Protección de distancia (ANSI 21) (y Parte 2ª)

RÉLE TIPO MHO

 

Los relés de distancia de tipo mho, combinan las características de los elementos de mínima impedancia y direccional, por sí mismos.

 

La figura 10 representa la característica MHO de un relé de distancia.

 

En ella se puede apreciar la característica direccional inherente al relé.

 

El área rayada es la zona de actuación del mismo.

 

Este tipo de relés son apropiados para líneas de gran longitud ya que soportan bien las oscilaciones transitorias de potencia.

Figura 10

 

RÉLE DE REACTANCIA

 

Los réles de reactancia, por el contrario, se utilizan en líneas cortas, donde la resistencia del arco puede resultar un problema.

 

El arco introduce un valor de resistencia que hace que la impedancia medida por el relé no sea proporcional a la distancia al defecto.

 

Esto hace que el relé "vea” la falta más lejos que donde realmente se produce.

 

En estas condiciones no se asegura su operación.

 

Para evitar este inconveniente se recurre a tipos de relés sensibles solo a la reactancia de la línea que es totalmente proporcional a la distancia.

 

La característica de estos relés está indicada en la figura 11.

Figura 11

 

 PROTECCIÓN DE DISTANCIA DE ZONAS

 

Para conseguir la selectividad necesaria, una protección de distancia, dispone de tres escalones o zonas de actuación.

 

·       Primera zona

·       Segunda zona

·      Tercera zona

 

El ajuste de la primera zona se realiza al 90% de la longitud de la línea.

 

La figura 12 representa el alcance de la 1ª zona para una protección de distancia situada en A.

Figura 12

 

Este margen de seguridad evita disparos intempestivos, para faltas fuera de la línea.

 

La 1ª zona es de acción instantánea.

 

La 2ª zona se suele ajustar para proteger toda la línea más el 50% de la siguiente. Si existen varias líneas, el ajuste de hará sobre la más corta.

 

La 2ª zona está temporizada, sirviendo de apoyo a la primera.

 

La figura 13 representa el alcance de la 2ª zona para un reté situado en A.

 

La temporización típica es de 0,5 segundos.

Figura 13

 

La 3ª zona proporciona protección de reserva remota de la línea contigua más larga.

 

Un ajuste común es alrededor del 250% tal como se indica en la figura 14.

Figura 14

La temporización de la 3ª zona ha de ser mayor que la de la segunda. Suele ser del orden de 2 segundos.

 

Una protección completa de distancia por zonas para la línea C – D está representada en la figura 15.

Figura 15

 

FORMACIÓN DE LOS RÉLES DE DISTANCIA

 

Para la formación de una protección de distancia por zonas que proteja eficazmente una línea de transmisión de unas características determinadas, se utilizan combinaciones de los relés anteriormente descritos.

 

Estas combinaciones dan lugar a tres tipos básicos de protecciones de distancia:

 

·       Protección de distancia de impedancia

·       Protección de distancia de reactancia

·       Protección de distancia tipo MHO

 

Protección de distancia de impedancia

 

Se compone de tres unidades de impedancia ajustadas a valores óhmicos diferentes para cada zona, incorpora además un elemento direccional que controla la actuación de las tres unidades.

 

Las características de esta protección se indican en la figura 16.

Figura 16

 

Protección de distancia de reactancia

 

Esta protección se compone de una unidad de reactancia que proporciona la 1ª y 2ª zona de protección y de un elemento MHO para la 3ª zona.

El elemento MHO tiene la misión de ser la unidad detectora de falta para el arranque de la protección.

 

La figura 17 representa la característica de este tipo de protección.

Figura 17

 

Protección de distancia tipo MHO

 

Está protección está compuesta de tres unidades de tipo MHO, una por zona, ajustadas a diferentes alcances.

 

La figuré 18 representa la característica de funcionamiento de este tipo de protección.

Figura 18

 

  PROTECCIÓN DE DISTANCIA ESTÁTICA

 

El uso de la protección de distancia estática a base de componentes electrónicos está cada día más extendido.

 

Estas protecciones son compatibles con las protecciones standard de otros puntos de la red, por lo que la selectividad está asegurada.

 

Además, son suficientemente flexibles para adaptarse a las exigencias, en cuanto a protección se refiere, de cualquier línea de transmisión.

 

La figura 19 muestra la protección de distancia tipo REL 670 de la casa ABB.

Figura 19: Réle de distancia REL670 de ABB

 

Para cubrir todas las posibles faltas de una línea aérea o de cables, utiliza diferentes características de funcionamiento, incluyendo entre otras funciones:

·      Característica MHO con cinco zonas de actuación, para faltas bifásicas.

·     Característica de reactancia con cinco zonas para faltas trifásicas y faltas a tierra. Esta característica tiene forma poligonal.

Protección de distancia (ANSI 21) (Parte 1ª)

La protección de distancia es una protección especial de impedancia que se aplica a las líneas de AT de las redes de transporte de energía, y, a veces, a ciertas redes de distribución.

Este tipo de protección funciona a partir de las magnitudes medidas, que son la corriente, la tensión y el sentido de circulación de la energía. Con la ayuda de estas informaciones, el dispositivo de protección calcula la impedancia del equipo que controla; sus márgenes son ajustables (mínimo de impedancia Z -en ohm- o de admitancia 1/Z -en MHO-).

Esta protección usa el principio de la bajada importante de impedancia de un elemento cuando está en cortocircuito. Se emplea sobre todo en líneas de transporte de energía (redes malladas), pero también en los juegos de barras y de grandes máquinas giratorias. Se llama también «protección de zonas». Efectúa sus medidas en una u otra dirección de su lugar de conexión (figura 1). La extensión de su control depende del margen de variación de la medida y de la variación lineal de la impedancia del equipo protegido. Se pueden poner varios dispositivos sobre una misma red, y ser independientes los unos de los otros, porque la zona de control de cada uno está bien delimitada. Por esta misma razón, sus tiempos de actuación pueden reducirse muchísimo.

Observaciones:

·    las variaciones bruscas de carga y los picos de corriente los «ven» estas protecciones como variaciones de impedancia.

Para evitar estos disparos intempestivos hay que escoger bien sus características de funcionamiento (circular, elíptica, poligonal...) (figura 1).

·       la variación de impedancia es proporcional a la longitud supervisada.

Esta variación longitudinal es más rápida para las máquinas giratorias y los transformadores que para los cables y líneas aéreas. Por este motivo, una protección de mínima impedancia puede supervisar una pequeña zona limitada por una máquina o un transformador. Sin embargo, cuando un dispositivo de éstos está previsto para supervisar un juego de barras, su zona de control puede llegar a una parte de los bobinados de los transformadores que están conectados a este juego de barras. Esto que parece un inconveniente se convierte en una ventaja: las primeras espiras de un transformador, que son las más expuestas (sobretensiones, perforaciones...) están así mejor protegidas. Esta protección se utiliza especialmente en los centros de transformación AT/AT de las redes de transporte o de alimentación de las zonas industriales muy grandes.

Figura 1: Diagrama de funcionamiento de una protección de zonas (a). El disparo se obtiene cuando el extremo del vector de impedancia de la línea protegida entra en una zona de funcionamiento del dispositivo (b), estando activada una temporización en alguna de estas zonas.

Para evitar los disparos intempestivos debidos a variaciones de carga (vector de impedancia transitorio), las zonas de funcionamiento pueden tener diversas formas, círculos o cuadriláteros: es el caso de la figura b cuando la zona 3 está definida por un paralelogramo en lugar de un círculo.

En redes muy malladas, el método selectivo de protección a base de relés direccionales presenta grandes dificultades.

 

Además, en las grandes líneas, durante el servicio nocturno o días festivos, al reducirse considerablemente la potencia demandada y por tanto la generada, las intensidades de falta pueden ser inferiores a las del tarado de estos relés.

 

En estas circunstancias los relés direccionales son incapaces de detectar los defectos.

 

Una protección que evita los inconvenientes anteriores es la protección de distancia, a la que no afectan los cambios en la capacidad de generación.

 

Con el nombre genérico de protección de distancia se conoce toda una gama relés que operan en función del valor de la impedancia de la línea.

 

Cuando se trata de un circuito homogéneo como una línea, la impedancia Z es proporcional a la distancia entre el relé y el defecto. De ahí el nombre de relé de distancia.

 

Estas protecciones son sensibles a las variaciones de la impedancia.

 

Z = V/Y

 

Por tanto, necesitan una alimentación de tensión y una de intensidad.

 

EL RÉLE DE IMPEDANCIA

 

Cuando se produce una falta en una línea, las magnitudes en el relé se ven modificadas de la siguiente forma:

 

·       La tensión V, disminuye.

·       La intensidad Y, aumenta.

 

En consecuencia, la impedancia Z medida por el relé, disminuye.

 

Estas variaciones son más acusadas a medida que el defecto se encuentre a menor distancia del punto de instalación del relé.

 

Si el valor de impedancia disminuye lo suficiente como para entrar en la zona de actuación del relé, éste operará.

 

La figura 2 representa la característica de un relé de impedancia.

 

Figura 2: Característica de un réle de impedancia

 

Todo valor de impedancia inferior al delimitado por la circunferencia, hace que el réle opere.

 

Ejemplo:

 

La figura 3 representa una línea de 132 kV protegida con un réle de distancia.

Figura 3

 

La impedancia total de la línea son 50 ohmios.

 

Supongamos que se necesita proteger el 90 % de la longitud de la línea.

 

La impedancia hasta ese punto valdrá:

 

Estos son los ohmios primarios que se deben proteger, pero como el réle está conectado a los secundarios de los transformadores, será necesario reducir dichos ohmios al secundario mediante un “factor de reducción”.

 

En consecuencia:

 

 El factor de reducción es el cociente entre la relación de intensidades y la relación de tensiones.

 

En este caso será:

 

Por lo tanto, la impedancia medida por el réle, correspondiente al 90 % de la línea será:

 

La figura 4 representa, mediante un diagrama RX, la característica y el ajuste del réle.

Figura 4

 

La zona rayada es la zona de operación del réle.

 

Veamos la impedancia que mide el réle en condiciones de máxima carga.

Esta impedancia de carga está representada en la figura 5 suponiendo un cos φ = ± 0,9.

 

Figura 5

 

 Analizamos ahora la respuesta del réle ante un defecto localizado en los dos puntos indicados en la figura 6.

Figura 6

 

Para una falta en X, situada en el otro extremo de la línea, la impedancia de cortocircuito es Zcc = 50 Ω.

 

La medida que efectúa el réle será:

 

Como se puede apreciar en la figura 7, este valor se sitúa fuera de la zona de operación del réle.

 

Figura 7

 

En estas condiciones el réle no actúa.

 

Para una falta en Y, situada en la mitad de la línea, la impedancia de cortocircuito es Zcc = 25 Ω.

 

El réle medirá:

En la figura 8 se observa que este valor se encuentra dentro de la zona de operación del réle.

Figura 8

 

 

En consecuencia, el relé operará.

 

Los relés de impedancia no son direccionales, por lo que se utilizan normalmente como detectores de falta.

 

Si se quiere una característica direccional, deben incorporar una unidad independiente para tal fin.

 

La figura 9 representa la característica de un relé direccional de distancia de tipo impedancia.

Figura 9

 

Además de los de impedancia, dentro de los relés de distancia existen dos tipos muy utilizados.

 

Estos son:

 

·       Relés de tipo MHO

·       Relés de REACTANCIA

 

Continuará en: Protección de distancia (ANSI 21) (y Parte 2ª)