Clasificacion Rele 21 3hr1w

UNIVERSIDAD TECNICA DE COTOPAXI UNIDAD ACADEMICA DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA Y APLICADA

“PROTECCIONES ELECTRICAS” CURSO: SEPTIMO “A” DOCENTE: Ing. XAVIER PROAÑO TEMA: PROTECCION DE DISTANCIA 21

MAYO, 28-2018

TEMA: Indique cómo se clasifica la protección de distancia 21 y cómo se realiza su respectiva calibración para cada uno de los casos. Marco Teórico. Relé de distancia 21. Una de las formas de detectar una anormalidad en un sistema eléctrico de potencia es medir su impedancia o reactancia, en un punto dado. Para este fin, la información de voltajes y corrientes se entrega a relés de protección que miden en todo instante la impedancia o reactancia por fase en el sentido de operación y que actúan cuando sus magnitudes bajan de un cierto valor. A las protecciones que operan bajo este principio se les denomina: Direccionales de distancia y se emplean principalmente en la protección de líneas de transmisión. Puesto que la impedancia de una línea de transmisión es proporcional a su longitud, para medir distancias se utiliza un relé capaz de medir la impedancia de la línea hasta un cierto punto. Este tipo de protección se diseña para operar solamente con fallas que ocurran entre el punto de ubicación de los relés y un punto dado de la línea, de modo que puedan discriminar entre fallas que ocurran en diferentes secciones de ella. Es la forma más común de protección en líneas de transmisión de alto voltaje, las líneas tienen su impedancia por kilómetro, usando este valor comparándolo con el voltaje y la corriente la distancia a la falla puede ser determinada. El código ANSI para los relés de protección a distancia es el $%, este también es llamado relé de impedancia A diferencia de las protecciones para fase neutro convencionales, la ventaja de la protección de distancia es que la cobertura de la falla del circuito a proteger es virtualmente independiente de las variaciones de la impedancia de la fuente" Relevador: También conocido como relé, es un dispositivo que controla el estado de un interruptor mediante una entrada eléctrica. Protección de distancia (21): Los relevadores de distancia son dispositivos empleados para la protección de líneas de transmisión de mediano y alto voltaje. Los relevadores de distancia tipo itancia o similar de tres zonas, son para fallas entre fases (21L) y los relevadores de distancia tipo reactancia de tres zonas son para protección de fallas de una fase a tierra (21G). Con facilidades para compensar el efecto de inductancia mutua.18 Se utiliza este tipo de protección, debido a que éstos funcionan en base a la característica de impedancia o reactancia de la línea y los demás parámetros de las líneas de transmisión que varían constantemente, como el voltaje, corriente, potencia, carga, etcétera, y además porque: 1. Son de alta velocidad. 2. No cambian su característica de funcionamiento con los cambios de generación. 3. Por su característica direccional.

PROTECCIÓN DE LINEAS CON RELÉS DE DISTANCIA 21. La protección de distancia debe considerarse cuando la protección de sobre corriente es muy lenta o no es selectiva y se puede justificar el costo superior de ésta. La protección de distancia es casi inmune a los cambios de capacidad de generación del sistema, así como de su configuración. Fijación y Coordinación Para calibrar un relé de distancia basta con fijar el tiempo al cual debe actuar y el valor de impedancia a partir del cual se necesita la operación para la protección de líneas, generalmente se usan tres etapas o zonas. Diagramas R-X y P-Q: Para comprender en mejor forma el funcionamiento de las protecciones de distancia se requiere poder representar en forma gráfica las características de operación de sus unidades de medida. Dicha representación requiere la utilización de planos complejos adecuados tales como, los planos R-X y P-Q. Previamente es conveniente recordar que, por convención, se define la potencia compleja S, según la expresión S= V.I = P + jQ = V I cos ϕ + jV I sinϕ, que considera positiva la potencia reactiva Q, cuando la corriente atrasa al voltaje un ángulo ϕ. Diagrama R-X En este diagrama, compuesto por un par de ejes ortogonales, se lleva en la abscisa, la resistencia R y en la ordenada, la reactancia X, de modo que cada punto del plano así formado representa una impedancia que queda determinada por su distancia al origen (módulo Z) y por el ángulo ϕ que forma con la abscisa, el diagrama fasorial voltajecorriente, donde se ha situado a la corriente como fasor de referencia, es decir, en el eje horizontal, con el fasor voltaje desfasado un ángulo ϕ. De esta forma, ambos diagramas son absolutamente compatibles.

Figura N-°.1. Representación de una impedancia en el plano.

Si se considera la Resistencia R, la Reactancia X y la Impedancia Z como operadores complejos y la corriente y el voltaje como fasores, se puede ver que hay compatibilidad de modo que se cumplen en forma correcta todas las relaciones fasoriales. el ángulo ϕ representa exactamente lo mismo en todas ellas. El diagrama R-X permite superponer en un mismo gráfico los parámetros R, X y Z de las líneas, máquinas, transformadores, etc., así como los valores de voltaje, corriente y ángulo de cualquier punto de sistema, de acuerdo con las relaciones siguientes:

Impedancia y ángulo característico de las Líneas: Las líneas de transmisión se diseñan de modo tal que, hasta donde sea posible, se logre equilibrar sus parámetros, por lo cual, su impedancia equivalente por fase resulta ser más o menos igual para cada fase. Por tanto, si no hay cambios ni en la sección del conductor ni en el material empleado, la impedancia por fase es proporcional a la longitud de la línea entre el punto de medida y el punto considerado (punto de falla, por ejemplo). La expresión para una impedancia homogénea a lo largo de la línea es del tipo: ZL = RL + jXL.

Figura N-°.2. Representación de la línea en el diagrama X-R.

Figura N-°.3. Sistema de transmisión con falla.

Tipo Impedancia (Ohm): Los relés que responden a la relación de la tensión eficaz en el terminal de línea y la corriente eficaz que fluye en la línea se clasifican como relés de impedancia. La magnitud de la relación entre los fasores del voltaje y la corriente es la magnitud de la impedancia medida. En estos relés, la magnitud de la impedancia medida se compara con una magnitud especificada (generalmente 80-90 por ciento de la impedancia de la línea

Figura N-°.4. Característica de operación de un relé de impedancia.

Tipo itancia(Mho): Un relé Mho o de itancia es inherentemente Direccional. La característica del relé, es un circulo que pasa por el origen, y cuyo centro se encuentra ubicado sobre la línea de impedancia característica, el relé opera para cualquier impedancia de falla que se encuentre dentro del círculo. El nombre de relevador Mho, se debe a que su característica es una línea recta, cuando se dibuja en los ejes G y B (Conductancia y Susceptancia).

Figura N-°.4. Característica de operación de un relé Mho.

Tipo Cuadrilateral: Las característica circular y línea recta de relés de distancia se desarrollaron originalmente con tecnología electromecánica. La forma circular de los relés fue un resultado natural de esa tecnología. La línea recta es un tipo especial de círculo, es una circunferencia de radio infinito.

Figura N-°.5. Característica de operación cuadrilateral.

Tipo Direccional: Este tipo de relés son elementos que producen apertura cuando la impedancia media está en un semiplano y son utilizados conjuntamente con otros tipos, como por ejemplo con un relé de impedancia para obtener un semicírculo como característica de operación.

Figura N-°.6. Característica de un relé direccional.

Relés con características Poligonal. Este tipo de relés provee un alcance extendido para cubrir la resistencia de falla en particular para líneas cortas donde la posición de la resistencia de la línea puede ser ajustada dentro de la característica de operación: Este relé se caracteriza por poseer tres elementos de medición independientes:  Reactancias  Resistencia  Direccional Las cuales se combinan adecuadamente, para ocasionar que el relé opere cuando los tres elementos hayan operado la forma de la zona de operación de este tipo.

Figura N-°.7. Característica poligonal de operación.

La característica de la zona de operación puede ser modificada dependiendo de los valores de los ángulos que se formen entre los ejes y las características de la zona.

Figura N-°.8. Ángulos de característica de operación.

Criterios para ajustes de la función 21 en generadores: La protección de distancia aplicada en generadores, funciona como una protección de respaldo para detectar fallas en el sistema que a un no han sido adecuadamente aisladas por los relés de protección primarias, requiriendo el disparo del generador. Primera Zona: Protección principal Abarca del 85% al 90% de la línea, cualquier falla dentro de esta zona hará que el relé actúe instantáneamente. No se fija para un 100% para prevenir la operaci6n en caso de falla en la línea siguiente. La primera zona de la protección distancia es de operación instantánea y su función es el despeje rápido de fallas a lo largo de la línea. Se ajusta entre el 80 y 90% de la impedancia de la línea, para evitar operaciones no selectivas por las imperfecciones en el cálculo de los parámetros, errores de los transformadores de medida y a condiciones dinámicas del sistema que podrían ocasionar sobre alcance. Para calcular su ajuste, se usa la expresión: Z1=k*ZL donde: Z1 = Ajuste de Zona 1, K = Constante, ZL = Impedancia de secuencia positiva de la línea. Como criterio se puede adoptar un factor K del 85% de la impedancia de la línea. Segunda Zona: Protecci6n principal y respaldo Termina de proteger la primera línea y abarca hasta un 50% de la siguiente línea (mínimo 25%). Para evitar que la zona 2 actúe simultáneamente con la zona 1 del segundo relé, se coloca un temporizador para demorar la operación. Se presenta debido a la existencia de fuentes intermedias que alimentan la falla por lo que es necesario introducir un ajuste a la impedancia que ve el relé, denominada Impedancia aparente. Si lo tiene, se selecciona un tiempo de 400 ms; si no, este tiempo se determina mediante un análisis de estabilidad del sistema ante contingencias en el circuito. Este tiempo (tiempo crítico de despeje de fallas ubicadas en Zona 2) puede oscilar entre 150 ms y 250 ms, dependiendo de la longitud de la línea y de las condiciones de estabilidad del sistema. Tercera Zona: Protecci6n y respaldo Abarca como mínimo hasta el 10% de la siguiente Línea. Esta zona también debe temporizarse para prevenir la operación simultánea con la protecci6n de la siguiente línea (normalmente 0,6 seg.). El criterio de ajuste es la impedancia de la línea a proteger más un 80% del valor de Z de la línea adyacente más larga, teniendo en cuenta que no sobrepase el 80% de la impedancia equivalente de los transformadores en la barra remota. También debe limitarse si su valor se acerca al punto de carga de la línea. Tiempo de Zona 3: >800 ms.

Figura N-°.9. Zonas de protección.

VISUALIZACION EN EL DIAGRAMA R - X El relé de distancia opera para determinadas condiciones de voltaje y corriente sin importar de donde provengan. las condiciones pasadas al secundario, determina la fijación y luego la operación del relé, así:

Si se considera un sistema como el de la siguiente figura en el cual se obtuvieron los equivalentes de Thevenin hacia ambos lados del relé, se tiene:

Si se tiene

entonces será

Si se tiene

entonces será

Ejemplo demostrativo La corriente máxima de falla en un circuito dado es de 12000 A, la relación de transformación nominal del TC es de 1200/5 y el TC a usarse es con un tap de 800/5. La clase del TC es C-200, la resistencia del secundario es de 0.2, la carga total secundaria es de 2.4 y el factor de potencia es 0.6. determinar si en la ocurrencia de falla el error excederá el 10%.

La resistencia del devanado secundario del TC puede ser ignorada puesto que, por definición, la clase C-200 indica que el TC puede resistir 200V mas la caída producida por la resistencia del secundario con un rango de corriente igual a 20 veces el valor nominal, y con un factor de potencia de la carga tan bajo como 0.5. no obstante, las caídas de tensión en el secundario pueden ignorarse solo si la corriente no excede los 100 A. 𝟓 𝑰𝒏 = 𝟏𝟐𝟎𝟎 ∗ = 𝟕𝟓 𝑨 𝟖𝟎𝟎 𝒁𝒂 = (𝑵𝒑 𝑽𝑪 )/𝟏𝟎𝟎 𝟖𝟎𝟎 𝑵𝒑 = = 𝟎. 𝟔𝟔𝟕 𝟏𝟐𝟎𝟎 𝟎. 𝟔𝟔𝟕 ∗ 𝟐𝟎𝟎𝒗 𝒁𝒂 = = 𝟏. 𝟑𝟑𝟒 𝒐𝒉𝒎 𝟏𝟎𝟎 Como la carga del circuito es mayor que la máxima permisible 1,334 el error puede exceder el 10% durante una falla de 12000 A, lo que resulta en una corriente secundaria máxima de 75 A, consecuentemente, es necesario reducir la carga incrementando el tap del TC o usar otro TC de mayor clase.

Ejemplo 2. Calcular los tiempos de respuesta del relevador para falla identificadas en el ejemplo anterior y en la parte b, del presente y hacer un bosquejo de las caracteristicas de respuesta tiempo, distancia del relevador.

𝑬=

𝟏𝟏 ∗ 𝟏𝟎𝟑 √𝟑

= 𝟔𝟑𝟓𝟎. 𝟖𝟓 𝑽

𝑿𝒔 = 𝟏. 𝟗𝟖𝟒𝟔 𝒐𝒉𝒎 𝟑𝟐𝟎 =

𝟔𝟑𝟓𝟎. 𝟖𝟓 = 𝟔𝟑𝟓𝟎. 𝟖𝟓 𝑽 𝑿𝒔 + 𝑿𝟑𝟐

𝑿𝟑𝟐 = 𝟎. 𝟏𝟑𝟐𝟐 𝒐𝒉𝒎 𝟐𝟓𝟎𝟎 =

𝟔𝟑𝟓𝟎. 𝟖𝟓 𝑿𝒔 + 𝑿𝟑𝟐 + 𝑿𝟐𝟏

𝑿𝟐𝟏 = 𝟎. 𝟒𝟐𝟑𝟒 𝒐𝒉𝒎 𝑰𝒔𝒄𝒂 =

𝟔𝟑𝟓𝟎. 𝟖𝟓 = 𝟐𝟕𝟐𝟕. 𝟐𝟕 𝑨 𝑿𝒔 + 𝟎. 𝟓𝑿𝟑𝟐

Considerando el relevador en 3, la relación del TC es 400/5, el ajuste de corriente es 10A, y la calibración del tiempo es de 2.5. 3200 𝐼𝑟𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑑𝑜𝑟 = = 40 𝐴 400/5 𝐼𝑟𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑑𝑜𝑟 40 = =4 𝐶𝑇𝑆 10

CONCLUCIONES  El relé de protección 21 es muy factible en su aplicación ya que protege a los equipos y otros dispositivos conectados a la red, ya que una anomalía en la red puede perjudicar a personas o bienes de grave situación.  La protección del relé de distancia es muy utilizada en los sistemas eléctricos de potencia ya que nos ayuda a proteger una red eléctrica, previniendo daños y evitando colapsos en el sistema.  El relé de distancia 21 es capaz de dispararse al encontrar una falla eléctrica ya esta puede estar cerca o a la vez lejana, aplicando diferentes tiempos de disparos.  El relé de protección 21 es capaz de proteger largos tramos del sistema eléctrico, ya que es eficiente y posee múltiples zonas que le ayudan a ser más factible.

Bibliografía Edimister, J. (1965). http://eprints.uanl.mx/6370/1/1080098235.PDF Enrique. (2010). http://files.informacionclasesiupsm.webnode.com.ve/2000000460eda20fd82/UNIDAD%20IV.pdf Jimenez, O., Cantu, V., & Conde, A. (2006). http://www.bdigital.unal.edu.co/3392/1/samuelramirezcastano.2003.pdf