Sistemas de protección, redes AT Universidad de Sevilla

Guillermo Nicolau González - febrero, 2013

Topologías redes AT

Sistema eléctrico de potencia peninsular NIVELES DE TENSIÓN

INTERCONEXIONES PENINSULARES

TRANSPORTE: 400kV, 220 kV DISTRIBUCIÓN MALLADA: HV1, HV1, HV3 (132 ÷ 45 kV) MV (MEDIA TENSIÓN): 10, 11, 15, 20, 25, 30 kV

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3

Interconexiones sistemas de transporte y distribución mallada AT (1)

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4

Interconexiones sistemas de transporte y distribución mallada AT (2)

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5

Generadores: conexiones a sistemas de transporte y distribución mallada AT

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6

Transformadores / Auto – transformadores interconexión transporte – distribución mallada AT

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7

Transformadores transporte / MT, distribución mallada AT/MT

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8

Principios de funcionamiento

Falta a tierra, 110 kV: formas de onda y tiempo de eliminación

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10

Postulado principal

Detección y eliminación del cortocircuito, en el mínimo tiempo posible, desconectando exclusivamente los interruptores más cercanos que energicen el defecto. Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

11

Protección diferencial: principios de operación

ANSI 87 Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

12

Protección diferencial: errores en la medida, debidos a TT/I no ideales e intensidades capacitivas

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13

Protección diferencial: función característica para operación estable Id I dif

2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

DISPARO

REPOSO Ip 0

1

2

3

4

nº de veces Inom

Id

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IS

IS' ; I p

5

6

7

8 I fren

IS

IS' 2

14

Protección diferencial: diagrama operativo

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15

Relé diferencial, circuito AT: comunicaciones mediante fibra óptica directa y dedicada

Aplicación en líneas aéreas y circuitos subterráneos • Actuación instantánea: típicamente < 100 ms (tiempo total de eliminación); • Dependencia total enlace telecomunicaciones; in caso de indisponibilidad: • Bloqueo total función diferencial: • Disparo no selectivo al sobrepasar umbral de intensidad • Precisa protección de respaldo; • Cables subterráneos: disparo definitivo (sin reconexión automática); • Líneas aéreas: reconexión automática monofásica / trifásica. ANSI: 87L Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Diferencial barra simple, ausencia de cortocircuito

ANSI: 87B Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Diferencial barra simple, cortocircuito en zona protegida

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Diferencial doble barra con acoplamiento trasversal, ausencia de cortocircuito

Variables requeridas: intensidades de posición y topología (conexión a barras 1 o a barras 2 por seccionadores) Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Diferencial doble barra con acoplamiento trasversal, cortocircuito en barras 1

Escenario previo: interruptor de acoplamiento cerrado, cada posición conectada a una única barra. Cortocircuito en barras 1: desconexión de acoplamiento y de todos los terminales conectados a barras 1 Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

20

Diferencial doble barra con acoplamiento trasversal, cortocircuito en barras 2

Escenario previo: interruptor de acoplamiento cerrado, cada posición conectada a una única barra. Cortocircuito en barras 2: desconexión de acoplamiento y de todos los terminales conectados a barras 2 Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

21

Diferencial doble barra con acoplamiento trasversal, cortocircuito y barras unidas por seccionador

Escenario previo: acoplamiento cerrado, una posición conectada a sendas barras mediante seccionadores (línea discontinua roja), resto de posiciones conectadas a una única barra; Cortocircuito: deben desconectarse totalidad de interruptores para desenergizar cortocircuito Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Relé diferencial no numérico, aplicación en transformador AT/MT: ausencia de cortocircuito

I AT , P

I AT , P

I AT , P

I MT , P ;

TT / I AT

;I MT , P

I MT , P

TT / I MT

Los TT/I auxiliares deben compensar: • Diferencias de amplitud y fase entre devanado AT y MT; • Diferencia de relación entre TT/I AT y MT En ausencia de falta entre TT/I:

I AT , S

I AT , S

I AT , S

I AT ', S ;

;I MT ', S

I MT ', S

ANSI: 87T Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Relé diferencial numérico, aplicación en transformador AT/MT: ausencia de cortocircuito

El usuario puede configurar, en este tipo de relés: • Grupo de conexión transformador (YY, DD, YD, DY) y puesta a tierra neutro; • Relación de transformación (N1/N2); • Ángulos entre intensidad AT y MT; • Relación de TT/I evitando así instalación de TT/I auxiliares

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24

Relé de distancia: cableado en aplicación circuito AT

ANSI: 21 Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

25

Relé de distancia: cálculos vs. tipo de cortocircuito L: longitud; asúmanse (Z1; Z0) distribuidas de forma homogénea a lo largo del circuito

• Cortocircuito franco monofásico, fase A:

Z1

,X

VA ,X I A ,X k N I N ,X

Z1

Z1

,Y

I A ,Y

VA ,Y k N I N ,Y

1

Z1

kN

Z0 Z1 3Z 1

• Cortocircuito franco bifásico, fases (A – B), entre fases o entre fases y tierra:

Z2

,X

VA ,X VB ,X I A ,X I B ,X

Z1

Z2

,Y

VA ,Y VB ,Y I A ,Y I B ,Y

1

Z1

• Cortocircuito franco trifásico:

Z1

,X

VA ,X I A ,X

VB ,X I B ,X

VC ,X I C ,X

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Z1

Z1

,Y

VA ,Y I A ,Y

VB ,Y I B ,Y

VC ,Y I C ,Y

(1

)Z1 26

Relé de distancia: lugar geométrico de operación en plano complejo

tg

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1

X 1, L R1, L

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Relé de distancia, circuitos AT: alcances, tiempos de operación y protección de apoyo

Impedancia circuito SE 1 - SE 2: Z12 Impedancia circuito SE 2 - SE 3: Z23 Impedancia circuito SE 2 - SE 4: Z24 Asúmase Z23 < Z24 Ajustes y alcances típicos: • Zona 1: 0,8·Z12 • Zona 2: Z12 + 0,5·Z23 • Zona 3: Z12 + Z24 Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

28

Relé de distancia, circuitos AT: esquema de sobrealcance permisivo en zona 2

Emisión: medida en Zona 1 (en algunos casos, medida en Zona 1 o Zona 2); Temporización al disparo: • Zona 1, t = 0; • Zona 2 + recepción, t = 0; Zona 2 sin recepción, t = 0,4 … 0,5 s • Zona 3, t = 0,8 … 1 s Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

29

Relé de distancia, circuitos AT: esquema de sobrealcance permisivo en zona 1

Esquema recomendado cuando la impedancia del circuito protegido resulta inferior (o próxima) al mínimo ajuste permitido en el relé. Emisión: Medida en Zona 1; Temporización al disparo: • Zona 1 + recepción, t = 0; Zona 1 sin recepción, t = 0,2 s • Zona 2, t = 0,4 … 0,5 s • Zona 3, t = 0,8 … 1 s Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

30

Sobreintensidad de neutro direccional, circuitos AT: esquema de conexionado

Faltas resistivas a tierra, en ausencia de relé diferencial. Este tipo de faltas, en ocasiones, se sitúan externas a la característica de distancia ANSI: 67N Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Sobreintensidad de neutro direccional, circuitos AT: principio de operación

Falta monofásica a tierra:

v0

i0 z0

3V0

I0

V0

3I 0 Z0

Relación angular: I0

V0

Z0

Z0

Diagrama de operación angular Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Sobreintensidad de neutro direccional, circuitos AT: curva intensidad / tiempo

Ecuación de disparo para falta en circuito protegido. Punto de paso: 0,6 s, falta franca a tierra final circuito

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k

t

0, 02

I I aj

1

33

Relé contra fallo interruptor: conexionado y principios de operación t, s

10

1

0,1 0,1

1

10

100

nº veces Iaj

Escenario: • Posición en falta; • Las protecciones de la posición han ordenado desconexión del interruptor; • Interruptor no abre o no corta el arco (p.e., por fallo interno); Tras 200 ms, el relé contra fallo interruptor repite orden de apertura al interruptor y a todos los interruptores conectados en la misma barra. En algunas aplicaciones, emite teledisparo incondicional al extremo remoto. ANSI: 50S-62 Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Relé contra fallo interruptor, operación en barra simple

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35

Relé contra fallo interruptor, operación en doble barra con acoplamiento. Teledisparo al extremo remoto

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36

Equipamiento

Circuito AT

21: DISTANCIA; 87: DIFERENCIAL; 67N: DIRECCIONAL DE SOBREINTENSIDAD DE NEUTRO; 49: IMAGEN TÉRMICA (CABLES SUBTERRÁNEOS); 87B: DIFERENCIAL DE BARRAS; 50S-62: FALLO DE INTERRUPTOR; 79: RECONECTADOR AUTOMÁTICO; 25:COMPROBACIÓN DE SINCRONISMO Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Transformador AT/MT

87T: DIFERENCIAL DE TRANSFORMADOR; 51: SOBREINTENSIDAD A TIEMPO INVERSO; 87B: DIFERENCIAL DE BARRAS; 50S-62: FALLO INTERRUPTOR; 51G: SOBREINTENSIDAD DE NEUTRO A TIEMPO INVERSO; 49G: IMAGEN TÉRMICA, IMPEDANCIA PUESTA A TIERRA NEUTRO Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

39

Transformador AT1/AT2

21: DISTANCIA; 87T: DIFERENCIAL DE TRANSFORMADOR; 51: SOBREINTENSIDAD A TIEMPO INVERSO; 87B: DIFERENCIAL DE BARRAS; 50S-62: FALLO INTERRUPTOR Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

40

Barras AT

87B: DIFERENCIAL DE BARRAS; 21: DISTANCIA (ZONAS DIRECCIÓN BARRAS, “TACÓN” O “REVERSE”) Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

41

Tiempos de eliminación

Nuevos márgenes de coordinación en redes malladas AT: Δt = 200 ms

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Nuevos márgenes de coordinación en redes malladas AT: detallado escalones (1) • Instantáneo: protecciones principales – Barras AT: 87B – Circuitos AT: 87L, 21(Zona 1, Zona 2 acelerada) – TTRR AT1/AT2, TTRR AT/MT: 87T

• 0,2 s: – 21 acoplamiento, Zona 1 • Faltas en barras AT, 87B indisponible (puede ser actuación en apoyo) • Actuación en apoyo: faltas en fracción Zona 1 posiciones, protección principal indisponible

– 50S-62 • Fallo interruptor tras actuación protecciones principales posición Guillermo Nicolau González – febrero, 2013

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Nuevos márgenes de coordinación en redes malladas AT: detallado escalones (2) • 0,4 s: – 21 circuitos, Zona 2 • Falta en 20% final circuito protegido, aceleración indisponible (puede ser en apoyo) • Actuación en apoyo, faltas en barras / posiciones remotas, con relés indisponibles

– 21 TTRR AT1/AT2, Zona 1 • Falta en barras donde conecte devanado TR, 87B indisponible (puede ser en apoyo) • Actuación en apoyo, faltas en fracción Zona 1 posiciones donde conecte devanado TR, relés indisponibles

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Nuevos márgenes de coordinación en redes malladas AT: detallado escalones (3) • 0,6 s, 21 acoplamiento, Zona 2 – Actuación en apoyo, faltas en posiciones conectadas en idénticas barras, relés indisponibles

• 0,8 s, 21 circuitos Zona 3 – Actuación en apoyo, falta en posiciones conectadas en embarrados remotos, relés indisponibles

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