Protecciones en redes de Distribución

Protecciones en Redes de Distribuciรณn 31 Agosto 2020

TEMARIO • • • •

Equipos de Protección Estudios de protecciones Fallas de Alta Impedancia Fallas monofásicas - Fusibles

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EQUIPOS • Relés de sobrecorriente • Fusibles • Reconectadores Muy rara vez se utilizan relés de distancia en distribución

PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE Diagrama TCC (Time Current Characteristic).

– Curvas de tiempo definido – Curvas típicas relés electromecánicos y microp.

– Curvas IEC, ANSI y otras.

– Curvas de fusibles.

– Curvas de reconectadores (reclosers).

– Curvas de daño-Límites Térmicos (conductores, transf., etc.)

La forma y tipo de curva, dependerá de la tecnología asociada al dispositivo.

CAGS

DIAGRAMA TCC

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RELÉS Curvas Ecuaciones Curvas IEC (BS142): Valores Típicos Normal Inversa (Curve A)

Muy Inversa (Curve B)

Extrem.

Inversa (Curve C)

Inversa tiempo Largo

Short Inverse

0.02

1.0

2.0

1

0.04

0.14

13.5

80

120

0.05

CAGS

RELÉS TCC

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CAGS

RELÉS

Siemens

Interpretación

Al seleccionar el tipo de curva (ecuación) se seleccionan los números indicados arriba. En este caso 0.14 y 0.02 Luego I>, que es conocida por diferentes nombres: Iarranque, Ipickup, Iajuste, etc. Antes se conocía con el nombre de TAP Finalmente se selecciona TDS que viene del ingles Time Dial Setting: Ajuste del “dial” de tiempo. Se conoce con muchos nombres: TD, M, D, TP, TMS, TDM… La denominada Icc es la corriente de falla!!

CAGS

Unidad de Fase y de Tierra

En general, los relés permiten seleccionar la ecuación anterior tanto para fase como para tierra. Incluso podrían ser ecuaciones diferentes. Es decir, diferentes valores de α y β.

Se debe tener en cuenta que para fase actúan con la corriente de fase y para tierra con 3Io (tres veces la corriente de secuencia cero, que equivale a la suma de las corrientes de fase)

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Interpretación

Los valores de Icc e I> pueden ser ambos en amperios primarios, en amperios secundarios o en pu (siempre y cuando estén en la misma base).

Ilustración: Supongamos que el transformador de corriente TC (o CT) tiene relación 200/5, la corriente primaria de falla trifásica (3F) es 6000 amperios y el valor de I> es de 250 amperios primarios.

CAGS

Interpretación

Supongamos que el transformador de corriente TC (o CT) tiene relación 200/5, la corriente de falla 3F es 6000 amperios y el valor de I> es de 250 amperios. En amperios secundarios, serían 150 amperios y 6.25 amperios respectivamente. En pu (base 5 amp) = 30 y 1.25

Amperios primarios

Secundarios

pu

Interpretaciรณn

Valores factibles para I> y TDS, dependen del fabricante p.e.

I>

TDS

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CAGS

Interpretación

Sea In = 5 y supongamos que por algún criterio se selecciona 1.2 pu para I>; y 0.8 para TDS. Esto significa que: I>=1.2 * 5 = 6 del relé

y TDS = 0.8. Siendo 5 la corriente nominal

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CAGS

Interpretaciรณn La ecuaciรณn definitiva en valores secundarios, quedarรก:

Supongamos que el TC tiene relaciรณn 200/5 y que se dan los siguientes valores de corto primarios: A) 4000 amperios B) 2500 amperios C) 200 amperios

Interpretación La ecuación definitiva, en valores secundarios, quedará:

En amperios secundarios sería: A) 4000 amperios 100 amp sec B) 2500 amperios  62.5 amp sec C) 200 amperios  5 amp. sec El tiempo que demora el relé en enviar disparo es

Interpretaciรณn

Como el tiempo es negativo no enviarรก disparo!!!

Corrientes de Corto Circuito

40

I (pu)

Componente AC Componente DC

IP

30

Suma Ip Ik" Ib I(1/2)

I1/2

20

Ib 10

0 0.000

"

0.020

0.040

0.060

-10

-20

Tiempo (Seg)

0.080

0.100

0.120

Fusibles •

Poseen un elemento fundible, el cual es directamente calentado por la corriente que circula por el, y se destruye (abre) cuando la corriente excede un valor determinado.

•

Un fusible adecuadamente seleccionado, abrirá el circuito al destruirse el elemento fundible. El arco se elimina, durante la destrucción del elemento.

• La mayoría de fusibles que se utilizan en sistemas de distribución, operan bajo el principio de expulsión: un tubo que confina el arco, y en el interior una fibra des-ionizadora, junto con el elemento fundible

Fusibles

Fusibles

Minimum Melting Time – Maximum Clearing Time

Coordinación entre fusibles Siempre se debe coordinar la curva «Minimum melting Time» vs «Máximum Clearing Time»

Fusibles Tipo K Los fusibles de distribución están concebidos o fabricados de tal suerte, que permiten el denominado “inrush” de los transformadores de Distribución

Reconectadores (reclosers) RECLOSER COORDINATION PRINCIPLES Automatic circuit reclosers are the overcurrent protective devices most often used to "give every fault a chance to be temporary;' as stated under "Coordination Basics" Cooper

Entre el 70% y el 80% de las fallas que ocurren en circuitos de distribuciรณn son temporales El objetivo es ser mas rรกpidos que los fusibles aguas abajo y luego vuelven a cerrar, esperando que la falla haya desaparecido. No es posible lograr esto, cuando los fusibles son de poco amperaje (muy rรกpidos)

Reconectadores Un reconectador (recloser) es un equipo que tiene la capacidad de: •

Detectar condiciones de cortocircuito de fase y de fase - tierra, similar a un relé •Interrumpir la corriente de corto si persiste la condición de falla •En forma automática realizar un recierre para efectos de “reenergizar” el circuito

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Reconectadores (reclosers) Si la falla es definitiva, el fusible aguas abajo, debe operar primero.

Lo anterior, significa que el reconectador debe permitir como mínimo dos curvas: rápida y lenta.

En caso que la falla sea temporal y no definitiva, permite ahorrar fusibles y tiempo de personal. Esto se conoce con el nombre de “Fuse Saving”

Reconectadores En caso de no ser asĂ­, se dificultad lograr selectividad. En falla 3F, una curva lenta (curva azul vs fusible) se verĂ­a:

Reconectadores En falla monofĂĄsica 1F (la unidad de tierra del reconectador ) se verĂ­a:

Reconectadores Las funciones que facilitan selectividad son:

Los parámetros que controlan el tiempo inverso son: • Tiempo Adicional.

• Elemento de Apertura Instantánea.

• Tiempo Mínimo.

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NULEC

33

Reconectadores • Tiempo Máximo.

• Multiplicador de Tiempo.

NULEC

• Umbral (threshold)

Reconectadores TCC de reconectadores Un reconectador es: un interruptor + un relé + un TC + una lógica que permite realizar aperturas y recierres en forma automática. Todo lo anterior en un solo equipo.

Finalmente tiene la capacidad de cambiar su curva.

Reconectadores Secuencia tĂ­pica de los recierres Reclosing intervals (contacts open)

Load current (contacts closed)

Start of fault

Fault current Rapid operation (contacts closed)

Timed operation (contacts closed)

Diagrama TCC con un relĂŠ, un reconectador y un fusible

PASOS PARA REALIZAR UN ESTUDIO DE COORDINACIÓN (EACP) 

Recopilación de información



Estudio de cortocircuito



Cálculo de ajustes



Verificación de ajustes



Implementación de ajustes

Límites Térmicos La protección de sobrecorriente esta intrínsecamente asociada al concepto de “curva de daño”. Todo se basa en el siguiente concepto: Si una alta corriente pasa a través de un elemento un tiempo excesivo, el elemento se dañará. Para ciertas corrientes (bajas), puede pasar un tiempo ilimitado.

Entre mas alta sea la corriente, mas rápidamente – (menos tiempo) se daña. Por lo tanto, la curva es inversa.

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Límites Térmicos Hay límites térmicos, prácticamente para todos los equipos y dispositivos. Las mas usuales son: • • • • •

Cable aislado Transformador Generador Motor Banco de condensadores

LĂ­mites TĂŠrmicos Cables -ANSI ďƒ˜ Conductores aislados 2

T  234 ďƒŚ I ďƒś ďƒ§ ďƒˇ t x Fac  0 . 0297 log 10 F TO  234 ďƒ¨ CM ďƒ¸

• Cobre:

2

T F  228 ďƒŚ I ďƒś t x F  0 .

0125 log ďƒ§ ďƒˇ ac 10 TO  228 ďƒ¨ CM ďƒ¸

• Aluminio:     

T0 = Temperatura inicial: Grados Centigrados.

TF = Temperatura final: Grados Centigrados I amperios, t: tiempo (seg) CM = Circulas mil, (500 kCM = 500000 CM) đ?‘… Fac = RelaciĂłn Efecto piel. NEC, tabla 9 đ?‘…

Determinación de Tf y To MAXIMUN SHORT-CIRCUIT TEMPERATRURES type of Insulation

Continuous Short-Circuit Current Temperature Rating Temperature Rating To (C°) Tf (C°)

Rubber

75

200

Rubber

90

250

Silicone rubber

125

250

Thermoplastic

60, 75, 90

150

Paper

85

200

Varnished cloth

85

200

Ejemplo Para Tf = 150, To = 75, (termoplรกstico)

Fac = 1 Para 500 kcm (500000 CM) I2t = 6.8674e8

Límites Térmicos Cables -ANSI

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Criterio de protección de cables aislados “9.4.3.3 TCCs of protective devices A protective device provides maximum protection if its TCCs are suitably below (i.e., 20% in time) the TCCs of the cable short-circuit current versus the time curves shown in Figure 9-2 and Figure 9-3” IEEE Std 242-2001. (Buff Book. Conductor Protection) Un equipo de protección, logrará su máxima protección si su TCC (Característica tiempo-corriente) esta por debajo (20% en tiempo) del límite térmico del cable. cagallegos@gmail.com

Límites Térmicos Transformadores IEC Se calcula la máxima corriente de cortocircuito, con Se calcula la constante K para t = 2 seg De la ecuación anterior se despeja t y se calcula para 2In (2)

(

Se grafican los puntos.

El punto

) (

)

se asume por la norma IEC std 60076-5, sección 4.1.3.

Para un transformador con Zcc = 7.2%, los puntos a graficar son (13.89, 2); (2, 96.45) en pu, tiempo: s In = 1 pu

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COLD LOAD - INRUSH Es el fenómeno que se presenta cuando un circuito de distribución se “reenergiza” luego de un buen tiempo. Generalmente se debe a corrientes de “Inrush” y a pérdida de diversidad de carga

Cold_Load_Pickup_Issues_report.pdf

COLD LOAD En los circuitos de distribución igualmente duran 100-150 mseg, pero su valor pico, es altamente dependiente del tipo de circuito, tamaño, tipo de cargas, etc.

No se les conoce como corrientes “Inrush”, sino como corrientes Cold Load.

Siemens

COLD LOAD Inrush: transformadores, motores, ciertos tipos de luminaria, etc

Schneider

SELECTIVIDAD

Concepto SELECTIVIDAD Se evitan apagones (Blackouts) Sin Selectividad

Con Selectividad

Abierto Abierto

No afectado PĂŠrdida innecesaria De Potencia

Falla

No afectado

Falla

Concepto SELECTIVIDAD 20 MVA 115/13.8 kV

t (ms)

Curvas de tiempo inverso

51

1000/5 A C1

C3

Intervalo de tiempo

C2

500/5 A

51 Ifalla=2000 A

I max. de falla

I (A)

Coordinación Fusible Fusible La curva de los fusibles, esta comprendida entre dos curvas límites: Maximum clearing time. Máximo tiempo de despeje Minimum melting time. Tiempo mínimo de fundición.

Criterio para coordinar dos fusibles: El ´Maximum clearing time´ (t1) del primer fusible, no debe exceder al 75% del ´Minimum melting Time´ (t2) del fusible aguas arriba, tal como se muestra en la siguiente figura .

Tiempo (segundos)

Coordinaciรณn fusible-fusible

t2

t1 < 0.75 t2

t1

Corriente (amperios)

Coordinación Reconectador - Fusible ii. Fusible en el lado de la carga El 75% del ´minimum melting time´ del fusible deberá ser mayor que la curva rápida del reconectador, multiplicada por el factor multiplicador.

•

El ´maximum clearing time´ del fusible deberá ser menor que la curva temporizada del reconectador sin ningún factor multiplicador.

•

El reconectador deberá tener al menos dos o mas operaciones temporizadas para prevenir pérdidas de servicio en caso que el reconectador dispare, cuando el fusible opere.

Relés - Pickup Criterios de ajuste. Todo se basa en no permitir una corriente excesiva Existen diversos criterios para calcular la corriente de arranque (I>). Los mas conocidos: • Corriente de carga • Corriente nominal • Capacidad instalada aguas abajo • Capacidad del TC (CT) • Transferencia de carga entre circuitos

Criterios circuitos de Distribución RELÉS- Pickup Criterios de ajuste Por Icm puede utilizarse: • 1.5 a 3 veces la corriente de demanda máxima • 1.5 la demanda que se obtenga al transferir carga de otros circuitos o redes • Entre Ir y 2Ir del conductor. Típicamente 1.25 Ir • 2 * Suma de Corrientes nominales de transformadores de distribución Siempre y cuando en ningún caso se supere la corriente primaria del TC. “To avoid misoperation, a phase time overcurrent relay pickup setting of 1.25 to 3.0 times the maximum steady-state load current is commonly used” C37-230 Guide for protective relay applications to distribution lines 74

Relés - Pickup Ejemplo. Sea un conductor de 400 amperios, cuyo TC asociado es de 500/5, la corriente de carga es 280 Amperios, pero al transferir carga de un circuito aledaño la corriente sube a 380 Amp. La capacidad instalada aguas abajo es de 8000 kVA. Voltaje del circuito: 13.2 kV Entonces  Icarga=

280 Amp 380 Amp  Itotal transf. =  Inom conductor = 400 Amp  Icap.instalada =  Inom TC = 500 Amp

=350

RELÉS - Pickup Criterios de ajuste Ejemplos  Ipickup

= 2*280 = 560  Ipickup = 1.5*380 = 570  Ipickup = 1.25*400 = 500  Ipickup = 1.2*350 = 420 = 500  Ipickup = En amperios secundarios, una de ellas:

RELÉS - Pickup Criterios de ajuste Factores a considerar • • • •

Están los operadores suficientemente entrenados?

Son frecuentes las transferencias de carga entre circuitos?

Que tan cerca se esta de la corriente nominal de los primeros tramos?

Se requiere sensibilidad, pensando en los ajustes de las protecciones aguas arriba?

Unidad de Tiempo Definido. Instantรกnea

RELÉS- Tiempo Definido Criterios de ajuste Cuando no se habilita existe el riesgo de que ante una falla de (alta) impedancia, el tiempo de operación sea alto, con los consecuentes peligros para las personas, existencia de arco, etc

Al inicio de un circuito de distribución: • Seis veces la nominal • 50% de la corriente de falla franca • 1.5 veces (>=) la corriente de falla franca del dispositivo de proteccion ubicado aguas abajo • Corriente de falla a un distancia X y una impedancia de falla Y. Se debe chequear el alcance cuando la impedancia de falla sea cero.

• Otros!!

RELÉS- Tiempo Definido (TD) Necesidad de dejarla habilitada: A) Hay generacion local o muy cercana (para evitar oscilaciones) B) En los circuitos aledaños hay cargas sensibles (industriales u otras) C) Salen varios circuitos sobre la misma posteria en una distancia apreciable y una falla en uno puede ocasionar falla en otro D) En los primeros tramos hay pocos transformadores de distribución E) Se considera que la probabilidad de falla en los transformadores cercanos es baja F) Si se ponen en riesgo aspectos como “puentes” y otros.

G) Es posible ajustarla en un criterio razonable: 1,5*Icorto aguas abajo

RELÉS- TDS : Dial de Tiempo Criterios de ajuste El dial de tiempo constituye una temporización intencional en la operación del relé, con el fin de garantizar la selectividad de las protecciones MARGEN DE COORDINACIÓN • Tiempo de apertura del interruptor • Tiempo de sobrecarga del relé después que la falla ha sido despejada.

• Margen de seguridad por desviaciones en las corrientes de falla, en las curvas de los relés y por la saturación de los TCs. • Valores tipicos: 200-400 mseg, preferiblemente 200-300

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SELECTIVIDAD

EJEMPLO

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SELECTIVIDAD

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EJEMPLO 2

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EJEMPLO 2

SELECTIVIDAD

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• FALLAS MONOFÁSICAS • FALLAS A TIERRA • CORRIENTE DE SECUENCIA CERO • 3Io Ya que:

Entonces

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Fallas a tierra También conocida con el nombre de: • Falla monofásica • Fallas de secuencia cero • Falla 3Io • Falla homopolar En estado permanente (incluso en circuitos desbalanceados, siempre y cuando los transformadores monofásicos se conecten fase – fase): Principio fundamental: cuando hay una falla monofásica, la suma de corrientes deja de ser cero y por lo tanto se evalúa el desbalance de la suma de la corriente de las tres fases, el cual es:

=3

Fallas a tierra

100.5 100.5 3Io = 0 En estado permanente (incluso en circuitos desbalanceados, siempre y cuando los transformadores mono (bi) fĂĄsicos se conecten fase â&#x20AC;&#x201C; fase):

90

Fallas a tierra

100.5 100.5

Debido a que en todos los tramos se cumple que 3Io es cero, no es necesaria la impedancia de secuencia cero. Los programas acostumbran solicitar este dato, solo porque es un sistema desbalanceado. Ahora bien, es correcto que no es importante o necesario.

91

Secuencia cero a) Esta configuración permite detectar corrientes bajas de secuencia cero (1 a 100 amperios)

c)

b) Esta configuración es la única posible para numerosos y/o grandes conductores o ductos de barras. No se recomienda cuando la corriente de secuencia cero a ser detectada es menor al 5% de ln o incluso el 12% para subestaciones de cliente final de acuerdo al estándar NF C 13-100 (Estándar Francés). c) Esta configuración permite detectar corrientes de falla de secuencia cero muy bajas (<5 amperios). Es muy precisa.

FALLA MONOFร SICA - Pickup Criterios de ajuste. Todo se basa en que en estado estable, generalmente la suma de corrientes debe ser cero.

En transformadores trifรกsicos Dyx, no importa el desbalance en baja (Y), la suma de corrientes sigue siendo cero Si los transformadores monofรกsicos del circuito se conectan a dos fases, la suma de corrientes sigue siendo cero

FALLAS MONOFÁSICAS Cargas desbalanceadas En transfor. trifásicos Dy, no importa el desbalance en baja (Y), la suma de corrientes sigue siendo cero Cargas desbalanceadas – Transformadores Dy

FALLAS MONOFÁSICAS Transform. Bifásicos – monofásicos

Si los transformadores monofásicos del circuito se conectan a dos fases, la suma de corrientes sigue siendo cero

RELÉS – Pickup Unidad Monofásica Criterios de ajuste. Todo se basa en que en estado estable, generalmente la suma de corrientes debe ser cero.

Existen diversos criterios para calcular la corriente de arranque de la unidad de tierra. Los mas conocidos: • % corriente de carga • % Corriente nominal • % Capacidad instalada aguas abajo • % Capacidad del TC (CT) • 3 * Desbalance medido en un tiempo apreciable

“Ground time overcurrent relay pickup settings are typically in the range of 25% to 50% of the phase time overcurrent pickup setting” C37-230 Guide for protective relay applications to distribution lines

RELÉS – Pickup Unidad Monofásica Aspectos a tener en cuenta: • • • • • • •

El circuito es muy largo El circuito es muy largo y la corriente de falla monofásica en el extremo del circuito es muy baja.

Hay generación local El tamaño del fusible mas grande permitido.

Se exige selectividad con los primeros fusibles Se exige tiempo de despeje rápido.

Debe disparar para fallas, con un mínimo de 15 Ω de impedancia de falla, en el extremo del circuito (Set overcurrent relay pickup to some fraction of the bolted fault current at the end of the protection zone. A typical pickup value is one-third of the bolted fault current for ground faults. C37-230 Guide for protective relay applications to distribution lines )

RELÉS – Pickup Unidad Monofásica Que hacer cuando hay peligro que la unidad monofasica no opere?: • • • •

Protecciones especializadas de distribución Instalar reconectadores a lo largo del circuito Sensibilizar la protección, generalmente con pérdida de selectividad.

Cuando se utilizan transformadores monofásicos que se conectan a dos fases, es factible sensibilizar la protección

RELÉS – Pickup Unidad Monofásica Ejemplo. Sea un conductor de 400 amperios, cuyo TC asociado es de 300/5, la corriente de carga es 280 Amperios y la capacidad instalada aguas abajo es de 8000 kVA. Voltaje del circuito: 13.2 kV • • • • • • •

20% corriente de carga = 0.2 * 280 = 56 A 20% corriente nominal = 0.2 * 400 = 80 A 20% capacidad instalada aguas abajo= 0.2* 350.3=70.6 A 20% capacidad del TC (CT) = 0.2 * 300 = 60 A Fusible mas grande permitido = 2* 50 = 100 A Desbalance medido en un tiempo apreciable. Si el desbalance es de 20 A => 2*20 A = 40 A 15 ohm. Corriente de falla monofásica en el extremo del circuito: 40 A. I pickup = 30 Amp

Pickup Unidad Monofásica – Problemática Relé - Fusible En ocasiones, ocurre una falla delante de un fusible, y el relé de la subestación manda disparo primero o igual al fusible.

Esto se debe a que la unidad de tierra (secuencia cero) del relé es mas rápida que el fusible.

El fusible NO tiene unidad de tierra.

Es decir, el fusible opera por corriente de fase (lento) y el relé por la unidad de tierra (rápido).

El gráfico siguiente ilustra esto.

Pickup Unidad Monofásica – Problemática Relé - Fusible

Fallas de Alta Impedancia En ocasiones, las fallas son de muy alta impedancia o se abre una fase. Consecuencia: la corriente de falla es muy baja o comparable a las corrientes de carga Fase abierta: “Negative sequence relays can also be applied to detect open phase conditions and…” C37-230 Guide for protective relay applications to distribution lines Esto es un reto para los ingenieros de protecciones, y no hay una solución definitiva.

• • • •

Unidades de tierra Secuencia negativa Equipos especiales Otros

Negative-Sequence Overcurrent Element Application and Coordination in Distribution Protection. SEL

GRACIAS César Augusto Gallego Sánchez cagallegos@gmail.com +57 302 307 1111