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TECNICAS DE DETECCION DE FALLAS A TIERRA Y CANALES DE COMUNICACION

 

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Email:  marcos.electricista@gmail.com

Tfono:

 


1.       EXTRACTO:

Este artículo trata el problema de la falla fase a tierra en redes aéreas de distribución y líneas de transmisión de energía eléctrica, a corriente alterna AC o continúa CC, se expone los principios para detección de fallas y sus limitaciones para poder proteger al 100% las fallas a tierra.

Se expone el principio de funcionamiento de los sensores de corriente, y la  operatividad de los transformadores de corriente electromagnéticos y de sensores ópticos de corriente.

En base a la configuración del sistema eléctrico, se analiza el performance de los  sensores de corriente junto con los reles  utilizados.  

Planteo que la detección de falla debe iniciar en el momento que el cable inicia la caída libre, diferenciándose de los sistemas de protección actuales, ya que estos esperan que el cable toque tierra.  

En redes radiales la rotura de cable provoca la caída de tensión y desfasaje, en el lado de carga, por lo tanto se debe de ubicar rele en el lado de carga, y por comunicación o cable piloto, mandar la apertura del interruptor automático ubicado en el otro extremo de la red fallada, esta solución es adecuada para redes de baja, media y alta tensión, por ejemplo en redes de distribución para zonas urbanas 10KV AC, línea de contacto (catenaria) alimentador de tren eléctrico 1500V DC. Para sistemas eléctricos con más de una alimentación, una fase abierta provoca, que en las fases sanas el valor de la corriente sea igual pero de signo contrario, y aumenta la corriente de secuencia negativa, este valor debe ser monitoreado, y abrir el interruptor automático local ubicado en cada extremo de la red fallada, esta solución es adecuada para líneas de transmisión sistemas eléctricos de potencia.

Luego tenemos una revisión de los canales de comunicación utilizados actualmente, el requerimiento para teleprotección, mi planteo de protección con comunicación.

2.       INTRODUCCION

Los sistemas industriales, requieren sistemas eléctricos sin interrupciones, como además con reducido riesgo contra electrocución de personas o daño a la propiedad.

En la actualidad las redes de distribución y líneas de transmisión están quedando dentro de zonas urbanas, y las redes aéreas de distribución van reemplazando a las redes subterráneas.

En sistemas con neutro puesto a tierra directamente, se tiene el riesgo de perdida de estabilidad debido a las altas corrientes de falla.

Los dispositivos de protección actuales, son apropiados para proteger el equipamiento industrial, es decir cables, transformadores, motores, equipos electrónicos. Y se diseñan con una respuesta suficientemente rápida para reducir las interrupciones a los usuarios.

Se hará referencia a la conexión estrella o triangulo al lado de transformador que alimenta a las cargas.

La magnitud de la corriente de falla a tierra, depende del método de aterramiento del sistema, principalmente se detecta la corriente residual. Y se utilizan elementos direccionales, similar a vatímetro o varímetro, al cual se le predetermina la red a abrir, según el flujo de potencia de falla.

En sistemas en triangulo, se complica el problema y puede ocurrir la falla a tierra de alta impedancia, el cual es un riesgo para la vida. Y no es posible setear los reles a muy bajas corrientes debido al desbalance de cargas de línea o a las corrientes de magnetización de los transformadores de corriente, los sensores ópticos de corriente permiten la detección de corrientes mas bajas de falla.

El circuito para evaluar los amperios y tensión de falla es según la Fig. 1. donde r1+jx1 es la resistencia y reactancia de secuencia positiva, r2+jx2 es la resistencia y reactancia de secuencia negativa, r0+jx0 es la resistencia y reactancia de secuencia cero, RN es la resistencia del neutro.

Fig.1: Circuito para falla a tierra. (A) Para sistemas puestos a tierra, (B) Para sistemas aislados.

 

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

3.       LA CORRIENTE RESIDUAL

Una protección contra fallas a tierra, es obtenida usando rele que de respuesta solo a la corriente residual,  diferencial, o de secuencia cero del sistema.

La corriente residual es la suma de las tres corrientes de face, y la corriente diferencial es la suma de las tres corrientes de face mas la del neutro por lo tanto no esta afectado por el desbalance de carga y debe aplicarse si el neutro esta accesible y si físicamente es posible. La corriente de secuencia cero es obtenida directamente del secundario de un transformador de corriente tipo toroide, por el centro pasan las tres corrientes de las faces A, B y C.

Y estas corrientes aumentan y fluyen cuando ocurra una falla a tierra.

Sobre todo los bajos seteos permisibles para rele de falla a tierra son muy útiles, ya que las fallas a tierra son las más probables de ocurrir, y frecuentes de ocurrir todas las fallas, pero esta corriente de falla podría ser limitado en magnitud por la impedancia del neutro aterrado, o por la resistencia de contacto de falla a tierra.

La componente residual es extraída por conexión de los transformadores de corriente de línea en paralelo mostrado en la Fig. 2, ver rele de falla a tierra GF.

La conexión mostrada en Fig. 2(a), de los elementos de sobrecorriente OC (Over Current) en cada fase, como ilustra Fig. 2(b) e insertado un Rele de Falla a Tierra GF entre el Punto Estrella del Grupo de relés y los transformadores de corriente.

Los relés de sobrecorriente (OC) son frecuentemente previstos solo en dos faces ya que detectan falla entre faces. Esta conexión no facilita la instalación del Rele de falla a tierra. El arreglo es ilustrado a Fig. 2(c).

 

 


Fig. 2: TC y reles. [2]

4.       LA CORRIENTE DE SECUENCIA NEGATIVA

La corriente de secuencia negativa, no esta afectado por el acoplamiento mutuo entre circuitos, debido a esto da buena respuesta a fallas ubicadas en el extremo mas alejado de la ubicación del rele. Son más requeridos donde las fallas a tierra de alta impedancia puedan ocurrir. La tensión de secuencia negativa es usada para polarizar un rele direccional. La desventaja de detección de fallas con la sobre corriente de secuencia negativa es que depende de la carga. Pero esto si puede ser aplicado a sistemas de potencia que cuenta con varios generadores con muchas cargas que alimentar.

5.       LA TENSION HOMOPOLAR

Es otro parámetro que ayuda a detectar fallas a tierra. La sobre tensión homopolar aumenta al ocurrir una falla a tierra Ver Fig. 7.

6.       SETEO EFECTIVO DE RELÉS DE FALLA A TIERRA

El Seteo inicial de Rele de sobrecorriente puede usualmente ser tomado como el Seteo de Rele multiplicado por la relación del CT (transformador de corriente).

El CT debe ser proyectado para tener una suficiente precisión en su rango, y se expresa como un porcentaje de la corriente nominal, el seteo inicial igual al seteo de rele. El Rele de falla a tierra puede usar un elemento similar como los relés de fase y tendrá un consumo similar en VA en el seteo. Pero impondrá un alto burden (carga que tiene el TC) a la corriente nominal, debido a su seteo muy bajo.

Por ejemplo, un rele con un seteo del 20% tendrá una impedancia de 25 veces que de un elemento similar con un seteo al 100%,  frecuentemente este burden  excederá el burden nominal del transformador de corriente. Vea la Fig. 3.

 


Figura 3: Característica de Excitación de Transformador de Corriente [2]

 

La corriente de excitación total es por esto el producto de la corriente de excitación de un CT por el número de transformadores de corriente en paralelo.

La perdida magnetizante sumada puede ser apreciable en comparación con la corriente de operación de Rele y en casos extremos donde la corriente de seteo es baja o los transformadores de corriente son de bajo performance, podrían exceder y permitir la incorrecta actuación de Rele.

La corriente de seteo efectiva en términos del secundario es la suma de los seteo de corriente de los reles y las perdidas de excitación total. Estrictamente hablando el seteo efectivo es el vector suma de las corrientes de seteo de rele (Relay Setting Current) y la corriente de excitación total, pero, para Relés electromagnéticos al menos, la suma aritmética es suficientemente cercana, debido de la similitud de los factores de potencia. Ver. Fig. 4.

 


Figura 4: Seteo Efectivo [3]

 

Relay Plug Setting

Low Voltage at Setting

(V)

Exciting Current Ie

3Ie

Effective Setting

%

Current (A)

Current (A)

%

5

0.25

12

0.583

1.75

2.0

40

10

0.5

8

0.405

1.215

1.715

34

15

0.75

4

0.3

0.9

1.65

33

20

1.0

3

0.27

0.81

1.81

36

40

2.0

1.5

0.17

0.51

2.51

50

60

3.0

1.0

0.12

0.36

3.36

67

80

4.0

0.75

0.1

0.3

4.3

86

100

5.0

0.6

0.08

0.24

5.24

105

Tabla1: Efectivo Seteo de Rele [2]

 

Ejemplo De Seteo De Un Rele De Falla A Tierra.

Transformador de corriente

Knee Point se define como el punto en la curva de excitación del transformador de corriente, que al aumentar en un 10% los voltios de la fuerza electromotriz inducida en el secundario de excitación y correspondiente aumentara la corriente de excitación en un 50%. Y el punto Knee Point debe ser el punto de trabajo de los transformadores de corriente.

Burden es la carga en el secundario del transformador de corriente.

Relación de TC   300/5A

Voltios en punto Knee point 30 Voltios

Corriente de excitación en punto Knee point. 1.5A

Burden de Rele al seteo (Setting)  3 VA

Será visto que el óptimo seteo de Rele en el ejemplo de arriba es al 13% y muy poco incremento ocurre en el seteo efectivo hasta un seteo de rele del 20%.

Será deseable aplicar Reles teniendo un rango de seteo, por ejemplo, del 10% al 40%. El seteo  óptimo será determinado por pruebas durante el comisionamiento. Debe ser recordado, sin embargo, a menos que la corriente de falla a tierra máxima esta limitada por la impedancia del neutro a tierra. Los relés podrían estar sometidos a altas corrientes especialmente si los transformadores de corriente tienen un alto valor la fuerza electromotriz (fem) inducida de saturación.

En tales casos el Rele podría experimentar considerables calentamientos durante fallas severas del sistema.

A menor tap de seteo, mayor resistencia del devanado de la bobina, el calentamiento a los menores tap de seteo es correspondientemente mayor. Al respecto, un tap de seteo, por ejemplo de, 20% no es lo mismo cuando es obtenido del rango 10% - 40% que cuando es obtenido del rango 20% - 80%.

Lo anterior corresponde a un devanado que tiene el doble de número de vueltas que del último y por lo tanto una menor sección de conductor.

Cuando el Tap de 20% es seleccionado del rango del 10% - 40%, solo la mitad de la bobina esta en uso y la resistencia de la bobina es mayor, comparando al mismo seteo si fuera obtenido del rango del 20% - 80%, cuando toda la bobina esta en servicio.

Los rangos de seteo mayores es conveniente para la mayoría de aplicaciones y deberían ser usados a menos que se sepa que las condiciones del servicio son tales que ajustes más bajos son necesarios.

Veremos mas adelante que los transformadores de corriente ópticos no tienen este problema, motivo por el cual están siendo aplicados.

Características De La Protección De Tierra.

Los Relés han sido diseñados para solucionar los requerimientos vistos, usando un elemento de polarización sensible o una versión estática. El relé con elemento de polarización tiene un seteo desde 2% a 3% con una carga (burden) de solo 0.0065 VA en seteo o a 2.5 VA a la corriente nominal.

La versión estática provee un rango de seteo desde 1% a 16% de la corriente nominal con un burden del mismo orden: 0.005 – 0.012 VA en seteo, dependiendo sobre el seteo usado.

Estos burden son tan bajos que los relés pueden usualmente ser energizados por los mismos transformadores de corriente usado para los circuitos de protección convencional.

Esta claro que la protección de falla a tierra teniendo bajo seteo no puede ser graduada con otros sistemas, y es por esto confinado a un rol suplementario por el uso de temporizador de largo tiempo, ajustable de 10 a 15 segundos.

Aunque la graduación con otros sistemas de protección no es practicable, la sensibilidad de Relés de falla a tierra puede ser arreglada a formar un sistema graduado independientemente proveyendo varias etapas de discriminación.

La corriente de fuga transitoria residual de los transformadores de corriente conectados puede exceder el seteo del rele  durante las fallas de fase esta indeseable operación es prevenido por temporizador de largo tiempo.

7.       SENSORES ÓPTICOS DE CORRIENTE

Hemos visto las limitaciones de los transformadores de corriente para protección. Los sensores de corriente ópticos, tienen un mejor performance, en cuanto a la precisión y menor error en todo su rango de medición.

Sin saturación como en los Transformadores de Corriente TC o ferroresonancia en Transformadores de tensión TT (ya que el circuito magnético es eliminado).

Cuando un material óptico que muestra el efecto Faraday es ubicado en un campo magnético (B) producido por la corriente a medir y un rayo de luz polarizado linealmente (E) atraviesa este material óptico en la dirección del campo, un ángulo rotación del plano de polarización ocurre.  Ver Fig.5.

Fig. 5: Principio de funcionamiento [6]

 

El ángulo de rotación es directamente proporcional a la corriente a medir. El ángulo de rotación es igual a:

Donde:

V es la constante de Verdet, que depende del material óptico.

H es la intensidad campo magnético producido por la corriente a medir (Ley de Amper), B es la densidad del flujo magnético (B=uH).

L es la longitud del rayo de luz en dirección de H.

Partes Del Sensor Óptico De Corriente Y Funcionamiento

Tiene las siguientes partes, Vea Fig. 6.

 

 

Fig. 6: Partes del Transformador de Corriente óptico [8]

a) Una fuente de luz (1) envía luz a través de una onda guiada hacia un polarizador lineal (2), luego hacia un divisor de polarización (3), (que crea dos ondas  polarizadas lineales de la luz), y finalmente a un modulador óptico de fase (7).

b) Esta luz entonces es enviada de la sala de mando hacia la cabeza del sensor por una fibra óptica (8).

c) La luz pasa a través de un quarter waveplate (4) creando una luz polarizada circularmente a la izquierda y derecha, desde las dos ondas de luz polarizadas lineales.

d) Las dos ondas de luz atraviesan el sensor en espiral de fibra, alrededor del conductor eléctrico (5), reflejándose en un espejo (6) ubicado en el extremo de la espiral de la fibra, y vuelven a lo largo de la misma trayectoria.

e) Mientras es rodeado el conductor, el campo magnético inducido por el flujo de corriente en el conductor crea un desplazamiento de fase óptico entre las dos ondas de luz  debido al efecto de Faraday

f) Las dos ondas ópticas regresan a través del circuito óptico y finalmente se encaminan al detector óptico (9) donde la electrónica desmodula (10) las ondas de luz para determinar el desplazamiento de fase .

g) El desplazamiento de fase entre las dos ondas de luz es proporcional a la corriente y a una señal análoga o numérica que representa la corriente esta disponible para la electrónica de rele.

8.       RELES DIRECCIONALES DE FALLA A TIERRA

Los relés previamente descritos como  elemento de falla responde al flujo de corriente de falla a tierra y es importante que su respuesta direccional sea correcta para esta condición.

Recordemos que el factor de potencia, en condiciones de despacho de demanda sin falla es activo.

Dependiendo del factor potencia de la corriente de falla, en sistemas con neutro aterrado solidamente la falla será inductiva, en sistemas donde se limita la corriente de falla aterrando el neutro a través de una resistencia, la falla tendrá una apreciable componente activa, y si el sistema es aislado la falla tendrá una apreciable componente capacitiva. Estas condiciones de la corriente de falla determinan el elemento direccional, el cual tiene funcionamiento similar a un vatímetro o varímetro, y la dirección del giro del rotor indica la dirección de la falla, es decir si la falla esta ubicada delante o detrás del rele. Actualmente los reles electrónico se basan en el mismo principio, pero ya no tienen el rotor.

La corriente residual es extraída como se muestra en la Fig. 7, para obtener respuesta direccional es necesario obtener el voltaje residual del sistema, el cual es la suma vectorial de las tensiones de fase. Si los devanados secundarios de las tres unidades monofásicas se conectan en Delta abierto, se obtiene en sus terminales será la suma vectorial de las tensiones de fase a tierra y desde aquí la tensión residual del sistema como se ilustra en la Fig. 7.

Fig. 7 Conexiones para Rele polarizado por voltaje [2]

 

Este será cero para tensiones de fase balanceado pero para condiciones de falla a tierra será igual a la caída de tensión de fase fallada. En todos los casos el voltaje residual es igual a tres veces la caída de voltaje de secuencia cero debido a la impedancia de la fuente y es desfasada la corriente residual por el ángulo característico de la impedancia.

La cantidad residual es aplicada a los elementos direccionales del Rele de Falla a Tierra. Cuando el neutro del sistema es aterrado a través de una resistencia, esta será la impedancia dominante y un Rele teniendo un ángulo de máximo torque (MTA) de 0° será satisfactorio.

En el caso de sistemas aterrados sólidamente, la impedancia de la fuente será predominantemente reactiva y algunos grados de compensación de ángulo es deseable. No solamente el ángulo podría ser alto entre las cantidades residuales primarias, quizás 87°, también es común un apreciable error positivo en la tensión residual en la salida de VT, ya que la conexión Delta abierta involucra tres veces la caída de tensión del devanado de VT comparándolo con la caída cuando estos están conectados en estrella. Este error hace que el ángulo efectivo entre la tensión residual secundaria exceda 90°, el cual podría dar una incorrecta respuesta direccional.

El Rele es previsto con esta compensación de ángulo de fase, así que el máximo torque es desarrollado con el ingreso de corriente retrasado al voltaje en esta cantidad. Este ángulo entonces es sustraído del ángulo de fase real en las  cantidades de entrada para obtener la desviación para la condición de torque máximo. Exacta compensación no es necesaria siempre que el ingreso de  corriente vectorial queda bien dentro de la zona de operación del rele, una desviación final, por ejemplo, de 30° para la posición de torque máximo resulta en una perdida de torque de solo el 14%, sin ninguna consecuencia para un elemento sensitivo. Angulo de torque máximo (MTA) de 45° y 60° son por esto Normados, ejemplo, vea Fig.8.

 

Fig. 8: Falla a Tierra en fase A. Respuesta de disparo de elemento direccional. [9]

 

Cuando los transformadores de tensión  asociado con el sistema de alta tensión no es provista con un devanado secundario delta abierto a polarizar el Rele de falla a tierra direccional, es permisible usar tres transformadores de tensión monofásicos. Con sus devanados primarios conectados en estrella y sus devanados secundarios conectados en delta abierto. Para operación satisfactoria, sin embargo, es necesario asegurar que los transformadores de tensión principales de tensión sean de una conveniente construcción para reproducir la tensión residual y que el punto estrella del devanado primario este sólidamente aterrado. En adición, el punto estrella del devanado primario de los transformadores de tensión deberán ser conectado al punto estrella de los devanados secundario de los transformadores de tensión principales.

Polarización Por Corriente

Si la tensión en algún punto en el sistema es insuficiente a polarizar un Rele direccional, o si los transformadores de tensión que estén disponibles no satisfagan las condiciones para proveer la tensión residual. La polarización puede ser obtenida de la corriente del neutro de un transformador de potencia local con un Neutro Aterrado, o de la corriente de neutro del transformador de aterramiento.

La corriente del neutro y la corriente residual de línea están en fase, así que el Rele deberá ser designado a dar máxima torque máximo para esta condición. La corriente del neutro siempre fluirá desde la tierra hacia el sistema, considerando que, de acuerdo a la posición de la falla, la corriente residual podría fluir en otra dirección a través de Rele, así que la corriente residual puede discriminar correctamente.

Cuando más de un transformador es operado en paralelo con neutro aterrado un transformador de corriente deberá ser proveído para cada uno, los devanados secundarios serán conectados en paralelo a los relés.

 

Fig.9: Conexiones de Rele de Falla a Tierra polarizado por corriente [2]

Fig. 10: Rele de Falla a Tierra polarizado por corriente, en transformador estrella/delta/estrella. [2]

 

9.       FALLA DE ALTA IMPEDANCIA

La falla a tierra de alta impedancia ocurre cuando el cable aéreo cae sobre un material de alta resistencia eléctrica o el suelo tiene alta resistencia de tal forma que la protección no lo detecta.

Superficies tales como arcilla, concreto, o follaje actúan como un aislador, limitando los valores de la corriente de línea para las fallas sobre un sistema de distribución a un bajo rango de magnitud- -típicamente menos de 50 Amperios.

Bajo estas condiciones, los reles de protección normal son incapaces a distinguir entre fallas de alta impedancia y desbalances comunes de carga.

Debido a que la falla no es detectada (debido a bajas magnitudes de las fallas de corriente), la tensión del sistema esta presente sobre el cable roto. El arco que resulta bajo estas condiciones puede tener consecuencias mortales. “Cuando un conductor cae a la tierra, el resultado del arco puede alcanzar temperaturas hasta 2473 °C. Este puede cristalizar el silica en el circundante terreno, eventualmente crea una ruta a tierra de alta impedancia y una situación en el cual no hay visible señal que el conductor esta energizado”.

La inhabilidad a detectar fallas de alta impedancia plantea considerables riesgos de seguridad a humanos, animales y al ambiente natural, empeorándose la situación si existen líneas de gas.

10.   PROTECCION BASADA EN EL ANALISIS DE ARCO DE FALLA A TIERRA

Un Monitor Digital de Alimentador (DFM), forma parte de sistemas de protección. Este monitorea los sucesos durante las perturbaciones, y en base a una lógica determina la falla a tierra de alta impedancia.

El objetivo del DFM es detectar cual arco es de falla a tierra de alta impedancia y  diferencia los arcos de conductores caídos.

Si el arco empieza con una perdida de carga o con una perturbación por sobrecorriente (como podría ocurrir cuando un conductor cae sobre otro cable de fase o neutro y luego cae a tierra). El DFM asume que un conductor esta caído.

Si ninguna de estas condiciones empieza con el arco, entonces el DFM asume que el conductor esta intacto y no ha caído.

En el interés de la seguridad del sistema el DFM considera perdida de carga o una condición de sobrecorriente para indicar un conductor caído si y solo si uno de estos empieza con el arco, y no si uno de estos ocurre después de la iniciación de arco.

Esta protección analiza el arco de falla y se  diferencia de los sistemas de protecciones convencionales principalmente en la forma que es puesto su seteo.

Seteo de Sensibilidad al Arco

Este se puede establecer del 1 al 10.

Debido a que este se basa en el análisis del sistema fijar un Setting depende mucho del conocimiento de la red ya que si por ejemplo el setting es fijado a 10 puede indicar falsa indicación de arco sobre un transitorio del sistema eléctrico normal.

Seteo De Conteo de Eventos en Fase y Tierra

Este cuenta los eventos de “creencia de arco” para una corriente de fase o corriente residual, el cual es contado en un periodo especificado, el cual determina la existencia de arco, si el conteo sobrepasa el Seteo fijado.

Este Seteo se puede establecer de:

10 – 250 para corriente de fase y de

10 – 500 para corriente residual.

Seteo del Tiempo de Conteo de Evento

Este es Seteo de periodo de tiempo especificado para el conteo de eventos, el cual puede ser fijado de 5 – 180 minutos.

Seteo de Coordinación de Tiempo Fuera

Este seteo permite la coordinación con reles convencionales. Esta protección no indicara detección de arco de conductor caído o arco de conductor intacto hasta que termine este “tiempo fuera”, es decir da el tiempo para que operen reles convencionales de sobrecorriente.

El rango de este tiempo es de 10 – 200 segundos.

Se debe conocer de protección y de las condiciones ambientales, el arco de falla seca el área de terreno donde cae, dificultando la detección si este tiempo es alto. Es recomendable que este tiempo no exceda de 30 segundos.

Seteo de Sobrecorriente de Fase y Residual

Este Seteo indica un nivel de sobrecorriente de una corriente de Fase y Residual, si existe una condición de sobrecorriente asume que la protección de sobrecorriente protegerá. Este Setting puede ser fijado de 0.5 – 50 Amperios.

Es recomendado que la sobrecorriente de fase se ponga aproximadamente a la corriente de carga máxima, y la corriente residual el que se obtendría con el  máximo desbalance de carga.

Seteo de “Alto Rango de Cambio”

Este se calcula como la diferencia de los dos valores RMS de corriente (de fase o residual) leídos en dos ciclos consecutivos.

Muy Alto rango de cambio puede ser indicación de una corriente de energización de transformador (Inrush).

El setting es de 0.05 – 10 A (amperios),

Es recomendado un Setting de:

CT: Relación del transformador de corriente.

Seteo de Umbral de Perdida de carga

Una  forma de protección es la confirmación de un conductor caído por  una perdida de potencia monofásica en dos ciclos consecutivos. El cual es fijado como un porcentaje de la carga total.

El setting puede ser de 5% - 100%, siendo el 5% el setting más sensible. Es necesario notar que la caída del cable en el extremo opuesto mas alejado, podría no haber una perdida de carga, y no se detectara una perdida de carga, entonces de esta forma no se comprobara la ocurrencia de la caída de conductor.

Seteo de Eventos Trifásicos

La corriente Inrush (Energización de motor por ejemplo), es un evento trifásico que la protección debe tomar en cuenta, ya que la corriente Inrush tiene similares características que un arco de falla, por esto si el evento es trifásico esta protección ignora esta data. El rango de Setting de este súbito incremento de corriente trifásica es de 0.05 – 10 Amperios.

El setting recomendado es de:

CT: Relación de transformador de corriente.

11.    RELE DE DISTANCIA

Los reles de distancia tienen desventajas para detectar las fallas a tierra, ya que su zona de operación esta en función de la impedancia de la línea, el cual es una constante, y es casi independiente de la tensión y corriente de falla. Ya que los reles para detectar fallas solo miden un umbral de impedancia de línea. Por otra parte los reles existentes son diseñados para trabajar en sistemas en estrella con neutro puesto a tierra.

Los reles de distancia de característica cuadrilateral y Mho, son los mas utilizados para detectar fallas a tierra.

Ambas son direccionales, y por su diseño permiten medir fallas resistivas.

a.      CUADRILATERAL.

La característica de distancia de tierra cuadrilateral consiste de cuatro elementos, cada lado de la característica cuadrilateral mostrado en la Fig. 11 representa un elemento diferente, la línea superior es el elemento de la reactancia, la línea del lado derecho la resistencia de secuencia positiva, la línea del lado izquierdo la resistencia de secuencia negativa, la inferior del elemento direccional de reactancia secuencia negativa.

Fig. 11: Característica cuadrilateral

El rele detectara la impedancia de falla de línea que se ubique dentro del recuadro.

b.      caracteristica mho.

El rele de característica MHO, esta diseñado para medir y comparar el ángulo de fase entre la tensión de operación y la tensión polarizadora, vea la Fig. 12. 

 

Fig. 12: Característica MHO de rele

El rele detectara la impedancia de falla de línea que se ubique en la zona.

 

12.   SISTEMAS ELECTRICOS Y SU PROTECCION TIPICA

Sistema Sin Aterramiento o Neutro Aislado

El neutro no esta conectado a tierra, y el sistema presentan suficiente capacitancia a tierra.

Los reles tensión de secuencia cero o homopolar detectan la falla a tierra, pero no son selectivos y requieren desconexión secuencial de los circuitos, para determinar el circuito fallado, o se usa un elemento  direccional varimétrico alimentado con la corriente y tensión de secuencia cero,  luego se ubica el tramo fallado, se desconecta este tramo. Otra manera de ubicar la falla a tierra, es con un elemento direccional que mide la  reactancia capacitiva homopolar, XCos, el cual determina el tramo fallado.  Vea la Fig.15.

Fig.14: Característica de elemento direccional [9]

 

Sistema Efectivamente o Solidamente Aterrado

El neutro esta puesto a tierra directamente sin ninguna impedancia.

Para determinar si un sistema es efectivamente aterrado debe cumplirse que:

(X0 / X1) <=3 y (R0 / X1) <=1.

Las corrientes de falla son de alta magnitud. Los reles de sobre corriente de secuencia cero detectan la falla, y se complementan con elementos direccionales.

La detección de fallas a tierra de alta impedancia, es dificultoso con reles no direccionales con sistema de 04 conductores.

Los sistemas de transmisión son solidamente aterrados. Y tienen las siguientes alternativas de protección:

Sistema aterrado con baja impedancia

En este sistema el neutro esta aterrado a través de una baja impedancia, para limitar la corriente de falla. La protección es similar a un sistema solidamente aterrado.

Sistema aterrado con alta impedancia

En este sistema el neutro esta aterrado a través de una alta impedancia, o a través de una conexión delta abierto de un transformador de distribución, sirve para limitar la corriente de falla a 25 amp o menos. A su vez limita las sobretensiones transitorias durante fallas  a tierra.

Como un sistema neutro aislado, las fallas a tierra desplazan el neutro del sistema, si las cargas están entre faces permanecen en servicio.

Reles de tensión de secuencia cero detectan la falla a tierra, pero no son selectivos y requieren desconexión secuencial de los circuitos, para determinar el circuito fallado o se usa un elemento direccional de secuencia cero vatimétrico (si la impedancia a tierra es resistivo) o varimétrico (si la impedancia a tierra es inductivo), el cual responde a la componente activa (si la impedancia a tierra es resistivo) o reactiva (si la impedancia a tierra es inductivo) de la corriente de secuencia cero con respecto a la tensión de secuencia cero.

Sistema con aterramiento resonante

El sistema es llamado también compensado.

El neutro esta conectado a tierra a través de un reactor variable de alta impedancia (o mediante un transformador zigzag aterrado), con la finalidad de igualarse automáticamente con la capacitancia fase a tierra del sistema. Este reactor es llamado también bobina Petersen, o bobina supresora de arco, o neutralizador de falla a tierra. Teniéndose la opción de inyectar corriente mediante la impedancia durante la falla a tierra, y reducir la corriente de falla a cero.

La detección de fallas a tierra de alta impedancia, requiere sensibilidad a la corriente de secuencia cero, y se usan elementos de direccionales vatimétricos.

Después que la corriente ha sido limitada,  se suele puentear la bobina Petersen, y con la sobre tensión de secuencia cero se ubica la falla. Luego todo regresa al estado inicial.

13.   PROBLEMA DE SENSIBILIDAD

La capacitancia de la red, las perdidas por fuga en aislamientos, el efecto corona, el desbalance de cargas permiten una baja corriente homopolar, en condiciones del sistema sin falla.

La corriente de excitación de los transformadores de corriente electromagnéticos de rele puede ocasionar una falsa operación de la protección.

, ,

Son corriente de fase de R, S, y T respectivamente. Iex es la corriente de excitación de cada transformador de corriente del rele.

Sin falla, con TC electromagnéticos:

 

Sin falla, con TC ópticos:

 

La corriente de excitación y cargas desbalanceadas no permiten bajas corrientes de seteo de rele, los reles son seteados sobre este valor para evitar disparos por falsas fallas.

La protección convencional es más afectada debido a que el setting de corriente es una magnitud, además los elementos direccionales son afectados si la tensión de falla es muy baja.

14.   PROBLEMA DE LA DETECCION

El problema de la sensibilidad no permite bajos valores de Setting (Valor de actuación) del rele.

En el momento de falla la detección dependerá de la resistencia del terreno. Una alta resistencia del terreno podría hacer lento la operación de rele.

La protección convencional es mas afectada debido que el Setting de este es muy grande y no detecta fallas con corrientes bajas.

La protección basada en análisis de arco de falla a tierra, no detecta la falla si el cable cae sobre un material que no produce arco. 

Fig. 13: Delta con tres alimentadores con falla fase a tierra.

 

PROPUESTA DE SOLUCION

15.   PROTECCION CONTRA  FALLA FASE ABIERTA

La protección de sistemas eléctricos de configuración radial, debe detectar el cable roto, la protección que planteo se basa en medir las tensiones i/o corriente de fase o línea, en lado de carga, ya que al romperse un cable en lado de carga se detectara la caída de tensión i/o corriente en la fase fallada principalmente. Y mediante comunicación electrónica enviara una señal al extremo de la red fallada y se abrirá el interruptor automático aguas arriba, para desenergizar el tramo fallado. Otra alternativa seria el sensor de tensión óptico, ubicado en el lado de carga, y el generador de luz ubicado en la sub estación alimentadora en el otro extremo, el cual al detectar la caída de tensión manda abrir el interruptor automático.

En tramos de sistemas eléctricos, que  estén alimentados por ambos lados de la red eléctrica, se detectara principalmente la igualdad de corriente de las fases sanas y el aumento de la corriente de secuencia negativa.

Así el sistema de protección contra fallas a tierra comienza desde que el cable se rompe, y no como los sistemas de protección actuales que esperan que el cable toque tierra para comenzar a detectar la falla.

En cuanto a la comunicación electrónica  los siguientes canales digitales están disponibles:

-          Fibra óptica dedicada, siendo el más confiable.

-          Redes multiplexadas usando interfaces de 64kbits   

o        T1 multiplexado, es multipunto, la señal pasa a través de varios puntos antes de llegar a su destino final, este retardo de tiempo no es conveniente para señales de protección.

o        SONET o red óptica síncrona, los varios puntos con ADM (Add/Drop multiplexor), requieren un tiempo para añadir o quitar señales a la señal óptica, se convertirá a señal a eléctrica y luego se convierte otra vez a señal óptica. Para que llegue a su destino final. Este tiempo no es conveniente en tele protección. Vea Fig. 15 y 16.

o        Enlaces digitales de radio o microonda, tienen tiempos cortos de transmisión de señal protección pero en malas condiciones de clima la señal se desvanece.

-          CSU (Channel Service Unit) provisto a 56Kbps o 64Kbps sobre líneas telefónicas de cobre.  Vea Fig. 17.

Otro canal que suele usarse es:

-          Power line carrier a 64Kbps.

Nota: 64Kbits=(8ksample/segx8bits/sample).

Fig.15: Forma de Añadir o Retirar una señal de una fibra óptica, la señal óptica  DS-3, se convertirá en una señal eléctrica DS-1, se añade o quita a la señal, y regresa a la fibra óptica como una señal óptica DS-3, nótese que DS-1 utilizo el canal T1. [11]

 

Fig.16: Red SONET con rele 87L [11]

Fig.17: Canal CSU [11]

Fig.18: Canal de microondas [11]

 

 

16.   ESQUEMAS PILOTOS

Para redes radiales será el esquema será DTT (transferencia de disparo directo), ejemplo la caída de tensión de una fase en lado de carga enviara una señal para disparo de interruptor automático en lado de la alimentación de la red.  Para redes con mas de una fuente el esquema será DCUB (desbloqueo por comparación direccional) y DTT, al detectarse la corriente en dos faces iguales y aumento de la corriente de secuencia negativa, abrirá el interruptor local, y seguirá el proceso como una red radial, explicada anteriormente, de comprobarse la caída de tensión, se enviara una señal para abrir el interruptor del otro extremo, de lo contrario el interruptor local volverá a su estado inicial es decir se cerrara.

17.    EJEMPLO DE APLICACION DE LA PROTECCION

A.- Se detecta desde el inicio de caída de cable conductor de electricidad, detectando la falla fase abierta, con detectores ubicados en la subestación al lado de la carga, los cuales detectan un valor predeterminado de caída de tensión.

B.- La señal de falla es enviada por comunicación: el canal puede ser fibra óptica, cableado de cobre, fases sanas de energía, red de telefónica publica, radio, satelital u otro disponible en el área.

C.- La señal es recepcionada en la subestación alimentadora de la red protegida, esta señal indica que el cable ha caído. Y acciona el circuito de control del interruptor automático que alimenta esta red, la señal manda a abrir el interruptor automático que alimenta a la red eléctrica.

Para mejorar el entendimiento describiré las figuras siguientes.

Figura 19: Muestra un sistema eléctrico, con sus dispositivos de protección, comunicación, interruptores automáticos. En las condiciones sin falla.

Figura 20. Muestra tres casos de falla y su respuesta:

Si ocurre la Falla 1 de caída de cable, el detector D1-1 detecta y envía señal, entonces D1 recibe la señal y conmuta su contacto eléctrico para mandar abrir el interruptor automático ID1, el cual abrirá sus contactos para cortar la energía a la red fallada.

Si ocurre la Falla 2 de caída de cable, el detector D2-1 detecta y envía señal, entonces D2 recibe la señal y conmuta su contacto eléctrico para mandar abrir el interruptor automático ID2, el cual abrirá sus contactos para cortar la energía a la red fallada.

Si ocurre la Falla 3 de caída de cable, el detector DTC1 detecta y envía señal, entonces DTG1 recibe la señal y conmuta su contacto eléctrico para mandar abrir el interruptor automático ITG1, el cual abrirá sus contactos para cortar la energía a la red fallada.



Fig. 19: Sistema eléctrico radial, sin falla.

Fig. 20: Sistema eléctrico radial con falla, con mi planteamiento de protección.

 

 

18.   CONCLUSION

+ En la actualidad todos los sistemas de protección para detectar la falla a tierra esperan que el cable toque suelo (tierra). Por esto es necesario, asegurarse, que el cable fallado que ha caído, tenga un buen contacto a tierra. Y así permitir que los reles detecten la falla, se debe prever que los cables aéreos que caigan, por gravedad caigan sobre un material conductor que este puesto a tierra.

+ Pero el cable al caer sobre terreno seco, arena seca, concreto seco, zonas rocosas, no permitirán que el circuito de detección de falla se cierre, o en su defecto se presente una falla a tierra de alta impedancia.

+ Los sistemas de protección actuales, no consideran la protección a los humanos contra el contacto directo, o indirecto a través de los cables de las redes públicas de menor tensión que ingresan a los domicilios, como de telefonía o redes de baja tensión u otros.

+ La protección convencional depende de la magnitud de corriente de falla, o tensión, se añade elemento direccional que tiene la función de actuar ante una falla delante de el, consiguiendo con esto sacar de servicio solo el tramo fallado, dejando el resto energizado.

+ Las fallas de sobrecorriente son detectado por reles de sobrecorriente, no serán detectados aquellos fallas de alta impedancia o falla con corriente muy baja.

+ La tecnología para detectar fallas de alta impedancia por medio del arco complementa en gran parte las fallas no detectadas por reles convencionales. Siempre y cuando exista arco de falla.

+ Limitando la corriente de falla con sistemas compensados, o aislados se  beneficia a la estabilidad del sistema de potencia, y es la principal ventaja de estos sistemas que pueden ser determinantes para su selección. Pero se aumenta los riesgos de una falla de alta impedancia. 

+ En sistemas puestos a tierra la detección de falla a tierra es más económica, pero se corre el peligro de perder estabilidad durante fallas a tierra y se deje sin servicio a una gran cantidad de usuarios, además estas altas corrientes de falla, someten a sobrecalentamientos al equipamiento, y perturban las señales de comunicación. 

+ Los sensores ópticos de corriente tienen una precisión mejor en todo su rango en comparación de los transformadores de corriente. Pero los sensores ópticos necesitan energía externa para poder funcionar.

+ Los sensores ópticos de corriente y tensión, no son puestos a tierra, no tienen núcleo ferromagnético, por esto se reduce efectos resonantes, y se pueden crear nuevos esquemas de protección.

+ En sistemas de protección existentes, se deben planificar el uso simultáneo de los transformadores de corriente existentes, para incorporar el transformador de corriente óptico.

+ Los sistemas eléctricos en delta, estrella, estrella puesto a tierra, compensados, tienen los mismos riesgos para los humanos ante un contacto directo con el cable fallado.

+ El planteamiento que realizo de detección de caída de tensión para redes radiales, no depende de la resistencia de puesta a tierra o del valor de la corriente de falla.

+ El planteamiento que realizo de detección de aumento de corriente de secuencia negativa e igualdad de corrientes de las fases sanas, no depende de la resistencia de puesta a tierra o del valor de la corriente de falla. En el caso de redes alimentadas por ambos extremos.

+ Con un canal digital de comunicación punto a punto, exclusivo con fibra óptica, o cable de cobre, lograra evitar la falla a tierra. Un canal de microondas es adecuado pero en malas condiciones climáticas la señal se desvanece.

+ Los otros canales de comunicación multiplexado,  necesitan más tiempo para la recepción de la señal. Y la señal de falla de cable caído podría ser recepcionada, durante la falla a tierra.

19.   REFERENCIA BIBLIOGRAFIA

[1]: Review of Ground Fault protection methods for grounded, ungrounded, and compensated Systems, Autor: Jeff Roberts, Dr. Hector J. Altuve, Dr. Daqing Hou.

[2]: Network Protection and Automation, Autor: Alstom.

[3]: Product Catalog. Autor: GE Power Management, año 2000

[4]: Relaying Communication Channels. Autor: GE Protection & Control

[5]: Power Engineering Guide Transmission And Distribution. Autor: SIEMENS

[6]: Fiber Optic Magnetic Field Sensors Utilizing Iron Garnet Materials, Autor: Hans Sohlstrom

[7]: Física parte II, Autor Robert Resnick y David Halliday.

[8]: Fiber Optic Current Sensor, Autor: NxtPhase Corporation

[9]: Applying the SEL-351 Relay to an

Ungrounded System, Autor: Normann Fischer and Mark Feltis

[10]: Phase and Ground Distance Relay, Directional Overcurrent Relay, Fault Locator Autor: Schweitzer Engineering Laboratories.

[11]: Pilot protection communication channel requirements. Autor: T. Dahlim, RFL Electronics Inc.

Fig. 21: Requisitos de la Comunicación usados en Sistema Eléctricos. [11]

 

Gracias a mis padres y al equipo de ingenieria. Internet

. marcos.electricista@gmail.com