de medios
direccionales para decidir que
si:
- \kappa\leq K_{F} la falta se ha producido en sentido hacia delante
- \kappa\geq K_{R} la falta se ha producido en sentido hacia detrás
activándose su correspondiente salida.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Protección de linea eléctrica para determinar
el sentido en el que se produce una falta, según reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el sistema consta de
circuitos contadores, uno que cuenta las muestras durante las que
se mantiene la salida "hacia delante" activada y otro que
cuenta las muestras durante las que se mantiene la salida "hacia
detrás" activada, activándose la salida de los circuitos
contadores cuando el número de muestras acumulado es tal que el
tiempo durante el cuál se ha mantenido la respuesta es superior al
correspondiente a una temporización (valor umbral)
predeterminada.
4. Protección de línea eléctrica para determinar
el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación 3,
caracterizado porque consta de un circuito contador que,
durante un tiempo prefijado, bloquea la activación de la salida en
sentido "delante" para no permitir que cambios de flujo
debidos a actuaciones de unos interruptores asociados del sistema
den lugar a actuaciones indebidas de la unidad.
5. Protección de línea eléctrica para determinar
el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación 1,
caracterizado porque consta de un módulo de adaptación de
señal que consta de:
- a)
- un circuito de memoria que almacena los valores de tensión e intensidad presentes en el momento anterior a producirse el cortocircuito.
- b)
- dos restadores que calculan la variación de tensión e intensidad entre la situación de prefalta y falta.
6. Protección de línea eléctrica para determinar
el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación 1,
caracterizado porque el arranque de la unidad no se produce
si la variación de intensidad de secuencia directa no supera un
umbral prefijado por el usuario.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200700392A ES2308913B1 (es) | 2007-02-14 | 2007-02-14 | Proteccion de linea electrica para determinar el sentido en el que se produce una falta. |
| EP08736679A EP2112517A1 (en) | 2007-02-14 | 2008-02-13 | Electric line protection for determining the direction in which a fault occurs |
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Applications Claiming Priority (1)
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| ES200700392A ES2308913B1 (es) | 2007-02-14 | 2007-02-14 | Proteccion de linea electrica para determinar el sentido en el que se produce una falta. |
Publications (2)
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| ES2308913A1 ES2308913A1 (es) | 2008-12-01 |
| ES2308913B1 true ES2308913B1 (es) | 2009-10-23 |
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ID=39689690
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200700392A Active ES2308913B1 (es) | 2007-02-14 | 2007-02-14 | Proteccion de linea electrica para determinar el sentido en el que se produce una falta. |
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|---|---|
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| RU2700294C1 (ru) * | 2018-12-19 | 2019-09-16 | Общество с ограниченной ответственностью "НПП Бреслер" (ООО "НПП Бреслер") | Способ определения места повреждения линии электропередачи и устройство для его осуществления |
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| Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2112517A1 (en) | 2009-10-28 |
| ES2308913A1 (es) | 2008-12-01 |
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