GUÍA TÉCNICA “Requerimiento de diseño de esquemas de falla de interruptor, 50BF”. CDEC-SING

Autor

: Unidad de Integridad del Sistema.

Fecha

: Junio de 2014.

Correlativo

: 1406-UIS-GT3-V1

Versión

:1

CONTROL DE DOCUMENTO APROBADO POR Versión 1

Aprobado por Daniel Salazar J. Raúl Moreno T.

Cargo Director de Operación y Peaje Subdirector de Operación

REVISADO POR Versión 1 A

Revisado por Erick Zbinden A. Erick Zbinden A.

Cargo Jefe Unidad Integridad de Sistema Jefe Unidad Integridad de Sistema

REALIZADO POR Versión 1 A

Realizado por Unidad Integridad del Sistema. Unidad Integridad del Sistema.

Cargo -

REGISTRO DE CAMBIOS Fecha 18/06/2014

Autor Unidad Integridad del Sistema

Versión 1

22/05/2014

Unidad Integridad del Sistema

A

Descripción del Cambio Versión final.

Confección del borrador para observaciones de empresas coordinadas.

CONTENIDO 1.

INTRODUCCIÓN.

2

2.

OBJETIVO Y ALCANCE.

2

3.

ESQUEMA FALLA DE INTERRUPTOR 50BF.

2

3.1.

DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN 50BF.

2

4.

REQUERIMIENTOS SOBRE EL DISEÑO DEL ESQUEMA 50BF

3

4.1.

HABILITACIÓN DE LA FUNCIÓN 50BF

3

4.2.

MÉTODOS DE DETECCIÓN

3

4.3.

ESQUEMAS DE FALLA DE INTERRUPTOR

4

4.3.1.

ESQUEMA CON LÓGICA DE INSISTENCIA DE SEÑAL DE APERTURA SOBRE EL INTERRUPTOR. 4

4.3.2.

ESQUEMA DE CORRIENTE MÍNIMA

5

4.4.

CRITERIOS DE AJUSTE Y TIEMPOS DE OPERACIÓN.

5

4.5.

OTROS REQUERIMIENTOS ASOCIADOS A LA OPERACIÓN DE LA FUNCIÓN DE FALLA DE INTERRUPTOR. 6

5.

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN EN ESQUEMAS DE FALLA DE INTERRUPTOR.

6

6.

CONCLUSIONES.

8

7.

REFERENCIAS.

9

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1. INTRODUCCIÓN. En este documento se describen recomendaciones generales para el diseño de los esquemas de falla de interruptor (50BF), con el objeto de adoptarlos y habilitarlos en las instalaciones del Sistema Transmisión del Sistema Interconectado de Norte Grande (SING), de acuerdo a los requerimientos establecidos por la Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Servicio (NT de SyCS) vigente [1]. 2. OBJETIVO Y ALCANCE. El objetivo de esta Guía Técnica es presentar recomendaciones para el diseño del esquema de protección contra falla de interruptor, con el fin de aumentar la confiabilidad y el desempeño del Sistema Interconectado (SI), ante fallas que puedan provocar daños a instalaciones del sistema de transmisión o inestabilidad en el SING, cuando el interruptor es incapaz de aislar una falla. El alcance aborda los mecanismos de detección de falla de interruptor, lógicas de operación, criterios de ajuste y los esquemas de comunicación asociados a las Transferencias de Desenganche Directo (TDD/85D), incluyendo los tiempos de envío/recepción de dicha señal. Los diseños de control y comunicaciones que utilicen aplicaciones tecnológicas no convencionales mediante bus de proceso, para la medición, desenganches y/o enclavamientos requeridos, no son parte de la presente guía técnica. Se recomienda que los requerimientos indicados en este documento sean considerados en el diseño de las instalaciones del sistema de Transmisión sobre 100 kV. 3.

ESQUEMA FALLA DE INTERRUPTOR 50BF.

Las protecciones que se encuentran en el SI, al detectar una condición de falla, envían una señal de apertura a los interruptores asociados de manera de aislar dicha falla en el menor tiempo posible. Los esquemas de falla de interruptor de línea, evalúan si el interruptor principal que recibe la señal de apertura opera correctamente, y en caso que no se aísle la falla, deben dar orden de desenganche a todos los interruptores locales que sean adyacentes al interruptor fallado. Los esquemas 50BF asociados a interruptores que sean parte de paños de línea, además deben enviar una señal de apertura al interruptor remoto de la línea a través de una señal de TDD/85D. 3.1. DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN 50BF. La función de protección falla de interruptor ó 50BF, es considerada una función de emergencia en la operación del sistema, puesto que actúan en segunda instancia o como respaldo frente a la incapacidad del interruptor principal de aislar el componente fallado cada vez que éste recibe una orden de apertura proveniente de los sistemas de protección principales. En términos generales, la operación de esta función se puede originar debido a: 

Falla en el envío de la señal de apertura al interruptor: Ocasionado por problemas en el circuito de apertura o por fallas mecánicas en el interruptor que evitan la apertura de los contactos del interruptor.

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

Falla en el despeje: El interruptor comanda y ejecuta correctamente la apertura de sus contactos, sin embargo, el arco eléctrico no se extingue.

Cualesquiera que sean las razones por las que el interruptor no actúe correctamente, la falla continuará presente, lo que pone en riesgo la estabilidad del SI y la integridad del equipamiento primario, al permanecer sometidos a altas corrientes de cortocircuito durante mayor tiempo. 4. REQUERIMIENTOS SOBRE EL DISEÑO DEL ESQUEMA 50BF. 4.1. HABILITACIÓN DE LA FUNCIÓN 50BF. Existen diversas opciones para habilitar un esquema de falla de interruptor, destacándose las siguientes [2]: 

Función 50BF habilitada en un equipo de protección dedicado: Esta implementación consiste en utilizar un equipo externo a los sistemas de protección principales del paño.



Función 50BF habilitada en el equipo de protección principal: La función 50BF es parte de un equipo multifunción, y para aquellos casos donde existe doble sistema de protección, ésta debe ser habilitada en cada uno de ellos.



Función 50BF habilitada en la protección diferencial de barra: En aquellos casos donde se utilice un equipo diferencial numérico distribuido, se puede habilitar la función 50BF para cada paño en cada una de las unidades de bahía.

Independiente de la configuración escogida, se debe considerar que toda protección que envíe una señal de apertura sobre su interruptor deberá dar inicio a la función 50BF, la que podrá estar incorporada en el mismo equipo de protección que comanda la apertura del interruptor, o en un equipo externo al sistema principal del paño. En aquellos casos donde se habilite la función 50BF en dos sistemas de protección de un mismo paño simultáneamente, el proyecto de control puede prescindir del inicio cruzado de la función 50BF entre el Sistema 1 y el Sistema 2, de manera de simplificar su diseño. 4.2. MÉTODOS DE DETECCIÓN. En general, los esquemas de falla de interruptor utilizan tres métodos de detección, con el fin de verificar la correcta operación del interruptor en el despeje de una falla. Estos métodos corresponden a: 

Detección por medición de corriente de falla.



Verificación de la apertura del interruptor a través de contactos auxiliares.



Una combinación lógica por detección de corriente y de contactos auxiliares.

La medición de corriente puede ser aplicado como único método de detección, sin embargo, puede ocurrir que en un estado de falla se generen niveles de corriente que no consigan alcanzar el valor de pick-up mínimo para el arranque de la lógica de detección. Esta situación podría presentarse en instalaciones que se comportan como fuente débil, y en tales casos se recomienda la habilitación de un esquema de corriente mínima, el que será descrito en la sección 4.3.2.

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La lógica de operación de la función 50BF para un esquema de corriente mínima, combina las señales de detección por corriente de falla y la de contactos auxiliares, en una compuerta “OR”, con el fin de evitar errores de operación si la indicación de posición del interruptor fuese incorrecta [5]. 4.3. ESQUEMAS DE FALLA DE INTERRUPTOR. A continuación, se presentan dos (2) de los esquemas de falla de interruptor utilizados en la industria [2], y que se recomiendan implementar en el SING. En aquellas instalaciones donde es esperable que la corriente de falla no consiga alcanzar el valor pick-up para el arranque de la lógica de detección por medición de corriente de falla, se recomienda la habilitación de un esquema de corriente mínima, como el descrito en el punto 4.3.2. 4.3.1.

ESQUEMA CON LÓGICA DE INSISTENCIA DE SEÑAL DE APERTURA SOBRE EL

INTERRUPTOR. Este esquema utiliza dos (2) condiciones para verificar la correcta operación del interruptor en el despeje de una falla, éstas son: 1) La presencia de una corriente de falla que circula por el interruptor (50BF), y 2) La recepción de la señal de apertura sobre el interruptor, enviada por los equipos de protección principales (BFI: Breaker Failure Initiate). En la figura N°1 se presenta un esquema 50BF con lógica de insistencia o re-trip. De ella se observa que una vez recibida la señal BFI, y transcurrido el tiempo de insistencia caracterizado mediante el temporizador 62-2, se reenvía nuevamente una señal de apertura sobre el interruptor local (re-trip). Si la función 50BF se encuentra integrada en los equipos de protección de cada paño de la subestación, esta señal de apertura puede ser emitida a través de contactos distintos de aquellos con los que el dispositivo emite la señal de desenganche principal hacia su respectivo interruptor. Sin perjuicio del tipo de implementación escogida, se recomienda que siempre exista una vía independiente de apertura por lógica de insistencia, respecto de la vía de desenganche principal por operación de otras protecciones, tal que previo a la operación de un esquema de falla de interruptor, se descarten problemas de envío de la señal de desenganche desde la sala de control y protecciones, hasta el accionamiento de control del interruptor de poder localizado en campo. Finalmente, si el interruptor no opera correctamente luego de transcurrido el tiempo de ajuste de operación, caracterizado por el temporizador 62-1, se envía una señal de apertura a los interruptores adyacentes para aislar la falla.

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62-1 50BF BFI

Y

Señal de operación de 50BF

Temporizador

62-2

Insistencia de la señal de apertura local

Temporizador

Figura N° 1: Esquema de falla de interruptor con insistencia de señal de apertura.

4.3.2.

ESQUEMA DE CORRIENTE MÍNIMA.

En este esquema se utiliza una señal de contacto auxiliar (52a/b) que entrega información de la posición del interruptor (abierto/cerrado). Con esta señal adicional, en caso de que la corriente de falla no sea capaz de alcanzar el valor de ajuste de pick-up para conseguir la detección, la señal de posición del interruptor identificará si el interruptor de poder realizó o no su apertura.

62-1 50BF 52a

BFI O

Y

Temporizador

Señal de operación de 50BF

Figura N° 2: Esquema de falla de interruptor con mínima corriente de falla.

4.4. CRITERIOS DE AJUSTE Y TIEMPOS DE OPERACIÓN. Los criterios de ajuste para corriente de fase y tierra, y los tiempos de operación e insistencia, se encuentran indicados en la Guía Técnica “Criterios de coordinación y ajuste de protecciones para instalaciones sobre 200 kV” [4], los que también son aplicables sobre los esquemas de falla de interruptor, de instalaciones de transmisión con tensiones superiores a 100 kV. Estos criterios generales, recomiendan que los ajustes de la corriente de detección, para fallas entre fases o residual, sean los siguientes: 0.1 × 𝐼𝑛 𝑇/𝐶 ≤ 𝐼𝑜𝑝 ≤ 0.8 × 𝐼𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎 𝑚𝑖𝑛 Donde: 𝐼𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎 𝑚𝑖𝑛

: Corriente mínima de fallas entre fases o residual, según corresponda.

𝐼𝑛 𝑇/𝐶

: Corriente del tap primario nominal del transformador de corriente asociado.

𝐼𝑜𝑝

: Corriente mínima de operación, o de pickup.

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En relación a los ajustes de los temporizadores, en general se recomiendan los siguientes: 

Tiempo de insistencia (62-2): 0.0 𝑠 ≤ 𝑡1 ≤ 0.08(𝑠)



Tiempo de operación (62-1): 0.10 𝑠 ≤ 𝑡2 ≤ 0.20(𝑠)

Los ajustes propuestos consideran que ambos temporizadores se inician en forma simultánea, con el fin de evitar el aumento innecesario en el tiempo de operación de la función 50BF. De no existir particularidades mecánicas, ya sea accionamiento del interruptor u otro elemento, se sugiere utilizar un tiempo de operación de 150 ms en la función 50BF [4]. 4.5. OTROS REQUERIMIENTOS ASOCIADOS A LA OPERACIÓN DE LA FUNCIÓN DE FALLA DE INTERRUPTOR. Una vez iniciada la operación de la función 50BF, y dependiendo del tipo de paño al que esté asociado el esquema 50BF, se requiere dar inicio a las siguientes acciones: 

Envío de orden de apertura a los interruptores adyacentes que se encuentran en la misma subestación.



Envío de orden de TDD/85D a los interruptores remotos, debido a la operación de esquemas de falla de interruptor asociados a paños de línea.



Bloqueo de la función de reconexión automática (79), para aquellos interruptores en los cuales se encuentre habilitada.



Bloqueo del cierre de los interruptores locales a los que se envía orden de apertura.

Para las implementaciones anteriores, se recomienda que el proyecto de ingeniería de control considere la utilización de relés maestros (86), de manera de asegurar los enclavamientos requeridos para, a lo menos, todos los interruptores locales adyacentes al equipo fallado. 5. SISTEMAS DE COMUNICACIÓN EN ESQUEMAS DE FALLA DE INTERRUPTOR. Se entiende como Sistema de Comunicación al conjunto conformado por los equipos de telecomunicaciones, dispuestos en forma local y remota, y al medio de comunicación que permite la transmisión de señales entre ambos puntos [3]. Esto se visualiza en la figura N°3.

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Figura N° 3: Esquema general de comunicación.

El sistema de comunicación utilizado para transmitir la señal TDD/85D debe ser confiable, para asegurar que la señal sea recibida correctamente con un mínimo de retardo durante la condición de falla. La señal TDD/85D, a diferencia de los esquemas de teleprotección 85A y 85C, corresponde a una orden de desenganche directo, por lo que su nivel de confiabilidad debe ser equivalente al de cualquier otra señal de desenganche local. Luego, su emisión se realiza simultáneamente con la operación de la función 50BF, y su actuación, en forma directa sobre el interruptor de poder remoto, es decir, la señal deberá ser enviada por el equipo de comunicación local al equipo de comunicaciones remoto, para ser recibida directamente por el interruptor de poder remoto, o a través de relés auxiliares adecuados para estos fines. Dada la confiabilidad requerida en el envío y recepción de la señal de TDD/85D, se recomienda considerar medios de comunicación independientes que garanticen una disponibilidad anual de al menos 99,995%. En aquellos casos donde la línea de transmisión disponga de un doble enlace de comunicación, se recomienda utilizar ambos medios para el envío de la señal de transferencia de desenganche directo. En relación al tiempo de transmisión de la señal de TDD/85D, se recomienda que éste sea inferior a 40 ms para sistemas de comunicación análogos, e inferior a 10 ms para sistemas de comunicación digitales, conforme a lo indicado en la Norma IEC 60834-1 [3]. En casos especiales donde no existan equipos de comunicaciones con contactos disponibles, o éstos no sean adecuados para energizar bobinas de desenganche de interruptores de poder, se debe utilizar para la orden de desenganche, un relé repetidor ultra rápido (HST) con tiempo de operación inferior a 8 ms. Las señales de desenganche directo no deben estar condicionadas por lógicas asociadas a equipos de control o protección en la subestación remota, ni depender de equipos adicionales a los estrictamente necesarios para recibir y retransmitir la orden de desenganche directamente a los interruptores de poder respectivos. Lo anteriormente descrito se presenta esquemáticamente en la figura N°4.

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Equipo Protección Local

Orden apertura interruptor

RTU / Equipo de Protección

HST

50BF

TDD Equipo de Teleprotección remoto

Equipo de Teleprotección local envía TDD

Equipo de Comunicación local

Medio Comunicación

Equipo de Comunicación Remoto

Figura N° 4: Envío de señal de desenganche directo al interruptor del extremo remoto de la línea.

En la figura N°4 se muestra la inclusión de equipos adicionales que interfieren innecesariamente en el proceso de transmisión de la señal de desenganche directo, como son las Unidades de Terminal Remoto (RTU) y los equipos de protección. Esta práctica no es recomendada ya que introduce un aumento en la probabilidad de falla y/o incremento del tiempo de envío de la señal de TDD/85D. En el extremo remoto, la señal de TDD/85D puede ser enviada directamente desde el equipo de teleprotección al interruptor, o bien, a través de un relé HST. 6. CONCLUSIONES. Las recomendaciones asociadas al diseño de la función 50BF aquí propuestas, permiten mejorar el desempeño y confiabilidad de estos esquemas, minimizando con ello los efectos negativos que se presentan tanto a nivel de estabilidad del SI como frente a los potenciales daños a instalaciones del sistema de trasmisión, cuando no es posible despejar una falla por problemas en la operación del interruptor de poder, sean estos de índole eléctrica o mecánica. Dentro de estas recomendaciones, se pueden destacar aspectos como: 

Lógica de operación de los esquemas de falla de interruptor, con mínima corriente de falla. Esta recomendación considera combinar las señales de detección por corriente de falla y por contactos auxiliares en una compuerta “OR”, con el fin de evitar los errores de operación cuando la indicación de posición del interruptor es incorrecta [5].



La necesidad de esquemas de comunicación confiables y con alta disponibilidad para el envío de la señal de TDD/85D, lo que contribuye a conseguir una operación rápida y segura de los sistemas de protección asociados.



Comunicar las señales de TDD/85D de forma directa entre el equipo de teleprotección y el interruptor cuando sea técnicamente factible, o bien, a través de relés de control ultra rápidos (HST), de manera de no introducir riesgos o latencias innecesarias en el proceso de despeje remoto de la falla.

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7. REFERENCIAS. [1] Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Servicio (NT de SyCS), Versión de Octubre de 2009 y Res. Exta. N°131 del 17 de Abril de 2014. [2] IEEE Std. C37.119 “Guide for Breaker Failure Protection of Power Circuit breakers”, 2005. [3] IEC 60834-1 “Teleprotection equipment of power systems – Performance and testing”, 1999. [4] Guía Técnica CDEC-SING “Criterios de coordinación y ajuste de protecciones para instalaciones sobre 200 kV”, Versión 2, Junio de 2014. [5] Documento de referencia Técnica, “Use of Circuit Breaker Position Indication in Breaker Failure Protection”, NERC System Protection and Control Subcommitte, Diciembre de 2011.

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