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GUAS PARA EL BUEN AJUSTE Y LA COORDINACIN DE PROTECCIONES DEL SINRevisinFechaDescripcin

0Abril 2012 Inclusin Captulo 4: Lineamientos para la elaboracin de estudios de ajuste y coordinacin de protecciones del SIN Se Complementa el numeral 8.2.5 Proteccin de respaldo contra fallas externas en generadores (51V, 21)

Inclusin del numeral 9.5 Metodologa para revisin del estado de saturacin de los CTs

Grupo Nacional de Protecciones y Control

Abril 2012

Contenido

11OBJETO

2INTRODUCCIN13TERMINOLOGA, SIMBOLOGA Y CONSIDERACIONES SOBRE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE23.1TERMINOLOGA23.1.1Exactitud23.1.2Clase de exactitud23.1.3Confiabilidad33.1.4Fiabilidad o redundancia33.1.5Seguridad33.1.6Sensibilidad33.1.7Rel de parmetros conmutables33.1.8Impedancia aparente33.1.9Resistencia de arco43.1.10Seal de bloqueo43.1.11Seal permisiva43.1.12Seal de aceleracin43.1.13Falla interruptor43.1.14Coordinacin de protecciones43.1.15Polarizacin cruzada43.1.16Polarizacin dual53.1.17Rel diferencial de corriente53.1.18Rel de distancia53.1.19Impedancia de falla53.1.20Transformador de puesta a tierra53.1.21Corriente de Infeed53.1.22Corriente de Outfeed53.1.23Factor SIR (Source Impedance Ratio)63.1.24Multiterminal63.1.25Proteccin por comparacin de fases63.1.26Esquema de comunicacin piloto63.1.27Comparacin de fase segregada63.1.28Impedancia de la fuente63.1.29Fuente de corriente de falla63.1.30Oscilacin63.1.31Disparo transferido63.1.32Desbloqueo63.1.33Esquema hbrido63.1.34Proteccin principal de equipos73.1.35Proteccin principal sistmica73.1.36Proteccin de respaldo73.1.37Autochequeo73.1.38Rel de sobrecorriente temporizado73.1.39Rel de sobrecorriente direccional73.1.40Discrepancia de polos83.1.41Rel de baja frecuencia83.1.42Registrador secuencial de eventos (Sequence Of Events, SOE)83.1.43Registrador de fallas83.2Simbologa de dispositivos usados en sistemas de proteccin83.2.1Norma ANSI/IEEE83.2.2Norma IEC103.2.3Diferencia filosfica entre normas ANSI e IEC103.2.4Simbologa segn Norma ANSI/IEEE e IEC111.Rel de proteccin diferencial de barras142.Rel de proteccin diferencial de transformador143.3CONSIDERACIONES SOBRE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE153.3.1Seleccin de acuerdo con normas ANSI153.3.2Seleccin de acuerdo con normas IEC173.3.3Valores secundarios de los ajustes de las protecciones174LINEAMIENTOS PARA LA ELABORACIN DE ESTUDIOS DE AJUSTE Y COORDINACIN DE PROTECCIONES DEL SIN184.1Objetivo184.2Antecedentes184.3Alcance184.4Elementos a proteger y rea de impacto del estudio184.5Contenido del estudio de coordinacin de protecciones194.5.1Objeto del estudio194.5.2Descripcin del proyecto204.5.3Alcance del estudio204.5.4Estudios de flujo de carga y cortocircuito204.5.5Criterios de ajuste de protecciones:214.5.6Conclusiones y Recomendaciones224.5.7Referencias224.5.8Anexos224.5.9Validacin del estudio de ajuste ycoordinacin de protecciones224.5.10Recomendaciones generales225PROTECCIONES DE LNEAS235.1CARACTERSTICAS BSICAS235.1.1Confiabilidad235.1.2Selectividad y coordinacin245.1.3Velocidad o tiempo de despeje de fallas245.1.4Sensibilidad de la proteccin245.1.5Simplicidad245.1.6Respaldo245.2SELECCIN DEL ESQUEMA DE PROTECCIN DE LNEA255.2.1Importancia y funcin de la lnea255.2.2Factores del Sistema255.2.3Comunicaciones275.2.4Tecnologas nuevas vs. Tecnologas viejas275.2.5Compromisos del diseo del esquema de proteccin275.2.6Consideraciones de redundancia y respaldo275.3ESQUEMAS DE RELS275.3.1Esquemas sin seales piloto o no completamente selectivos275.3.2Esquemas pilotos o completamente selectivos405.3.3Esquemas de Teleproteccin425.3.4Funciones adicionales495.3.5Protecciones de sobre y baja tensin555.3.6Rel de recierre y verificacin de sincronismo555.3.7Proteccin de falla interruptor575.3.8Proteccin de lneas compensadas en serie606PROTECCIONES DE TRANSFORMADORES666.1PROTECCIN DIFERENCIAL DE TRANSFORMADOR676.1.1Tipos de rels diferenciales para proteccin de transformadores676.1.2Formas de conectar la proteccin diferencial en el devanado terciario706.1.3Conexin diferencial larga y conexin diferencial corta716.1.4Factores a considerar en el ajuste de la proteccin diferencial716.1.5Anlisis de estabilidad de la proteccin ante falla externa726.1.6Clculo de factores de compensacin736.1.7Seleccin de la corriente diferencial de umbral736.1.8Verificacin de la sensibilidad de la proteccin diferencial ante falla interna746.2PROTECCIN DE SOBRECORRIENTE746.2.1Proteccin de fases746.2.2Sobrecorriente de fase instantnea756.2.3Proteccin de falla a tierra766.2.4Proteccin de sobrecorriente para el devanado terciario766.2.5Proteccin del transformador de puesta a tierra776.3PROTECCIONES MECNICAS796.3.1Rel de presin sbita o vlvula de sobrepresin (SPR)806.3.2Rel Buchholz806.3.3Detectores de nivel de aceite806.3.4Detectores de temperatura806.3.5Rel de imagen trmica806.4PROTECCIN DE FALLA INTERRUPTOR816.5REL DE VERIFICACIN DE SINCRONISMO817PROTECCIONES DE COMPENSACIONES817.1COMPENSACIN REACTIVA817.1.1Configuraciones tpicas817.1.2Principales tipos de fallas en reactores de terciario837.1.3Esquemas de proteccin asociados con reactores de terciario tipo seco837.1.4Principales tipos de fallas en reactores de lnea857.1.5Esquemas de proteccin asociados con el reactor sumergido en aceite857.2COMPENSACION CAPACITIVA EN DERIVACIN887.2.1Configuraciones tpicas887.2.2Esquemas de proteccin asociados con bancos de condensadores907.2.3Consideraciones del Sistema958PROTECCIONES DE GENERADORES968.1PROTECCIONES PARA FALLAS EN LA MQUINA968.1.1Fallas elctricas968.1.2Fallas mecnicas1178.2PROTECCIONES PARA FALLAS EXTERNAS1198.2.1Proteccin contra sobretensiones1198.2.2Proteccin contra bajas tensiones1198.2.3Proteccin contra motorizacin o potencia inversa1198.2.4Proteccin contra corrientes desbalanceadas en el estator1208.2.5Proteccin de respaldo contra fallas externas1218.2.6Rel de baja frecuencia1238.2.7Rel de falla interruptor1248.2.8Proteccin de prdida de sincronismo1258.3ARREGLOS DE PROTECCIONES DE GENERADORES1269PROTECCIONES DE BARRAS1309.1CARACTERSTICAS DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE1319.1.1Corriente directa transitoria1319.1.2La Impedancia de los cables del secundario del CT y sus rels asociados, medidores y CTs auxiliares1319.2ESQUEMAS DE PROTECCIN DE BARRAS1319.2.1Proteccin diferencial de barras1329.2.2Proteccin diferencial parcial1339.2.3Zonas diferenciales combinadas1339.2.4Proteccin de barras con comparacin direccional1339.3CONEXIN DE LA PROTECCIN DIFERENCIAL SEGN LA CONFIGURACIN DE LA SUBESTACIN1349.3.1Barra sencilla1349.3.2Barra con secciones mltiples y acople de barras1359.3.3Barra principal y barra de transferencia1359.3.4Doble barra1369.3.5Interruptor y medio1379.4AJUSTE DE LA PROTECCIN DE BARRAS1379.4.1Anlisis de estabilidad de la proteccin ante falla externa1379.4.2Clculo de factores de compensacin1379.4.3Seleccin de la corriente diferencial de umbral1379.4.4Verificacin de la sensibilidad de la proteccin diferencial ante falla interna1389.5METODOLOGA PARA REVISIN DEL ESTADO DE SATURACIN DE LOS CTS13810GUA PARA LA COORDINACIN SISTMICA DE PROTECCIONES DEL STN13910.1ANTECEDENTES13910.2RESPONSABILIDADES DE LOS AGENTES Y DEL CND14010.3RESPONSABILIDADES POR LOS ESTUDIOS ESPECFICOS14210.3.1Disparos de generacin por inestabilidad14210.3.2Disparos por oscilacin de potencia en lneas de transmisin14210.3.3Disparos de generadores por sobretensin14210.3.4Disparos por baja tensin en generadores14210.3.5Disparos por sobretensin en el sistema14210.3.6Disparos por baja tensin en el sistema14310.3.7Bloqueos y disparos por oscilacin de potencia en el sistema14310.3.8Deslastres de carga14310.3.9Recierres en las lneas14310.4METODOLOGA PARA LA COORDINACIN DE PROTECCIONES SISTMICAS14410.4.1Disparos por inestabilidad. Rels de Prdida de Sincronismo en Generadores14410.4.2Disparos por sobretensin14810.4.3Disparos por baja tensin14910.4.4Bloqueos por oscilacin de potencia14910.4.5Disparos por oscilacin de potencia en lneas15110.4.6Disparos sistmicos por sobretensin15210.4.7Disparos sistmicos por baja tensin15310.4.8Recierres y verificadores de sincronismo15311REFERENCIAS155

TABLA DE CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS

2Figura 1 Nomenclatura de TC segn norma IEC

Figura 2 Seales en cuadratura4Figura 3 Curva de excitacin transformador de corriente 2000:5 A15Figura 4 Caractersticas bsicas del rel de distancia22Figura 5 Caracterstica general alcance de zonas proteccin distancia23Figura 6. Alcances de zona24Figura 7. Diagrama unifilar tpico para ajustar las zonas de la proteccin distancia24Figura 8. Efecto Infeed en Zona 125Figura 9 Variacin de Zaparente por el efecto Infeed en Zona 126Figura 10 Coordinacin de las zonas 2 de lneas adyacentes28Figura 11 Efecto Infeed en Zona 228Figura 12 Esquema de disparo directo subalcanzado37Figura 13 Esquema de disparo permisivo subalcanzado38Figura 14 Esquema de disparo permisivo sobrealcanzado39Figura 15 Esquema de aceleracin de zona40Figura 16 Esquema de disparo transferido permisivo por comparacin direccional40Figura 17 Esquema de bloqueo por comparacin direccional41Figura 18 Esquema hbrido por comparacin direccional42Figura 19. Lgica de inversin de corriente: preinversin43Figura 20. Lgica de inversin de corriente: postinversin43Figura 21. Ejemplo de Banda de evaluacin de la oscilacin de potencia44Figura 22. Zona de deteccin de carga45Figura 23 Lgica de eco y terminal dbil47Figura 24 Lgica de eco48Figura 25 Proteccin tramo de lnea49Figura 26 Conexin del rel de verificacin de sincronismo50Figura 27. Ajuste rel de falla interruptor configuracin barra sencilla52Figura 28 Ajuste rel de falla interruptor configuracin en anillo52Figura 29 Ajuste rel de falla interruptor configuracin interruptor y medio53Figura 30 Proteccin zona muerta rel falla interruptor53Figura 31 Proteccin convencional de condensadores con gap56Figura 32 Proteccin de un condensador con conjunto gap-resistencia57Figura 33 Ajuste de zonas en lneas compensadas58Figura 34 Proteccin distancia con sobrealcance permisivo58Figura 35 Compensacin serie de lneas paralelas59Figura 36 Protecciones principales de un transformador61Figura 37 Conexin proteccin diferencial porcentual transformador (- (63Figura 38 Proteccin diferencial porcentual autotransformador sin carga en la delta del terciario63Figura 39 Proteccin diferencial porcentual autotransformador con carga en la delta del terciario64Figura 40 Proteccin diferencial de alta impedancia para un autotransformador sin carga en el terciario65Figura 41 Esquemas de conexin de la proteccin diferencial en el devanado terciario66Figura 42 Proteccin diferencial de autotransformador ante falla externa68Figura 43 Proteccin diferencial de autotransformador ante falla interna69Figura 44 Proteccin de falla a tierra de una delta usando rels de sobrecorriente residual y rels de tierra conectados diferencialmente72Figura 45 Proteccin de transformadores de tierra (a) Zigzag (b) (- (72Figura 46. Esquema de protecciones de un transformador de puesta a tierra74Figura 47 Reactor conectado al terciario de un transformador de potencia77Figura 48 Reactor conectado a una barra77Figura 49 Reactor con o sin reactor de neutro y conectado a una lnea conmutable o no78Figura 50. Proteccin de tierra restringida barra terciaria79Figura 51 Protecciones reactor de lnea81Figura 52 Configuracin fsica de un banco de condensadores84Figura 53 Energizacin bank to bank87Figura 54 Protecciones compensacin capacitiva en paralelo92Figura 55 Caracterstica del rel diferencial porcentual94Figura 56 Rel diferencial de alta impedancia95Figura 57 Esquema de conexin de la proteccin de autobalanceo95Figura 58 Conexin de rel diferencial para generador de seis bujes conectado en estrella96Figura 59 Generador de doce bujes96Figura 60 Generador de fase partida97Figura 61 Generador conectado en delta97Figura 62 Proteccin de fase partida usando transformadores de corriente separados98Figura 63 Proteccin de fase partida usando transformadores de corriente de una ventana99Figura 64 Proteccin de fase partida usando transformadores de corriente de dos ventanas99Figura 65 Aplicacin de rel diferencial y rel de fase partida100Figura 66 Proteccin de falla a tierra sensible101Figura 67 Proteccin de falla a tierra del generador con aterrizaje de alta impedancia102Figura 68 Proteccin de tierra para generador (A) de dos devanados y (B) compuesto103Figura 69 Esquema de baja tensin de tercer armnico para proteccin de falla a tierra del generador.106Figura 70 Esquema de sobretensin de tercer armnico para proteccin de falla a tierra del generador107Figura 71 Esquema diferencial de tercer armnico para proteccin de falla a tierra del generador107Figura 72 Esquema de inyeccin de tensin subarmnica para proteccin de falla a tierra del generador108Figura 73 Proteccin de respaldo con sobrecorriente109Figura 74 Proteccin para falla a tierra con puesta a tierra a travs de un transformador zigzag110Figura 75 Circuito de deteccin de tierra111Figura 76 Aplicacin de rel de balance de tensin112Figura 77 Ejemplo ajuste de nivel dual volts / Hz114Figura 78 Ejemplo de ajuste inverso volts /Hz114Figura 79 Proteccin de corriente desbalanceada118Figura 80 Caracterstica de rel de corriente desbalanceada118Figura 81 Aplicacin de la proteccin contra fallas externas para una unidad generador transformador119Figura 82 Aplicacin de la proteccin contra fallas externas para un generador conectado directamente al sistema120Figura 83 Diagrama funcional de esquema de falla interruptor para generador122Figura 84 Diagrama funcional de esquema de falla interruptor con deteccin de arco elctrico con interruptor abierto123Figura 85 Configuracin unidad generador transformador124Figura 86 Configuracin unidad generador transformador con interruptores125Figura 87 Generadores compuestos126Figura 88 Proteccin para generadores compartiendo una unidad de transformador127Figura 89 Proteccin para generadores conectados directamente a un sistema de distribucin128Figura 90 Proteccin diferencial de barras129Figura 91 Principio de la proteccin diferencial porcentual130Figura 92 Esquema de proteccin de barras con zonas diferenciales combinadas131Figura 93 Configuracin en anillo132Figura 94 Proteccin diferencial en una barra sencilla133Figura 95 Proteccin diferencial en una barra con seccionamientos mltiples133Figura 96 Proteccin diferencial en una S/E con barra principal y barra de transferencia134Figura 97 Proteccin diferencial en una S/E con doble barra134Figura 98 Proteccin diferencial en una S/E interruptor y medio135Figura 99 Corrientes diferenciales ante falla externa136Figura 100 Corrientes diferenciales ante falla interna136Figura 101 Lugar geomtrico de la impedancia en un deslizamiento polar143Figura 102 Caracterstica de actuacin de un rel de prdida de sincronismo144Figura 103 Ejemplos de diversas condiciones de oscilacin145Figura 104 Caracterstica de un rel de prdida de sincronismo145Figura 105 Operacin de bloqueo del rel ante la oscilacin149Figura 106 Separacin en subsistemas ante la prdida de sincronismo151

1 OBJETO

Presentar un manual de procedimientos para la coordinacin de protecciones con visin sistmica, es decir, observando la conveniencia de su actuacin, bloqueo o control suplementario, en funcin de las necesidades del STN (Sistema de Transmisin Nacional).

Estas guas atienden los requerimientos de la Resolucin 080 de 1999, emitida por la Comisin de Regulacin de Energa y Gas, CREG, en el sentido de que la responsabilidad de observar una adecuada coordinacin de protecciones en el STN, le corresponde al Centro Nacional de DespachoCND.

2 INTRODUCCIN

El presente manual tiene como objetivo la homologacin de criterios para el ajuste de las protecciones del STN, considerando las redes de alta y ExtraAlta tensin los puntos de conexin, y los generadores despachados centralmente por el CND, as como considerando las conexiones internacionales.

Este documento tiene sus orgenes en el documento de la referencia [1]: Metodologa para realizar estudios de protecciones elaborado por la Direccin Gestin Red de Interconexin Elctrica S.A. y que fue adaptado por la empresa Ingeniera Especializada IEB en el ao 2000 a las necesidades del Centro Nacional de Despacho. Adicionalmente, este documento recoge las conclusiones y recomendaciones acordadas en el Grupo Nacional de Protecciones y Control.La filosofa de los criterios establecidos se basa en garantizar la adecuada calidad del suministro y del transporte de la energa elctrica, con niveles de confiabilidad ptimos para el sistema (criterios de fiabilidad y de seguridad), manteniendo las caractersticas de selectividad y velocidad con las prcticas ms modernas utilizadas hoy en da sobre el tema, aplicadas al STN colombiano y considerando sus aspectos particulares tales como la radialidad de la red, la conformacin de reas globales y operativas, las condiciones de guerra, los elevados niveles cerunicos, la composicin energtica hidrulica/trmica, las regulaciones existentes en materias operativas y de conexin, las caractersticas del mercado de energa mayorista, etc.

3 TERMINOLOGA, SIMBOLOGA Y CONSIDERACIONES SOBRE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

3.1 TERMINOLOGA

Se presenta una recoleccin de los trminos ms usados en los sistemas de proteccin, al igual que de la simbologa segn las normas IEC y ANSI/IEEE de los dispositivos y trminos ms comnmente empleados en la proteccin de lneas de transmisin, generadores, transformadores y barras.

Los trminos relacionados con la calidad de la medida y filosofa de la proteccin son definidos a continuacin.

3.1.1 Exactitud

Este trmino es usado para al menos dos propsitos diferentes, uno para describir la precisin de un dispositivo y el otro para especificar la precisin de una medida.

En el primer contexto, la exactitud es el grado en el cual un dispositivo (rel, instrumento o medidor) opera conforme a una norma aceptada. La declaracin de una exactitud depender de los mtodos utilizados para expresarla considerando componentes individuales de la exactitud y la manera en la cual estos componentes individuales afectan la exactitud global del dispositivo.

En el segundo caso, la exactitud de una medida especifica la diferencia entre lo medido y el valor real de una cantidad. La desviacin del valor real es la indicacin de cun exactamente fue tomada una lectura o hecho un ajuste.

3.1.2 Clase de exactitud

La definicin de la clase de exactitud de los transformadores de medida, difiere entre la corriente americana, representada por las normas de la organizacin ANSI y la corriente internacional, originada en Europa y representada por la organizacin IEC.

El trmino clase de exactitud es empleado para definir la calidad en el desempeo en estado estable de un transformador de medida.

En la norma IEEE C57.13-1993 Standard Requirements for Instrument Transformers, la clase de exactitud de un transformador de corriente usado para la conexin de protecciones est descrita por una letra la cual indica si la exactitud puede ser calculada (Clase C) o puede ser obtenida a travs de pruebas fsicas (Clase T). Esta letra es seguida por un nmero que corresponde al mximo voltaje terminal secundario que el transformador de corriente producir a 20 veces la corriente nominal secundaria con un error no mayor al 10%.

La clase de exactitud de un transformador de corriente utilizado en protecciones, segn la norma IEC 60044-1 1996 Instrument Transformers - Part I: Current Transformers, se especifica por el porcentaje de exactitud, seguido de la letra P (proteccin) y por el nmero de veces la corriente nominal del transformador, al cual se garantiza la exactitud indicada.

Figura 1 Nomenclatura de TC segn norma IEC

3.1.3 Confiabilidad

La confiabilidad expresa el atributo de un rel o sistema de proteccin de operar correctamente ante situaciones en las cuales est diseado para operar. Este concepto se expresa en trminos de las propiedades de dos conceptos: fiabilidad (o redundancia) y seguridad.3.1.4 Fiabilidad o redundancia

La fiabilidad es el aspecto de la confiabilidad que expresa el grado de certeza de que el sistema de proteccin operar correctamente ante la presencia de una falla, retirando las fuentes de alimentacin a la misma. Se mide como la probabilidad de que el sistema acte efectivamente en presencia de una falla.

3.1.5 Seguridad

La seguridad es el aspecto de la confiabilidad que expresa el grado de certeza de que el rel no operar incorrectamente ante ausencia de fallas o sin considerar la naturaleza de la operacin del sistema de potencia. Se mide como la probabilidad de que el sistema de protecciones no presente actuaciones en ausencia de falla o que acten otras protecciones diferentes a las que debieron actuar, o que lo haga sin considerar la naturaleza del estado operativo del sistema de potencia.

3.1.6 Sensibilidad

En el campo de las protecciones, la sensibilidad se expresa como el valor mnimo de la seal de entrada o el cambio en la seal de entrada, que hace que el rel opere.

3.1.7 Rel de parmetros conmutables

Consiste en la propiedad de un rel para cambiar sus ajustes y/o lgicas de operacin ante la ocurrencia de alguna seal o evento externo, como por ejemplo, cuando salen lneas de servicio, o generaciones importantes el rel cambia automticamente sus parmetros de ajuste.

3.1.8 Impedancia aparente

La impedancia aparente vista por un rel est determinada por la relacin entre el voltaje y la corriente medidos por el rel. Esta impedancia puede variar con respecto a la impedancia real en el punto de falla, dependiendo de si existen o no fuentes de corriente intermedias en puntos entre el rel y la falla.

3.1.9 Resistencia de arco

Es la relacin entre el voltaje y la corriente en una arco elctrico. La impedancia de un arco elctrico es principalmente resistiva y es una funcin inversamente proporcional a la magnitud de la corriente y directamente proporcional a la longitud del arco.

3.1.10 Seal de bloqueo

Corresponde a una seal lgica que es utilizada para impedir la accin de un dispositivo. Las seales de bloqueo son empleadas generalmente en esquemas de proteccin coordinados de lneas de transmisin, para evitar el disparo del interruptor local cuando el sistema de proteccin del extremo remoto ha determinado que la falla se encuentra fuera de la zona protegida por el sistema coordinado.

3.1.11 Seal permisiva

Corresponde a una seal lgica que es utilizada para permitir la accin de un dispositivo. Las seales permisivas son empleadas generalmente en esquemas de proteccin coordinados de lneas de transmisin, para motivar el disparo del interruptor local cuando el sistema de proteccin del extremo remoto ha determinado que la falla se encuentra dentro de la zona protegida por el sistema coordinado.

3.1.12 Seal de aceleracin

Corresponde a una seal lgica que es utilizada para suprimir la temporizacin intencional de un dispositivo. Las seales de aceleracin son empleadas generalmente en esquemas de proteccin coordinados de lneas de transmisin, para motivar el disparo inmediato del interruptor local cuando el sistema de proteccin del extremo remoto ha determinado que la falla se encuentra dentro de la zona protegida por el sistema coordinado.

3.1.13 Falla interruptor

El fracaso de un esquema de proteccin para eliminar una falla detectada por un rel de proteccin se denomina falla interruptor. Un rel de falla interruptor mide la condicin de flujo de corriente en el interruptor una vez ha transcurrido un perodo razonable de tiempo despus de la orden de disparo de la proteccin principal. Una vez reconocida tal condicin, el rel falla interruptor inicia la aplicacin de medidas correctivas al hecho, tales como repetir la orden de disparo o posteriormente iniciar el ciclo de disparo de todos los circuitos que puedan alimentar la falla a travs del interruptor que no abri, o al cual no arrib la orden de apertura.

3.1.14 Coordinacin de protecciones

Es el proceso de seleccin de ajustes o curvas caractersticas de dispositivos de proteccin, de tal manera que la operacin de los mismos se efecte organizada y selectivamente, en un orden especfico y con el mnimo tiempo de operacin, para minimizar la interrupcin del servicio al cliente y para aislar adecuadamente la menor porcin posible del sistema de potencia como consecuencia de la falla.

3.1.15 Polarizacin cruzada

Es la polarizacin de un rel para brindarle direccionalidad hacia adelante o hacia atrs usando alguna proporcin del voltaje de una fase(s) sana(s). Un ejemplo de esto es la polarizacin en cuadratura: el voltaje polarizante est en cuadratura con el voltaje de la fase fallada.

Figura 2 Seales en cuadratura

3.1.16 Polarizacin dual

Corresponde a la polarizacin de un rel usando fuentes de corriente y voltaje.

3.1.17 Rel diferencial de corriente

Es un rel diseado para detectar fallas a travs de la medida de la magnitud y la diferencia angular entre las corrientes medidas en los extremos de la zona cubierta por el sistema de proteccin. En esencia su fundamento se basa en que las sumas de las corrientes que entran y salen a la zona de proteccin, debe ser siempre cero, excepto cuando exista una falla interna.

3.1.18 Rel de distancia

Es un rel cuya respuesta a las cantidades de entrada es principalmente una funcin de la distancia elctrica del circuito entre la ubicacin del rel y el punto de falla. Para hacerlo utiliza la relacin Voltaje/Corriente en el punto de instalacin del rel.

3.1.19 Impedancia de falla

Es la impedancia, resistiva o reactiva, entre los conductores en falla o entre el conductor en falla y tierra.

3.1.20 Transformador de puesta a tierra

Es un transformador, conectado en zig-zag o Estrella Delta instalado para proveer una impedancia equivalente de Thvenin de secuencia cero en su punto de instalacin, de forma tal, que en sistemas aislados de tierra, se tenga una corriente limitada de falla monofsica que permita detectarla cuando ocurra.

3.1.21 Corriente de Infeed

Es una fuente de corriente de cortocircuito ubicada entre el punto donde est conectado el rel y el punto de ocurrencia de la falla, de tal forma que cuando dicha falla ocurra, la impedancia de falla presente un mayor voltaje total.

3.1.22 Corriente de Outfeed

Es una corriente saliente en el intermedio de una lnea no fallada. Solamente se presenta en lneas multiterminales o en lneas compensadas en serie.

3.1.23 Factor SIR (Source Impedance Ratio)El factor de impedancia de la fuente es la relacin entre la impedancia equivalente del sistema y el alcance en impedancia del rel. Para una lnea de transmisin es la relacin entre la impedancia de la fuente situada detrs de la proteccin de la lnea y la impedancia de la lnea (SIR = ZG/ZL).3.1.24 Multiterminal

Una lnea de transmisin con ms de dos extremos que incluyen fuentes de potencia.

3.1.25 Proteccin por comparacin de fases

Es una proteccin que compara la posicin relativa del ngulo de fase de corrientes especficas en los extremos de un circuito.

3.1.26 Esquema de comunicacin piloto

Es un esquema de proteccin que involucra rels en dos o ms subestaciones que comparten datos o estados lgicos a travs de un canal de comunicaciones para mejorar la velocidad de disparos y/o coordinacin.

3.1.27 Comparacin de fase segregada

Esquema similar a la comparacin de fases, excepto que los datos en cada fase y tierra son enviados separadamente al terminal remoto para su comparacin con los datos locales de este terminal.

3.1.28 Impedancia de la fuente

Es la impedancia equivalente Thvenin de un sistema elctrico en el extremo de una lnea de transmisin. Esta impedancia puede variar dependiendo de la localizacin de la falla y del estado (abierto o cerrado) de otros terminales asociados con el circuito.

3.1.29 Fuente de corriente de falla

Es un extremo que contribuye con una cantidad significativa de corriente a una falla en el elemento protegido. Se debe tener en cuenta que no es necesario que exista generacin en ese extremo para que sea fuente de corriente de falla. Algunas cargas, tales como motores, pueden contribuir a la corriente de falla durante unos pocos ciclos dentro del tiempo de despeje de la falla.

3.1.30 Oscilacin

Consiste en un flujo de potencia transitorio debido al cambio en los ngulos de generacin relativos del sistema, causado por un cambio en la configuracin de la transmisin o la generacin.

3.1.31 Disparo transferido

Es el envo de una seal de disparo a travs de un canal de comunicaciones al extremo remoto de la lnea.

3.1.32 Desbloqueo

Lgica que permite a un esquema permisivo disparar por falla interna dentro de una ventana de tiempo, aunque la seal de disparo no est presente cuando sta se ha perdido debido a la falla.

3.1.33 Esquema hbrido

Es el esquema de un rel que combina la lgica de dos o ms esquemas convencionales.

3.1.34 Proteccin principal de equipos

Es el sistema de proteccin que est diseado para operar antes que otros dispositivos en respuesta a un evento en un elemento protegido. La proteccin principal de equipos tiene como objetivo aislar dicho equipo en caso de falla interna.

3.1.35 Proteccin principal sistmica

Es un rel o conjunto de rels, los cuales han sido coordinados para actuar conjuntamente para evitar que ante un evento se puedan producir prdidas importantes de la configuracin de la red generacin transmisin.

3.1.36 Proteccin de respaldo

Las protecciones de respaldo tienen la misin de despejar fallas en elementos del sistema de potencia que ya tienen una proteccin principal de equipo, para lo cual deben esperar un tiempo a fin de establecer que dicha proteccin no actu y en su defecto entran a operar.

Pueden ser respaldos locales, cuando estn ubicados en la misma instalacin, o respaldos remotos, cuando se trata de protecciones ubicadas en otras instalaciones.

El ejemplo clsico de proteccin de respaldo local es la proteccin falla interruptor y el de proteccin remota es el de las zonas 2 y 3 de los rels de distancia

3.1.37 Autochequeo

Es la autoprueba del rel basado en microprocesadores que chequean la operacin del software del procesador.

3.1.38 Rel de sobrecorriente temporizado

Es un rel de sobrecorriente de tiempo inverso que opera cuando la corriente supera un umbral de ajuste. El tiempo inverso significa que ante una gran magnitud de corriente, el tiempo de operacin es muy pequeo y viceversa. Esto depende del tipo de curvas caractersticas tiempo-corriente que sean seleccionada, tales como:

Inversa

Moderadamente Inversa

Muy Inversa

Extremadamente Inversa

Tiempo Definido

La calibracin de un rel de sobrecorriente se hace seleccionando el valor de arranque que corresponde al mnimo valor de corriente a partir del cual la curva entra a operar y el ajuste de tiempo o seleccin de la curva a utilizar

3.1.39 Rel de sobrecorriente direccional

Son rels de sobrecorriente que operan durante fallas en el sistema en una u otra direccin desde el punto de localizacin del rel. Constan de un elemento de sobrecorriente y una unidad direccional (por lo que requiere seal de polarizacin). El rel responder slo si la falla est en la direccin programada (adelante o atrs). Son usados con conexin por fase en sistemas trifsicos o como proteccin direccional de tierra, usando la tensin y la corriente residual, de tierra o de neutro.

3.1.40 Discrepancia de polos

Esta es la condicin en la cual los polos de un interruptor trifsico estn en posiciones diferentes. Esta condicin causa corrientes de secuencia negativa muy peligrosas en el equipo controlado por el interruptor, en especial en mquinas rotativas. Esta condicin tambin puede causar corrientes de secuencia cero en el sistema que pueden llevar al disparo indeseado de rels de tierra.

La discrepancia de polos es supervisada por contactos auxiliares o por la comparacin de las corrientes en las tres fases. Cuando se identifica un polo abierto, el rel de discrepancia arranca un temporizador y, si la discrepancia permanece por un perodo de tiempo ajustable, aparece una seal de alarma o todos los tres polos del interruptor son disparados

3.1.41 Rel de baja frecuencia

Estos rels son ajustados para eliminar carga del sistema automticamente cuando la frecuencia de operacin decrece a un valor especfico por debajo de la frecuencia nominal o si su tasa de decrecimiento (df/dt) excede un nivel determinado. Se hace un disparo selectivo de la carga para prevenir un colapso del sistema y restaurar el balance entre la demanda y la generacin.

Los rels de baja frecuencia permiten ajustes mltiples para asegurar que las cargas sean deslastradas en pequeos cantidades a medida que la frecuencia decrece.

3.1.42 Registrador secuencial de eventos (Sequence Of Events, SOE)

Es un sistema que vigila y registra el estado de eventos discretos tales como la posicin abierta o cerrada de un interruptor o la activacin o desactivacin de una alarma o proteccin. Adems de la informacin binaria, estos registradores indican el tiempo absoluto o relativo de la ocurrencia de los eventos observados.

3.1.43 Registrador de fallas

Es un dispositivo que guarda en memoria, a travs de registros, las magnitudes de diferentes cantidades del sistema como tensiones y corrientes durante un tiempo determinado, luego de recibida una seal de arranque (corriente, voltaje, frecuencia). Cada registrador posee un ancho de banda y un rango dinmico que dicta la calidad de las observaciones. Las seales pueden ser registradas para vigilancia de cambios transitorios en el sistema, incluidos componentes de alta frecuencia, o para observacin de fenmenos de larga duracin, tales como oscilaciones de potencia.

3.2 Simbologa de dispositivos usados en sistemas de proteccin

Dentro de los sistemas internacionales de normalizacin de elementos de sistemas de potencia, se encuentran las normas ANSI/IEEE e IEC. Cada una de ellas ha definido un mecanismo de representacin de los diferentes rels o equipos de proteccin.

3.2.1 Norma ANSI/IEEE

La simbologa empleada por esta norma se basa en nmeros aplicados a los dispositivos usados en subestaciones elctricas y plantas de generacin y en instalaciones donde existan aparatos de conversin.

Un nmero funcional del dispositivo, con un sufijo en letras cuando es necesario, identifica la funcin de cada dispositivo. Estos nmeros son usados en planos esquemticos, en diagramas elementales y de conexin, en libros de instruccin, en publicaciones y en especificaciones, encerrados dentro de un pequeo crculo.

3.2.1.1 Letras sufijos

En algunos casos se emplean letras como sufijos (despus del nmero) con el fin de permitir la multiplicacin de una misma funcin para aplicarla a una gran variedad de dispositivos. Permiten tambin resaltar partes individuales o especficas o contactos auxiliares de estos dispositivos. Estos sufijos deben usarse de tal manera que slo tengan un significado para un equipo en particular. Sin embargo, cada sufijo no deber consistir de ms de tres letras, procurando mantener la funcin tan corta y simple como sea posible.

Cuando el mismo sufijo tiene diferentes significados en el mismo equipo, dependiendo del nmero del dispositivo, entonces se lista como el nmero ms la letra en cada caso, por ejemplo: 63 V, rel de vaco; 90 V, regulador de voltaje.

3.2.1.2 Dispositivos auxiliares

Estas letras indican dispositivos auxiliares independientes, tales como:

LETRASIGNIFICADO

CRel de cierre o contactor

CLRel auxiliar en posicin cerrada

CSConmutador de control

ORel de apertura o contactor

OPRel auxiliar en posicin abierta

X, Y, ZRel auxiliar o repetidor

Tabla 1 Sufijos ANSI para dispositivos auxiliares

3.2.1.3 Cantidades actuantes

Estas letras indican la condicin o cantidad elctrica a la cual el dispositivo responde en el medio en el cual est localizado, tales como:

LETRASIGNIFICADO

AAire o amperios

CCorriente

FFrecuencia o flujo o falla

JDiferencial

LNivel o lquido

PPotencia o presin

PFFactor de potencia

QAceite

SVelocidad o humo

TTemperatura

VVoltaje o voltios o vaco

WVatios o agua

Tabla 2 Sufijos ANSI para cantidades actuantes

3.2.2 Norma IEC

El dispositivo relacionado con algn tipo de medida se representa a travs de un recuadro como se muestra en la siguiente figura.

El asterisco debe ser reemplazado por una o ms letras o smbolos indicando los parmetros del dispositivo, en el siguiente orden: cantidad caracterstica y su modo de variacin, direccin del flujo de energa, rango de ajuste, accin temporizada, valor del retardo de tiempo, etc.

El smbolo usado representa solamente la cantidad actuante en el mismo.

3.2.3 Diferencia filosfica entre normas ANSI e IEC

La filosofa constitutiva subyacente en los lenguajes simblicos de ambas normas es radicalmente distinta, por lo cual es una prctica indebida mezclar ambas normas al elaborar planos.

Mientras que la norma ANSI establece un nmero funcional que designa totalmente una funcin de proteccin y todos los elementos constitutivos de una misma funcin, independientemente de su naturaleza o principio de operacin, recibiendo el mismo nmero funcional, con sufijos para diferenciarlos y haciendo la diferencia en la naturaleza del principio de funcionamiento del elemento al dibujarlo, la norma IEC est orientada a representar en el dibujo mismo el principio de funcionamiento y la cantidad actuante, utilizando la designacin de los elementos con otros fines. De hecho, la designacin de elementos segn la norma IEC tiene cuatro posibles connotaciones: Designacin por divisin jerrquica de la instalacin (designacin =), designacin por localizacin fsica del elemento (designacin +), designacin funcional (designacin -) e identificacin de punto de conexin (designacin :).

Por ejemplo, el rel de falla interruptor, designado bajo norma ANSI con el nmero funcional 51BF, no se distingue de un rel de sobrecorriente cualquiera bajo la norma IEC.

3.2.4 Simbologa segn Norma ANSI/IEEE e IEC

De acuerdo con lo anterior, a continuacin se presenta la simbologa ms empleada en el campo de los sistemas de proteccin de lneas, transformadores, barras y generadores. En la columna izquierda est la definicin de la proteccin o rel, en la columna central la representacin ANSI/IEEE y en la columna derecha la simbologa IEC.

FuncinANSI/IEEEIEC

Proteccin distancia es un rel que funciona cuando la admitancia, impedancia o reactancia se incrementa o decrece superando limites predeterminados.21

Rel de verificacin de sincronismo es un dispositivo que opera cuando dos circuitos AC se encuentran dentro de los lmites deseados de frecuencia, ngulo de fase y voltaje para permitir la conexin en paralelo de los mismos.25

Rel de bajo voltaje es un rel que funciona sobre un valor dado de baja tensin.27

Rel direccional de potencia es un dispositivo que funciona sobre un valor deseado de flujo de potencia en una direccin dada.32

Rel de baja potencia o baja corriente es un rel que funciona cuando el flujo de potencia o corriente decrece por debajo de un valor determinado.37

Rel de campo es un rel que opera ante un valor bajo anormal o por falla en el campo de la mquina, o un exceso en el valor de la reactancia de la corriente de armadura en una mquina AC indicando anormalidad en el campo de excitacin.40

Rel de corriente de fase inversa o de balance de fases es un rel que funciona cuando las corrientes estn en inversin de fases o desbalanceadas o contienen componentes de secuencia negativa.46

Rel de secuencia de fases es un rel que funciona sobre un valor predeterminado de voltaje polifsico en una secuencia de fases deseada.47No Definido

Rel trmico de transformador o mquina es un rel que funciona cuando la temperatura de una mquina u otro dispositivo de carga o transformador de potencia o rectificador de potencia excede un valor determinado.49

Rel de sobre temperatura del aceite49D

Rel instantneo de sobrecorriente es un rel que funciona instantneamente ante un valor excesivo en la corriente indicando una falla en el aparato o circuito protegido.50

Rel instantneo de sobrecorriente de tierra50N

Rel de falla interruptor51BF

Rel temporizado de sobrecorriente es un rel con caractersticas de tiempo inverso y definido que funciona cuando la corriente en circuitos AC excede un valor determinado.51

Rel temporizado de sobrecorriente de tierra51N

Interruptor de corriente alterna52

Rel de sobretensin es un rel que opera a un tiempo determinado cuando se supera un valor de voltaje especfico.59

Rel de balance de corriente o tensin es un rel que opera sobre una diferencia dada en el voltaje o corriente de entrada o salida de dos circuitos.60

Rel de presin es un suiche que opera con el aumento o descenso de la presin o rangos de variacin en la misma.63

Rel Buchholz: Es un rel que detecta la presencia de gases en el aceite.63B

Rel de flujo de aceite: Es un rel que detecta la superacin del flujo de aceite en una tubera63D

Rel de presin sbita: Es un rel que detecta el incremento sbito de la presin en un tanque.63P

Dispositivo de alivio de presin: Es un dispositivo mecnico que acta permitiendo la salida de aceite, cuando la sobrepresin dentro del tanque supera un valor.63Q

Rel de tierra es un rel que funciona ante la falla en el aislamiento de una mquina, transformador u otro aparato a tierra, o por el flameo de una mquina DC a tierra. 64No Definido

Rel direccional de sobrecorriente de fases67

Rel direccional de sobrecorriente de tierra67N

Rel de desfasaje o medida de ngulo de fase es un rel que funciona en un ngulo de fase predeterminado entre dos voltajes o entre dos corrientes o entre voltaje y corriente. 78No Definido

Rel de recierre es un rel que controla el recierre y bloqueo automtico de un interruptor AC.79

Rel de frecuencia es un rel que funciona sobre un valor determinado de frecuencia (alto/bajo) o por rangos de variacin de la misma.81

Rel de bloqueo es un dispositivo de bloqueo al cierre, desenergizado manual o elctricamente, que funciona para apagar o mantener fuera de servicio un equipo bajo la ocurrencia de condiciones anormales que ameriten una revisin.86

Rel diferencial es un rel que funciona sobre un porcentaje o ngulo de fase o sobre una diferencia de corrientes o de alguna otra cantidad elctrica.87

1. Rel de proteccin diferencial de barras87B

2. Rel de proteccin diferencial de transformador87T

3.3 CONSIDERACIONES SOBRE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

3.3.1 Seleccin de acuerdo con normas ANSI

Para la seleccin de un transformador de corriente asociado con un rel de proteccin, utilizando las normas ANSI, es necesario considerar los efectos de la saturacin de estos elementos. Para ello, se debe tener en cuenta la corriente de magnetizacin medida en los terminales secundarios del transformador de corriente (CT). La corriente de excitacin tiene valores definidos para cada nivel de voltaje como se muestra en la Figura 3. Esta curva muestra el voltaje de estado estable y la corriente de excitacin para un CT con precisin C400 (2000:5), la cual puede ser usada para determinar los factores de correccin de la relacin de transformacin en varios niveles de excitacin en estado estable. An cuando la curva de excitacin tiene bien definido el punto de codo, no es clara la ubicacin del punto de saturacin del CT. Por esta razn, los rangos de precisin del rel estn basados en la correccin de la relacin del CT y seleccionados por la clase y el voltaje secundario. El voltaje secundario nominal es el voltaje que el CT soportar a la carga nominal cuando cruza una corriente de 20 veces la nominal sin exceder un 10% de error en la relacin de transformacin.

Las cargas nominales de CTs asociados con proteccin son 1, 2, 4 y 8 ohmios, todas con un ngulo de 60(. En consecuencia, a 20 veces los 5 amperios secundarios, los rangos son 100, 200, 400 y 800 voltios. Cuando circulan 100 amperios secundarios con un factor del 10%, el valor de voltaje puede ser ledo desde la curva de excitacin con una corriente de 10 amperios. Para la relacin de 2000:5, el voltaje ledo es de 496 voltios. En este caso el voltaje es menor a 800 y mayor a 400. Por tanto el rango es C400 siempre que en la relacin de 400 la resistencia D.C. sea menor a 0.0024 ohmios por vuelta para garantizar un descenso en el voltaje interno de 96 voltios.

El voltaje de carga V est relacionado con el nmero de espiras N y la variacin del flujo en el tiempo:

(1)

Si se integra la ecuacin (1) se puede mostrar que el flujo est representado por la densidad de flujo B que cruza el rea transversal A del ncleo. Considerando que la magnitud del rea bajo la onda seno representa la densidad de flujo B, se encuentra que sta seala un umbral de saturacin del CT indicando su lmite de operacin.

En la anterior expresin el lmite de la integral del trmino exponencial es la relacin X/R, lo que lleva a expresar el voltaje del CT en trminos de parmetros fsicos del mismo como la densidad de flujo B, la relacin entre espiras N, la seccin transversal A y la frecuencia del sistema (. Adems, esto determina el rango de operacin sin saturacin en trminos de la relacin X/R, la mxima corriente de falla IF y la carga del CT.

Figura 3 Curva de excitacin transformador de corriente 2000:5 A

De acuerdo con lo anterior y con el fin de conservar la exactitud de los transformadores de corriente de protecciones durante fallas externas, se considera que el voltaje nominal secundario del CT debe ser 20 veces el voltaje que aparece sobre la carga a una corriente dada. Por tanto si se expresa la corriente de falla IF en por unidad de la corriente secundaria y ZB en por unidad de la carga nominal, se puede establecer un criterio de seleccin de CTs a travs de la siguiente expresin:

(2)

donde IF es la mxima corriente de falla en por unidad

ZB es la carga del CT en por unidad de la carga nominal (1,2,4,8 ()

X/R es la el factor de calidad del circuito de falla primario

Por ejemplo, para una lnea de transmisin con una relacin de X/R igual a 12 y una corriente de falla de 4 veces la corriente nominal del CT, se encuentra que de acuerdo con la ecuacin ZB debe ser menor o igual a 0.38 P.U. de la carga nominal de 8 ohmios. Por tanto, la saturacin ser minimizada manteniendo una carga en el CT de 3.04 Ohm o menos.

Tomando como base lo expuesto anteriormente, se podra definir un procedimiento para la seleccin de transformadores de corriente con aplicacin en sistemas de proteccin de acuerdo con normas ANSI:

Determinar la corriente mxima de falla en amperios primarios. Luego expresarla en por unidad de la corriente nominal del CT.

Determinar la correspondiente relacin X/R del circuito primario.

Seleccionar el voltaje nominal del CT. Luego determinar la carga total en por unidad de la carga nominal del CT.

Aplicar la ecuacin 2 y seleccionar la carga mxima permitida en el secundario del CT.

Este procedimiento puede ser usado en diferentes aplicaciones. Sin embargo, las relaciones de CTs que evitan saturacin ante corrientes asimtricas no son prcticas en aplicaciones cercanas a barras de generacin en donde el factor de calidad y la corriente de falla son extremadamente grandes. Cuando la saturacin del CT es inevitable por alguna razn, los CTs nicamente pueden ser seleccionados considerando una sensibilidad razonable.

3.3.2 Seleccin de acuerdo con normas IEC

La seleccin de transformadores de corriente para protecciones de acuerdo con normas IEC es substancialmente parecida a las normas ANSI, slo que debe tenerse en cuenta que en la Norma IEC, las relaciones secundarias pueden ser 1A, 2A, y 5A y que el nmero de veces la corriente nominal del CT a la que debe garantizarse la exactitud es de 10, 20 30.

3.3.3 Valores secundarios de los ajustes de las protecciones

En el desarrollo de estudios de coordinacin de protecciones, una vez se han establecido todas las recomendaciones de ajuste de las diferentes funciones de los rels, ya sean protecciones de distancia, sobrecorriente de fase y tierra y direccionales, sobre y baja tensin, rels de falla interruptor, entre otros, es importante realizar un anlisis de las caractersticas tcnicas garantizadas de los dispositivos de proteccin y en especial lo relacionado con las franjas permitidas por los mismos. Esto es importante en la medida en que un ajuste en particular no pueda ser ingresado en la programacin del rel debido a la propiedad de la franja (continua, discreta o por pasos) ya sea porque tenga un lmite inferior o superior o por el valor del paso entre puntos de la misma franja.

Esto conlleva a la necesidad de modificar la recomendacin de ajuste con el propsito de definir un nuevo ajuste dentro del rango disponible, acorde con los requerimientos del esquema de proteccin.

Cuando se presenta la oportunidad de conocer la topologa de un nuevo proyecto, resulta conveniente llevar a cabo un anlisis preliminar de los ajustes en valores primarios del sistema. Algunos datos como parmetros de lneas y transformadores de potencia, generaciones, lmites operativos del sistema, curvas de soportabilidad, corrientes mnimas y mximas de falla en puntos especficos del sistema, ayudarn a recomendar ajustes que coordinen con otras protecciones y ofrezcan selectividad al sistema.

Una vez conocidas las relaciones de los transformadores de medida (Corriente y Tensin) es necesario reflejar estos ajustes a valores secundarios del rel y, a partir de all, establecer si el ajuste encuentra ubicacin dentro de la franja del rel no. En este ltimo caso, es necesario entonces redefinir el ajuste o en un caso extremo, analizar la posibilidad de cambiar el equipo de proteccin.

En el caso de los rels que leen impedancia, la relacin para convertir valores de impedancia de sistema de alta tensin al nivel de tensin y corriente del rel, est dada por:

Donde: Zs = Impedancia vista en el secundario, en Ohm (a nivel del rel)

Zp = Impedancia vista en el lado de alta tensin, en Ohm

TC: Relacin de transformacin del transformador de corriente

TV : Relacin de transformacin del transformador de voltaje

4 LINEAMIENTOS PARA LA ELABORACIN DE ESTUDIOS DE AJUSTE Y COORDINACIN DE PROTECCIONES DEL SIN

4.1 Objetivo

Definir los aspectos mnimos que se deben considerar en un estudio de ajuste y coordinacin de protecciones para cumplir con las condiciones y necesidades reales del Sistema Interconectado Nacional -SIN-

4.2 Antecedentes

Segn las resoluciones CREG 025 de 1995, 080 de 1999 y 070 de 1998, los agentes de generacin, trasmisin y distribucin del SIN, as como el Centro Nacional de Despacho (CND), tienen dentro sus responsabilidades, la realizacin de estudios de ajuste y coordinacin de protecciones tanto para la entrada de nuevos proyectos y/o reconfiguraciones, como para la actualizacin de los estudios existentes (actividad semestral).

Dado lo anterior y teniendo en cuenta que actualmente estos estudios son elaborados con consideraciones y criterios de ajuste que no siempre estn bajo los mismos lineamientos tcnicos, el Grupo Nacional de Protecciones y Control GNPyC- identific que una forma de incrementar la agilidad y efectividad en la elaboracin y revisin de estos estudios es la unificacin de dichas consideraciones y la definicin de los criterios mnimos para la elaboracin de los mismos. Lo anterior se desarrollar en el presente documento que ser incluido como Captulo 1 en el documento GUAS PARA EL BUEN AJUSTE Y LA COORDINACIN DE PROTECCIONES DEL SIN.

4.3 Alcance

Este documento aplica para todos los agentes del SIN que deban elaborar estudios de ajuste y coordinacin de protecciones.

4.4 Elementos a proteger y rea de impacto del estudio

Como punto de partida para la elaboracin de los estudios de ajuste y coordinacin de protecciones, es preciso tener claramente definido el conjunto de elementos del sistema de potencia a proteger y a partir de ello identificar la zona o rea de impacto del sistema bajo estudio.

Los parmetros elctricos de los equipos a analizar deben ser consistentes con los reportados al CND y almacenados en el sistema Parmetros Tcnicos del SIN -PARATEC-. En caso de que existan inconsistencias entre la informacin utilizada en el estudio y la informacin reportada al CND, el agente deber enviar a este ltimo, la correspondiente justificacin y actualizacin de parmetros. Con lo anterior se logra mantener la misma informacin como dato de entrada en los diferentes estudios, tanto elctricos como de protecciones, realizados por el operador del SIN y otros agentes.

En los proyectos de expansin del SIN, se requiere tener claramente definido y acordado con el operador del sistema, la(s) topologa(s) bajo la(s) cual(es) ser analizado el sistema elctrico y el rea y/o los equipos elctricos a considerar para el estudio de ajuste y coordinacin de protecciones.

Una vez establecidos los elementos del sistema de potencia a proteger, se requiere definir el rea de influencia o impacto del proyecto, la cual busca establecer hasta dnde la red elctrica bajo anlisis debe ser modelada o considerada, con el fin de obtener un grado de precisin adecuado frente a los fenmenos que puedan presentarse en el sistema y que deben ser considerados dentro de los estudios.

Para la definicin del rea de impacto, se recomienda tener en cuenta los siguientes elementos:

Generadores ubicados en las cercanas del proyecto priorizando los de grandes capacidades, es decir superiores a 20 MVA (despachados centralmente), sus transformadores elevadores y bahas de conexin al sistema de transmisin o distribucin.

Las redes a nivel de transmisin y subtransmisin que interconecten a este nivel de tensin, las barras del STN.

Elementos de compensacin fijos y variables, incluyendo aquellos instalados en los terciarios de los transformadores de potencia y que son necesarios para el control de tensiones del rea.

Adems de las recomendaciones anteriores, se debe establecer un consenso tcnico entre el (los) agente(s) involucrados en el proyecto y el operador del SIN, que permita establecer los lmites del sistema elctrico a analizar, para esto, previo al proyecto, se elaborar una reunin de la cual quede el acta respectiva que respalde el desarrollo de las actividades futuras.

Una vez se defina el rea de influencia entre los agentes involucrados en el estudio y el operador del sistema (CND), se deben establecer lineamientos bsicos para la coordinacin de funciones de respaldo acorde con los requerimientos del SIN. Para ello el operador del sistema recomendar y/o definir con los agentes involucrados en el estudio, diversas trayectorias para la verificacin de la coordinacin de protecciones y la secuencia de salida de los elementos del rea que son representativos para el SIN.

4.5 Contenido del estudio de coordinacin de protecciones

El estudio de ajuste y coordinacin de protecciones tiene por objeto establecer los ajustes de los equipos de proteccin empleados en el rea de estudio que aseguren un alto grado de confiabilidad y seguridad del SIN. A continuacin se presenta la informacin bsica que debe contener el estudio de coordinacin de protecciones considerando que pueden presentarse diversidad de alcances, mltiples parmetros de entrada, criterios de ajuste y equipos de proteccin de acuerdo con el objeto del estudio.

Estructura bsica del informe

El Estudio debe presentarse en secciones o captulos que permitan identificar claramente el objeto, alcance, parmetros de entrada, metodologa, simulaciones y dems consideraciones realizadas para su elaboracin. El documento debe contener como mnimo las siguientes secciones.

1. Objeto

2. Descripcin del Proyecto

3. Alcance

4. Estudios de flujo de carga y cortocircuito

5. Criterios de ajuste de protecciones

6. Ajuste de Protecciones

7. Verificacin de ajuste y coordinacin de protecciones

8. Conclusiones y Recomendaciones

9. Referencias

10. Anexos

En los siguientes numerales se describe el contenido esperado para cada uno de las secciones arriba mencionadas.

4.5.1 Objeto del estudio

Descripcin general del propsito del estudio de coordinacin indicando el nombre del proyecto y/o rea de estudio del SIN, as como las subestaciones involucradas.

4.5.2 Descripcin del proyecto

Esta seccin debe incluir una descripcin del proyecto en estudio y debe contener la siguiente informacin:

Etapas del proyecto.

Ubicacin geogrfica.

Diagrama unifilar del rea de Influencia.

Configuracin de la(s) subestacin(es) asociada al proyecto.

Caractersticas de los rels a intervenir (referencia, fabricante)

Caractersticas de los Transformadores de Corriente y Tensin.

Unifilar de funciones de proteccin del proyecto bajo estudio. Lista de los parmetros elctricos de lneas, transformadores y generadores utilizados para el estudio los cuales deben estar de acuerdo con lo reportado en el PARATEC.4.5.3 Alcance del estudio

En esta seccin se realiza una descripcin general de los resultados esperados del estudio de coordinacin presentado.

4.5.4 Estudios de flujo de carga y cortocircuito

Definidos los elementos a proteger, el rea de influencia a analizar y teniendo en cuenta la informacin tcnica descrita en el numeral 4.1, se requiere que por medio de los resultados de los flujos de carga y cortocircuito, sean determinados los escenarios bajo los cuales se desarrollar el estudio de protecciones, as como los niveles mnimos y mximos de cortocircuito trifsico y monofsico y en los casos donde se requiera ajustar ciertas funciones de proteccin, el cortocircuito bifsico.

Los anlisis de flujos de carga y cortocircuito buscan identificar los escenarios bajo los cuales se debe evaluar el desempeo de las protecciones del sistema elctrico considerado. Para ello se debe contar con un modelamiento de la red elctrica, el cual deber estar acorde con los valores reales de flujos de potencia y corrientes de cortocircuito del SIN.

El CND cuenta con la red elctrica modelada en una base de datos (DB por sus siglas en ingls) la cual est sintonizada con los valores reales de operacin del SIN, a partir de 57.5kV o superior, para niveles inferiores se debe coordinar con el OR. Esta DB puede ser obtenida en el sitio web de XM (http://www.xm.com.co/Pages/EstudiosTrimestrales.aspx) y es de libre acceso para todos los agentes del sistema.

Se recomienda que los anlisis de flujos de carga y cortocircuito sean realizados mediante un software de simulacin, el cual debe generar resultados en los niveles de cortocircuito similares a los valores obtenidos con los modelos del CND. Se debe establecer un consenso tcnico entre el (los) agente(s) involucrados en el proyecto y el operador del SIN, que permita establecer la respectiva sintonizacin de los modelos. Los valores de cortocircuito de referencia para esta sintonizacin, pueden ser solicitados a XM o consultados en los informes de la UPME.

Los escenarios de anlisis para los estudios de flujo de carga y cortocircuito que se deben considerar en los estudios de ajuste y coordinacin de protecciones, normalmente son: mnima demanda y mxima demanda. Bajo estos dos escenarios de demanda, se deben evaluar las diferentes condiciones de la red y la generacin del rea. A continuacin, se describe la metodologa empleada por XM para obtener los escenarios de anlisis de protecciones.

Determinacin de los escenarios de demanda:

Demanda mnima: se analiza para el ao en curso o de entrada del proyecto y corresponde al da y hora de este periodo de tiempo, en el cual se presentan los escenarios probables de menor demanda. Este suele encontrarse en la semana santa o el primer da del ao entre las 02 y 04 horas.

Demanda mxima: se analiza para el ao curso o de la entrada del proyecto y corresponde al da y hora de este periodo de tiempo, en el cual se presentan los escenarios probables de mayor demanda. Este suele encontrarse durante los primeros 15 das del mes de diciembre entre las 19 y 21 horas.

Asignacin de la generacin en el sistema: se despachan las unidades de generacin de tal forma que se cumpla con los criterios de operacin establecidos en la resolucin CREG 025 de 1995, verificando que ante contingencias N-1 no se presenten sobrecargas por encima de los mximos valores declarados en el PARATEC para los equipos y que las tensiones en cada una de las barras estn dentro del rango de operacin del sistema, que se encuentra entre 0.9 y 1.1 p.u para los niveles de tensin hasta nivel 4 y entre 0.9 y 1.05 p.u. para 500kV en estado estacionario. Es de anotar que la mayora de los programas modernos permiten hacer estos anlisis con facilidad, ya que brindan la posibilidad de hacer contingencias mltiples (N-k) en el sistema y verificar los rangos y parmetros mencionados.

Se ubica el nodo Slack por fuera elctricamente del rea de anlisis.

Determinacin de los escenarios de cortocircuito:

En el escenario de mnima demanda, se busca disminuir los flujos por los circuitos a los mnimos probables y se calculan los valores de los cortocircuito en las barras.

En el escenario de mxima demanda, se busca incrementar los flujos por los circuitos a los mximos probables y se calculan los valores de los cortocircuitos en las barras.

En ambos escenarios, se analiza cmo la generacin cercana al rea en estudio modifica el comportamiento de los flujos y por ende de los cortocircuitos, de tal manera que puedan afectar el desempeo de las protecciones. Tambin, se analiza el comportamiento de los flujos cuando se presenta una condicin de N-1 en las subestaciones y cmo puede impactar esta condicin, el desempeo de las protecciones bajo anlisis.

Evaluacin del ajuste y la coordinacin de protecciones: en este punto, ya se cuenta con los escenarios de flujo de carga y cortocircuito a partir de los cuales se evala el desempeo de las protecciones elctricas

4.5.5 Criterios de ajuste de protecciones:

En general, se recomienda seguir los criterios para el ajuste de las protecciones de esta gua. Sin embargo, si se requiere algn criterio diferente o adicional se debe describir en este tem.

4.5.5.1 Ajuste de protecciones:

En esta seccin se deben presentar los clculos de cada uno de los ajustes de las funciones que se habilitarn en los equipos de proteccin que se encuentran dentro del alcance del estudio de coordinacin de protecciones y que han sido realizados de acuerdo con los criterios mencionados en la seccin anterior.

4.5.5.2 Verificacin de ajuste y coordinacin de protecciones

En general, este tem busca que se muestre como est coordinando las funciones de proteccin que se ajustaran.

En funciones de sobrecorriente es importante presentar las curvas y los tiempos de operacin para diferentes fallas en el sistema en una tabla, discriminando entre los rels de tierra y los de fases. Adicionalmente, se puede suministrar la informacin complementaria que el agente considere necesaria. Con esto se busca identificar claramente la coordinacin existente entre estas funciones de proteccin.

Se recomienda determinar los ajustes de los rels de sobrecorriente (sensibilidad) en escenarios de mnima demanda y posterior a esto, validar su coordinacin en mxima demanda (Sintonizacin de diales de tiempo) en el rea de influencia del proyecto.

Para las funciones de sobrecorriente de tierra a nivel de STR, presentar en los estudios, los clculos y/o medidas del mximo desbalance residual de corriente que presentan los circuitos en el punto de ubicacin del rel.

En funciones distancia se recomienda presentar en el estudio, los tiempos de operacin ante diferentes tipos de fallas en rea de impacto del proyecto y su correcta coordinacin con los rels asociados.

Adicionalmente, se recomienda realizar la coordinacin en escenarios de mnima demanda y posterior a esto, validar su coordinacin en mxima demanda, de acuerdo con lo establecido en el captulo 4 de esta gua.

En funciones diferenciales, de acuerdo con la metodologa presentada en el captulo Ajuste de las protecciones de barra, se recomienda presentar el anlisis de saturacin de sus transformadores de corriente asociados.

4.5.6 Conclusiones y Recomendaciones

En esta seccin se deben incluir las conclusiones generales del Estudio de ajuste y Coordinacin de protecciones y las recomendaciones correspondientes.

4.5.7 Referencias

Se debe incluir la referencia a todos los documentos, normas, etc que fueron utilizadas para la elaboracin del Estudio.

4.5.8 Anexos

A continuacin se presenta la informacin de soporte requerida en los informes de los estudios de ajuste y coordinacin de protecciones

La parametrizacin final de los ajustes en valores secundarios de cada uno de los rels de proteccin que se van a implementar en el proyecto

4.5.9 Validacin del estudio de ajuste ycoordinacin de protecciones

Considerar antes de la implementacin de los ajustes de las protecciones, la validacin que debe realizar el operador del sistema interconectado nacional, este, una vez realice la respectiva revisin del informe, enviar los comentarios que consider pertinentes.

4.5.10 Recomendaciones generales

A continuacin se presentan algunas recomendaciones que deben tenerse en cuenta para la elaboracin del Estudio:

a) Si el rea en anlisis se opera bajo diferentes topologas se debe determinar la necesidad de manejar diferentes grupos de ajuste.

b) Revisar el impacto del proyecto sobre los esquemas suplementarios de proteccin implementados en la zona del proyecto.

c) Luego de la determinacin de los valores de ajustes, la coordinacin de protecciones se debe cumplir tanto para red completa como para condicin de N-1 en una subestacin, por lo cual, se debe validar bajo estas topologas y en caso de no lograr una coordinacin adecuada, indicarlo en el informe para ser considerado en la operacin del sistema interconectado nacional.

d) En estudios de ajuste y coordinacin de protecciones de generadores, se requiere determinar los tiempos crticos de despeje de falla.

e) Se debe tener en cuenta que una vez se realiza la implementacin de los ajustes de los rels, se debe actualizar el estudio con los valores implementados en sitio y enviar al CND la respectiva actualizacin.

f) Es de anotar que en caso de que los estudios sean desarrollados por empresas externas a los agentes del SIN, es responsabilidad de estas ltimas velar por la confidencialidad en el suministro de informacin sobre el modelo elctrico a terceros.

5 PROTECCIONES DE LNEAS

Las lneas son los elementos del sistema elctrico que interconectan dos o ms subestaciones y por su longitud, son los elementos ms expuestos a falla dentro del sistema de potencia; razn por la cual, deben ser protegidas de manera especial.

5.1 CARACTERSTICAS BSICAS

Las caractersticas bsicas de las protecciones son: la confiabilidad, la selectividad (coordinacin), la sensibilidad, la velocidad y la simplicidad, caractersticas que estn siempre presentes en todos los esquemas de proteccin.

5.1.1 Confiabilidad

sta es una de las consideraciones ms importante para el diseo de un sistema de proteccin. La confiabilidad est definida como la probabilidad de que un rel o sistema de protecciones no acte inadecuadamente, por lo que es evaluado en sus dos componentes: fiabilidad y seguridad.

La fiabilidad est definida como el grado de certeza con el que un rel o sistema de rels operar correctamente cuando sea requerido; es decir, que no omita disparos cuando una falla deba ser despejada por l.

La seguridad est definida como el grado de certeza de que un rel o sistema de rels no operar incorrectamente en ausencia de fallas; es decir, que no emita disparos errneos.

De acuerdo con las definiciones anteriores, se puede decir que la fiabilidad es relativamente ms fcil de obtener que la seguridad, dado que existen mtodos para asegurarla, como por ejemplo la redundancia en los sistemas de proteccin y el respaldo local y remoto, mientras que para obtener seguridad sera necesario simular todas las condiciones posibles a las cuales estar sometido el rel y no se podra garantizar que todas fueron simuladas.

Una forma de lograr la seguridad podra ser la instalacin en serie de los contactos de disparo de dos protecciones que protegen el mismo equipo, de modo que se requiera que ambas protecciones vean la falla para dar orden de disparo. La fiabilidad en este caso se lograra colocando los contactos de dichas protecciones en paralelo, de tal forma que cualquiera de las dos que vea la falla produzca el disparo.

En vista de todo lo anterior se puede concluir que cuando se aumenta la fiabilidad se disminuye en cierto grado la seguridad y viceversa.

5.1.2 Selectividad y coordinacin

La selectividad de un sistema de proteccin consiste en que cuando ocurra una falla, sta sea despejada por los rels adyacentes, evitando la salida de otros circuitos o porciones del sistema no fallados. La coordinacin se refiere al proceso de ajuste de los rels; de tal forma que para condiciones de falla acten inicialmente las protecciones principales (de equipos o sistmicas), aislando el elemento fallado o la porcin del sistema que tiene problemas (por ejemplo la actuacin de la primera zona de proteccin en el caso de lneas) y que se cuente con protecciones de respaldo en caso de que la proteccin principal no pueda cumplir su cometido (zonas temporizadas en el caso de lneas de transmisin). Para lograr una mxima continuidad en el servicio se debe alcanzar, tanto la selectividad como la coordinacin.

Cada proteccin principal de equipos debe tener un rea delimitada de operacin, de acuerdo con la cual las protecciones se clasifican en:

Protecciones coordinadas o relativamente selectivas: son aquellas que por s solas no delimitan la zona que estn protegiendo. Por ejemplo, la proteccin distancia, la cual tiene varias zonas de proteccin, la primera generalmente de operacin instantnea y protege un porcentaje relativo de la lnea; las dems zonas protegen toda la lnea y parte de las lneas adyacentes y operan temporizadas.

Protecciones unitarias o absolutamente selectivas: Delimitan claramente su zona de proteccin. Por ejemplo, la proteccin diferencial (de transformador 87T, de lnea 87L, de generador 87G, de barras 87B), cuya zona de proteccin est determinada por los CTs asociados a la proteccin.

5.1.3 Velocidad o tiempo de despeje de fallas

Los requerimientos de velocidad deben determinarse muy cuidadosamente, teniendo en cuenta que si la proteccin es muy lenta, el sistema puede desestabilizarse y los equipos pueden sufrir daos adicionales; si la proteccin es demasiado rpida, se pueden ver comprometidas la seguridad y la selectividad del sistema.

5.1.4 Sensibilidad de la proteccin

sta se refiere a las mnimas cantidades actuantes con las cuales se debe ajustar el rel para que detecte una condicin anormal. Cuando se va a observar la sensibilidad de la proteccin, deben tenerse en cuenta algunos problemas como: fallas a tierra de alta impedancia, desbalances de voltaje inherentes al sistema, entre otros.

5.1.5 Simplicidad

En los diseos de las protecciones de lnea, es comn que no se tenga en cuenta esta caracterstica tan importante de un sistema de proteccin. Dado que los nuevos rels multifuncionales han creado gran cantidad de soluciones especiales para posibles problemas del sistema, es muy comn que la implementacin de esas soluciones se haga en forma incorrecta o incompleta y por consiguiente se pueden presentar consecuencias ms graves que si no se implementaran dichas soluciones. La simplicidad de un esquema de protecciones de lneas debe enfocarse a ajustar nicamente las funciones que sean estrictamente necesarias.

5.1.6 Respaldo

En general, el proceso de coordinacin de protecciones requiere que se utilice un sistema de respaldo para el caso en que falle la proteccin principal o el interruptor. Dicho sistema deber ser ms complejo mientras ms importante sea el sistema o el elemento a proteger.

Los esquemas de respaldo local pueden constar de otros dispositivos de proteccin con caractersticas similares de proteccin (rels de sobrecorriente, rels de falla interruptor, etc.). El respaldo local acta, normalmente, en un tiempo menor que el respaldo remoto.

Este sistema de respaldo puede ser:

5.1.6.1 Respaldo local para falla de la proteccin

Se utiliza un rel que protege contra anomala de la proteccin principal, ajustado con un tiempo de operacin mayor y conectado a otro ncleo del TC.

5.1.6.2 Respaldo local contra falla del interruptor

Se utiliza el rel de falla interruptor. Esta proteccin se presentar posteriormente con ms detalle.

5.1.6.3 Respaldo Remoto contra fallas del interruptor y de la proteccin

Este respaldo lo suministran protecciones relativamente selectivas colocadas en las barras adyacentes. Por ejemplo la zona 2 de las protecciones de distancia.

5.2 SELECCIN DEL ESQUEMA DE PROTECCIN DE LNEA

La seleccin del esquema de proteccin ms adecuado est influenciada por varios factores, los cuales se describen a continuacin:

5.2.1 Importancia y funcin de la lnea

Este es uno de los aspectos ms relevantes en la proteccin de la lnea de transmisin, dado que dependiendo de la importancia de la lnea en el sistema, se define el nivel de confiabilidad requerido.

En general, en las lneas ms crticas del sistema se justifica la redundancia en la proteccin, las comunicaciones y en la fuente auxiliar de DC. Las lneas menos crticas se pueden proteger adecuadamente con rels de distancia y de sobrecorriente.

La determinacin de la importancia de la lnea se debe basar en el nivel de voltaje, longitud de la lnea, proximidad a fuentes de generacin, flujos de carga, estudios de estabilidad, consideraciones de servicio al cliente y otros factores.

En Colombia el Cdigo de Red establece que todas las lneas de 220 kV o superiores son importantes, razn por la cual recomienda doble proteccin principal y redundancia en CT y en PT.

5.2.2 Factores del Sistema

En la seleccin de la proteccin de la lnea, se deben tener en cuenta factores relacionados con los requerimientos del sistema o con la configuracin de la lnea, as:

5.2.2.1 Requerimientos de tiempo de despeje de falla

La consideracin del tiempo de despeje de falla no slo influye en la seleccin de los rels principales sino tambin de la proteccin de respaldo local o remota, dado que el sostenimiento de una falla por un tiempo muy largo puede afectar la estabilidad del sistema.

Cuando la lnea a proteger tiene incidencia en la estabilidad del sistema, se prefieren los esquemas fiables, como por ejemplo la doble proteccin principal y el respaldo remoto en segunda y tercera zonas.

En Colombia, donde se tiene el esquema tendiente a la fiabilidad con doble proteccin principal, se prefiere proteger las lneas que requieren alta fiabilidad y velocidad por problemas de estabilidad, con rels de proteccin de lnea que tengan principio de funcionamiento diferente. Esto mejora substancialmente la fiabilidad pero afecta la seguridad, como lo ha demostrado la experiencia operativa.

Las lneas, cuya prdida signifique racionamientos y problemas sociales, ms que problemas de estabilidad, pueden tener una orientacin ms segura, utilizando por ejemplo dos rels de distancia de igual principio de funcionamiento.

5.2.2.2 Longitud de la lnea

Las lneas de transmisin pueden ser definidas o clasificadas como cortas, medias o largas. Esta clasificacin no depende nicamente de su longitud sino tambin de su nivel de tensin, el cual a su vez tiene un efecto muy importante en el factor SIR de la lnea.

El SIR es la relacin entre la impedancia de la fuente situada detrs de la proteccin de la lnea y la impedancia de la lnea (SIR = ZG/ZL).

Normalmente, para una longitud de lnea dada, la impedancia en por unidad (P.U.) vara mucho ms con el voltaje nominal que la impedancia en Ohm. Este factor, conjuntamente con las diferentes impedancias de cortocircuito a niveles de voltaje diferentes, muestra que el voltaje nominal de una lnea tiene un efecto significativo en el SIR de la lnea.

En conclusin, la lnea se debe clasificar como corta, media o larga segn el valor del SIR y no solamente segn su longitud. De acuerdo a lo anterior, las lneas se clasifican as:

Lneas Cortas: aquellas cuyo SIR es mayor o igual 4.

Lneas Medias: aquellas cuyo SIR est entre 0.5 y 4.

Lneas Largas: aquellas que tienen un SIR menor o igual a 0.5.

A continuacin se presenta un ejemplo de clasificacin de lneas de acuerdo con el SIR:

Considrese una lnea de 500 kV con una reactancia de secuencia positiva de 0.332 (/km, la cual corresponde a una reactancia de 0.0001328 P.U. por km, sobre una base de 100 MVA a 500 kV. Si la impedancia de la fuente detrs del rel es 0.01328 P.U.(la cual corresponde a un nivel de falla de 10.000 MVA), se tendra la siguiente clasificacin para las lneas:

Lneas Cortas: las que tienen longitudes menores de 19 km

Lneas Largas: las que tienen longitudes mayores de 150 km

La clasificacin de las lneas es muy importante para la seleccin del esquema, dado que las lneas muy cortas o las lneas muy largas pueden requerir esquemas de proteccin especiales.

Para proteccin de lneas cortas se recomienda el uso de esquemas de proteccin completamente selectivos como hilo piloto, corriente diferencial o comparacin de fases, dado que la diferencia en los aportes de corriente para falla cerca al rel o en el terminal remoto, es muy pequea, dificultando identificar la variacin de la impedancia con precisin. Adicionalmente, no se recomienda el uso de proteccin distancia como proteccin principal, dado que factores tales como la resistencia de arco o la impedancia de falla pueden causar subalcance en el rel.

Para la proteccin de lneas de longitud media, se puede utilizar la proteccin distancia, dado que la discriminacin del rel es ms efectiva en lneas con SIR menor que cuatro (4).

Las lneas largas, conectadas entre sistemas dbiles o siendo ellas mismas dbiles en comparacin con los sistemas que unen, generalmente requieren disparos de alta velocidad para evitar problemas de estabilidad en el sistema. Estas lneas pueden tener otros elementos incluidos, tales como condensadores en serie, lo cual hace variable la impedancia total de la lnea bajo ciertas condiciones e introduce comportamientos transitorios que hacen difcil la selectividad. Los esquemas de proteccin que ms se recomiendan para este tipo de lneas compensadas, son la comparacin de fases y la comparacin direccional, utilizando PLC (Power Line Carrier) o microondas.

5.2.2.3 Tamao de la fuente de alimentacin

El tamao de la fuente que alimenta la lnea determina los niveles de corriente de falla y afecta la capacidad de los sistemas de proteccin para proveer una adecuada selectividad. Si el tamao de la fuente est sujeto a variaciones significativas debido a cambios en las condiciones de operacin, la proteccin debe ser tan flexible que pueda ser fcilmente modificada o adaptada automticamente para acomodarse a tales variaciones; como por ejemplo disponer de varios grupos de ajustes.

5.2.2.4 Configuracin de la lnea

El nmero de terminales o la influencia de condensadores en serie o reactores en paralelo, en ocasiones requiere prcticas de proteccin especiales.

5.2.3 Comunicaciones

La seleccin del sistema de comunicaciones asociado con la proteccin de la lnea debe hacerse en forma simultnea con la seleccin de la proteccin, para garantizar que sean compatibles. La tendencia ms moderna consiste en separar los canales de comunicacin para cada proteccin principal y para cada proteccin de respaldo de sobrecorriente direccional a tierra.

5.2.4 Tecnologas nuevas vs. Tecnologas viejas

Las nuevas tecnologas suministran grandes ventajas, entre las que se cuentan: cargas ms bajas para los CTs, mayor sensibilidad, rangos de ajuste amplios, disponibilidad de mltiples funciones, posibilidades de varios grupos de ajustes, gran flexibilidad, posibilidades para resolver problemas especiales de proteccin, mayor facilidad para la implementacin del control y las comunicaciones etc. Adicionalmente, hoy da, las tecnologas numricas nuevas son ms econmicas que las tecnologas antiguas analgicas electrnicas o electromecnicas.

5.2.5 Compromisos del diseo del esquema de proteccin

El diseo del sistema de proteccin requiere compromisos considerables y la confiabilidad es uno de ellos y resulta como una combinacin entre fiabilidad y seguridad, las cuales, a menudo, son parcialmente excluyentes. Otros compromisos son: confiabilidad vs. costo, velocidad vs. seguridad, simplicidad vs. flexibilidad, independencia del diseo y fabricante vs. normalizacin, etc. El anlisis y evaluacin de todos estos compromisos es lo que permite finalmente al ingeniero de protecciones hacer la seleccin ms apropiada del esquema de proteccin a utilizar.

5.2.6 Consideraciones de redundancia y respaldo

La redundancia para protecciones de lneas de transmisin se puede lograr por mtodos diferentes, cada uno con niveles variados de complejidad, beneficios y costos. Esos mtodos incluyen dos o ms esquemas de proteccin duplicados, proteccin de respaldo local, respaldo remoto, y la duplicacin de las fuentes de DC, de los CTs, PTs y bobinas de disparo del interruptor.

5.3 ESQUEMAS DE RELS

Los esquemas de rels pueden ser con seales piloto o sin seales pilotos

5.3.1 Esquemas sin seales piloto o no completamente selectivos

Los esquemas sin seales piloto pueden ser:

Rels de sobrecorriente no direccional

Rels de sobrecorriente direccional

Rels de distancia

5.3.1.1 Esquemas de rels de distancia

Los rels de distancia utilizan la medida de la relacin entre el voltaje y la corriente para determinar si la falla est en su zona de proteccin. Las caractersticas de estos rels se pueden describir en el diagrama R-X. Estos rels se ajustan de acuerdo con las impedancias de secuencia cero y positiva de la lnea de transmisin.

La impedancia medida durante operacin normal es la relacin entre el voltaje en el extremo terminal y el flujo de corriente en la lnea. Este valor es usualmente un valor alto y predominantemente resistivo. Sin embargo, durante fallas este valor es bajo y con alto contenido reactivo. Un cambio repentino en la impedancia medida determina la ocurrencia de una falla y define si se encuentra dentro en su zona de proteccin o en otra parte del sistema. Esto es llevado a cabo por la limitacin del rel a una cierta franja de la impedancia observada, comnmente llamada Alcance.

La mayor ventaja de los rels distancia para fallas polifsicas, es que su zona de operacin es funcin slo de la impedancia medida y de la resistencia de falla, excepto para situaciones donde hay efecto Infeed en el punto de la falla, por inyeccin de corrientes del otro extremo de la lnea sobre la impedancia de falla, o cuando hay acople mutuo en circuitos paralelos. Su ajuste es fijo, independiente de las magnitudes de las corrientes de falla, por lo que no es necesario modificar sus ajustes a menos que cambien las caractersticas de la lnea.

5.3.1.1.1 Caractersticas bsicas de la proteccin distancia

Normalmente se tiende a confundir el trmino rel de impedancia con el trmino rel de distancia. La medida de impedancia es una de las caractersticas que puede tener un rel de distancia; Sin embargo existen varias caractersticas para los rels de distancia, las cuales se explican a continuacin:

Figura 4 Caractersticas bsicas del rel de distancia

Impedancia: El rel de impedancia no toma en cuenta el ngulo de fase entre el voltaje y la corriente que se le aplica, por esta razn, la impedancia caracterstica en el plano R-X es un crculo con su centro en el origen. El rel opera cuando la impedancia medida es menor que el ajuste. Ver Figura 4(a). Para darle direccionalidad a este rel se requiere normalmente de una unidad direccional.

Mho: La caracterstica del rel Mho es un crculo cuya circunferencia pasa a travs del origen. El rel opera si la impedancia medida cae dentro del crculo. Ver Figura 4(b).

Mho Offset: La caracterstica de este rel en el plano R-X es un crculo desplazado y que incluye el origen, con lo cual se obtiene una mejor proteccin para las fallas cercanas al rel. Cuando esta unidad se utiliza para dar disparo, debe ser supervisada por una unidad direccional o ser de tiempo retardado. Ver Figura 4(c).

Reactancia: Este rel solamente mide la componente reactiva de la impedancia. La caracterstica de un rel de reactancia en el plano R-X es una lnea paralela al eje R. Este rel debe ser supervisado por alguna otra funcin para asegurar direccionalidad y para prevenir disparo bajo condiciones de carga. Ver Figura 4(d)

Cuadrilateral: La caracterstica de este rel puede ser alcanzada con la combinacin de caractersticas de reactancia y direccional con dos caractersticas de control de alcance resistivo. Ver Figura 4(e).

Lenticular: Este rel es similar al rel mho, excepto que su forma es ms de lente que de crculo, lo cual lo hace menos sensible a las condiciones de carga. Ver Figura 4(f).

Actualmente se han diseado muchas caractersticas de rels de distancia a partir de la combinacin de las caractersticas bsicas arriba descritas.

5.3.1.1.2 Zonas de la proteccin distancia

La proteccin de distancia emplea varias zonas para proteger la lnea de transmisin. En Colombia el Cdigo de Redes establece: zona 1, zona 2, zona 3 y zona reversa. Sin embargo, algunos rels slo disponen de dos o tres zonas, y existen rels que pueden llegar a tener hasta cinco (5) zonas y una zona adicional llamada zona de arranque.

En la Figura 5 se presentan los alcances de las zonas de una proteccin distancia con tres zonas adelante y una reversa, con caractersticas Mho y cuadrilateral.

Figura 5 Caracterstica general alcance de zonas proteccin distancia

Para el ajuste de las zonas en los rels de distancia, se debe tener en cuenta la impedancia de la lnea a proteger y las de las lneas adyacentes, dado que el ajuste de algunas de las zonas del rel de distancia cubren una parte o la totalidad de la lnea adyacente.

En la Figura 6 se presentan los alcances de zona hacia adelante que se pueden encontrar en una proteccin distancia

Figura 6. Alcances de zona

En la Figura 7 se presenta un diagrama unifilar sencillo que se puede utilizar como modelo para ajustar las zonas de un rel de distancia.

Figura 7. Diagrama unifilar tpico para ajustar las zonas de la proteccin distancia

Ajuste de la Zona 1

La primera zona de la proteccin distancia es normalmente de operacin instantnea y tiene por finalidad proveer un despeje rpido de fallas que ocurran a lo largo de la lnea. La Zona 1 normalmente se ajusta entre un 80 90% de la impedancia de la lnea, para evitar operaciones innecesarias cuando se presente una falla ms all de la barra remota por efecto de la componente de corriente directa que se presenta dependiendo del momento de la onda senoidal de corriente en el que se presenta la falla (sobrealcance):

donde:

Z1:Ajuste de Zona 1

K:Porcentaje de la lnea a proteger con la zona 1 (70 a 90%)

ZL:Impedancia de secuencia positiva de la lnea

Como criterio se recomienda un factor K del 85% de la impedancia de la lnea. Para lneas cortas, el factor K puede ser menor e incluso puede ser del 70%.

Tiempo de Zona 1: Instantneo (0 ms).

Anlisis del efecto Infeed en Zona 1

Cuando ocurre una falla con impedancia de falla (comn en fallas a tierra), la inyeccin de corriente del otro extremo de la lnea, introduce un error de medida en el extremo inicial, denominado efecto Infeed.

Figura 8. Efecto Infeed en Zona 1

De la Figura 8 se puede deducir la siguiente ecuacin:

Si se divide la ecuacin anterior por I1 se obtiene:

Es decir que la impedancia aparente vista por el rel para una falla en Zona 1 de la lnea se ve afectada por la resistencia de falla, multiplicada por un factor I2/I1, pudindose presentar los siguientes casos:

Si I2/I1 es cero o cercano a cero, la impedancia vista por el rel de la subestacinA no sera afectada significativamente por el efecto Infeed

Si la corriente I2 es muy grande o I1 muy pequea, el trmino I2/I1 sera alto, ocasionando subalcance en el rel dado que vera un valor de impedancia mayor una fa