Protecció de Línies Aèries – Avaries i Dispositius de Protecció
Avaries comunes en línies aèries
Les causes més prevalents d'avaries en línies aèries inclouen:
Article rellevant: Protecció de transformadors d'energia i avaries
Dispositius de protecció de línies aèries
La protecció de sobrecorrent graduada en el temps és ineficac per a les línies aèries de transmissió de alta tensió (AT). Això és degut a la presència de múltiples fonts interconnectades de corrents d'averia, que poden estar restringides per limitadors de corrent d'averia. Les exigències clau per a esquemes de protecció en línies aèries de transmissió d'alta tensió són les següents:
Per complir aquestes exigències, es fan servir habitualment els següents dispositius de protecció en línies aèries d'alta tensió:
La protecció diferencial es sol aplicar a línies aèries curtes, mentre que la protecció de distància és més adequada per a línies aèries llargues. La classificació de línies aèries com a curtes o llargues es basa en una comparació de la inductància, la resistència i la capacitància de la línia. Una línia es considera curta quan la seva resistència i capacitància són negligibles en comparació amb la seva inductància. Aquesta avaluació es realitza sovint utilitzant el diagrama π de la línia aèria.
Diversos factors influeixen en la impedància de la línia, la seva resposta física a condicions de curts circuits i la corrent de càrrega de la línia. Aquests inclouen el nivell de tensió, la construcció física de la línia de transmissió, el tipus i la mida dels conductors, i l'espaiat entre conductors. A més, el nombre de terminalls de la línia afecta el flux de la corrent de càrrega i d'averia, que el sistema de protecció ha de tenir en compte. Les línies paral·leles també afecten la rellevància, ja que el couplament mútu pot afectar la corrent de terra mesurada pels relès de protecció. La presència de transformadors derivats o dispositius de compensació reactiva, com bancs de condensadors en sèrie o reactors en deriva, també influeix en la selecció del sistema de protecció i les configuracions dels dispositius de protecció. Com a resultat, un estudi detallat de la línia aèria és necessari per determinar els relès de protecció més apropiats. Generalment, una línia amb una longitud de fins a 80 - 100 km es pot considerar curta, encara que això pot variar depenent del nivell de tensió i les característiques de la xarxa.
Aproximadament el 90% de les avaries en línies aèries són transitòries. Les avaries es poden categoritzar com segueix:
Per a aquestes avaries, es pot requerir un tall de pol únic, permetent que la línia es restabiliçi immediatament després que els interruptors disjunctors facin el tall. Per tant, esquemes de tall de pol únic i recobriment automàtic són habitualment utilitzats en interruptors disjunctors associats a línies aèries de transmissió (normalment amb una tensió de 220 kV o superior). Quan els interruptors disjunctors interrompen la corrent d'averia, l'arc de flashover s'extingeix i l'aire ionitzat es dissipa. El recobriment automàtic sol ser exitós després d'un retard de només alguns cicles. Tanmateix, quan es realitza treball energitzat, els dispositius de recobriment automàtic en les línies en treball s'han de configurar en mode de no recobriment. Els interruptors disjunctors utilitzats en aquestes aplicacions necessiten ser dissenyats específicament per gestionar aquestes operacions i ser immunes a la inconsistència de pols fins que s'emeti una ordre definitiva de tall.
Protecció diferencial i comparació de fase
La protecció diferencial es basa en la llei de la corrent de Kirchhoff. En el context d'una línia de transmissió, funciona comparant la corrent que entra a la línia en un terminal amb la corrent que surt de la línia en l'altre terminal. Els relès de línia diferencials a cada extrem de la línia de transmissió intercanvien dades sobre la corrent de la línia a través d'un enllaç de comunicacions de fibra òptica. Aquest enllaç sovint es estableix utilitzant el cablà de terra òptic (OPGW), que també s'utilitza per al disseny de protecció contra els llamps de la línia aèria i conté cables de fibra òptica dins la seva estructura. La Figura 1 il·lustra el diagrama del sistema de protecció diferencial.
Figura 1 – Diagrama de protecció diferencial de línia aèria
Un altre sistema de rellevància per a línies de transmissió d'alta tensió (AT), que es basa en el principi de protecció diferencial i que ara s'utilitza fins i tot per a línies de llarga distància, és la protecció de comparació de fase.
Aquest sistema opera comparant l'angle de fase entre les corrents als dos extrems de la línia protegida. En cas d'averia externa, la corrent que entra a la línia té el mateix angle de fase relatiu que la corrent que surt de la línia. Com a resultat, els relès de comparació de fase a cada terminal registrin poc o gairebé cap diferència d'angle de fase. Conseqüentment, el sistema de protecció roman estable i no es produïx cap tall. En canvi, durant una averia interna, la corrent flueix a la línia des d'ambdós extrems, causant una disparitat d'angle de fase que els relès de comparació de fase poden detectar. Un cop identificada aquesta diferència, els relès s'activen per aïllar i netejar l'averia.
Dins els esquemes de comparació de fase, els relès de iniciació juguen un paper crucial. Aquests relès inicien el procés de comparació de fase tan aviat com es detecta una condició d'averia. El seu disseny assegura la operació tant per a avaries internes com externes, proporcionant una monitorització completa.
Per a la funció efectiva de la protecció de comparació de fase, un canal de comunicació fiable és indispensable. En aplicacions modernes, els cables de fibra òptica integrats dins els cables de terra òptic (OPGW) han esdevenit la tria preferida per establir aquest enllaç de comunicació.
La Figura 2 representa el diagrama d'una línia del sistema de balança de tensió Merz Price, que s'utilitza per a la protecció de línies trifàsiques.
Protecció de comparació de fase i protecció de distància
Protecció de comparació de fase
Figura 2 – Diagrama de protecció de comparació de fase
En la protecció de comparació de fase, es col·loquen transformadors de corrent (TC) idèntics estratègicament en cada fase a ambdós extrems de la línia de transmissió. Cada parell de TC, un a cada extrem de la línia, es connecta en sèrie amb un relè. En condicions normals, sense avaria, les tensions secundàries generades per aquests TC són iguals en magnitud però oposades en direcció, equilibrant-se eficaçment.
Durant l'operació sanja del sistema, la corrent que entra a la línia en un extrem coincideix exactament amb la corrent que surt en l'altre extrem. Com a resultat, es provoquen tensions iguals i oposades en els secundaris dels TC als dos terminals de la línia. Aquest equilibri de tensió assegura que no hi hagi corrent que passi pels relès, mantenint la estabilitat del sistema de protecció.
No obstant això, quan es produeix una averia en un punt com F a la línia, tal com es mostra en la Figura 2, la distribució de la corrent s'interromp. Específicament, una corrent significativament més gran fluirà a través del CT1 en comparació amb el CT2. Aquesta disparitat en la corrent provoca que les tensions secundàries dels CT no siguin iguals. Com a conseqüència, es estableix una corrent circular, que flueix a través dels fils pilots i els relès. En resposta a aquest flux de corrent, els interruptors disjunctors als dos extrems de la línia s'activen per obrir, aïllant promptament la línia defectuosa del resta del sistema d'energia.
També llegiu: Protecció primària i secundària o de reserva en un sistema d'energia
Protecció de distància
La protecció de distància es basa en relès de distància, que mesuren la impedància d'una línia de transmissió analitzant els senyals de tensió i corrent aplicats a ells. Quan es produeix una averia en una línia, es produeixen dos canvis importants: la corrent augmenta a un nivell molt més alt, i la tensió cau precipitadament.
Atès que la impedància d'una línia de transmissió és directament proporcional a la seva longitud, els relès de distància estan dissenyats per mesurar la impedància fins a un punt predefinit conegut com a "punt d'abast". Aquests relès, sovint anomenats relès de impedància, calculen la impedància utilitzant la llei d'Ohm, expressa per la fórmula Z = U/I, on Z representa la impedància, U és la tensió i I és la corrent.
Els relès de distància estan enginyats per funcionar exclusivament per a avaries que es produeixin entre la ubicació del relè i el punt d'abast seleccionat. Aquesta característica de disseny els permet distinguir efectivament entre avaries en diferents seccions de la línia. La impedància aparent calculada pel relè es compara amb la impedància predefinida del punt d'abast. Si la impedància mesurada és inferior a la impedància del punt d'abast, es dedueix que existeix una averia en la línia entre el relè i el punt d'abast. Quan la impedància calculada queda dins l'ajust d'abast del relè, el relè s'activa, iniciant l'acció protectora.
Per assegurar una protecció completa, els sistemes de protecció de distància s'instalen a ambdós extrems de la línia de transmissió, i es estableix un enllaç de comunicació entre aquests punts finals, tal com es mostra en la Figura 3. Aquesta comunicació permet la operació coordinada dels relès a cada extrem, millorant l'eficàcia global de l'esquema de protecció.
Rendiment i característiques dels relès de distància
Figura 3 – Diagrama de protecció de distància de línia aèria
El rendiment dels relès de distància es valora principalment basant-se en dos paràmetres clau: la precisió de l'abast i el temps d'operació.
Precisió de l'abast
La precisió de l'abast implica comparar l'abast ohmic real d'un relè de distància en condicions pràctiques i reals amb el seu valor ohmic predefinit. Aquesta mètrica es veu influenciada significativament pel nivell de tensió aplicat al relè durant les condicions d'averia. Una tensió més baixa o distorsionada pot provocar inexactituds en la impedància mesurada, afectant la capacitat del relè per identificar correctament la ubicació d'una averia dins el seu abast designat. A més, les tècniques de mesura de la impedància utilitzades en el disseny de relès específics juga un paper crucial. Diferents algoritmes i configuracions d'hardware poden produir nivells de precisió variables, afectant la precisió total de l'abast del relè.
Temps d'operació
El temps d'operació d'un relè de distància és una quantitat variable que depèn de diversos factors. La magnitud de la corrent d'averia té un efecte directe; corrents d'averia més altes poden fer que l'operació sigui més ràpida, mentre que corrents més baixes podrien resultar en temps de resposta més llargs. La posició de l'averia respecte a la configuració del relè també és rellevant. Averies més properes a la font o dins una certa proximitat del relè podrien desencadenar una resposta més ràpida en comparació amb les que estan més allunyades. A més, el punt de la ona de tensió en què es produeix l'averia pot introduir variabilitat en el temps d'operació.
Certes errors transitories de senyals de mesura, que estan associades a les tècniques de mesura específiques utilitzades en el disseny d'un relè, poden complicar més això. Per exemple, errors generats pels Transformadors de Tensió Capacitius (TTC) o els Transformadors de Corrent (TC) saturats poden retardar significativament l'operació del relè, especialment per a avaries que es produeixen a prop del punt d'abast. Aquests errors transitories poden distorsionar els senyals de tensió i corrent, llevant a una interpretació errònia de la impedància i, per tant, a un retard en l'activació del relè.
Característiques dels relès de distància
Les característiques dels relès de distància, sovint referides com a forma de protecció, es representen gràficament com una funció de la resistència (R) i la impedància (X) de la línia en un diagrama R/X o d'admitància. Deux de les formes més típiques són la circular (caractèristica mho) i la quadrilateral. Aquestes formes característiques es mostren en les Figures 10 i 11, respectivament. Cada forma té les seves pròpies avantatges i està dissenyada per optimitzar el rendiment del relè en diferents condicions del sistema elèctric, proporcionant un mitjà fiable per a distingir entre les condicions d'operació normal i les avaries reals dins la secció de línia protegida.
Figura 4 – Característica mho
Característiques, ajustos d'abast i recobriment dels relès de distància
Figura 5 – Característica quadrilateral
L'element de impedància mho rep el seu nom de la seva aparició característica en un diagrama d'admitància, on es manifesta com una línia recta. No obstant això, les característiques de impedància poligonals, com la forma quadrilateral, han guanyat una popularitat significativa. Aquestes característiques ofereixen una flexibilitat remarcable per a cobrir les impedàncies d'averia tant per a avaries de fase com de terra. Aquesta adaptabilitat les ha convertit en la tria preferida per a la majoria dels relès de distància moderns.
Els relès de distància es poden configurar amb fins a cinc zones distinctes, algunes de les quals estan configurades per mesurar la impedància en la direcció inversa. Aquestes zones de mesura inversa serveixen com a protecció de reserva per a barres de bus. Cada zona està associada a un temps d'activació específic per al relè, permetent una resposta matizada i coordinada a les avaries que es produeixen en diferents ubicacions dins la xarxa elèctrica protegida.
Quan els relès de distància s'instalen als dos extrems d'una línia de transmissió, els seus temps de resposta a una averia varien en funció de la distància del punt de l'averia (F) a cada extrem de la línia. Per exemple, considerem una línia aèria que connecta les subestacions A i B. El relè de distància situat a la subestació més propera al punt de l'averia F detectarà l'averia primer, i el corresponent interruptor disjuntor es desconnectarà abans que el de l'altra subestació.
Per evitar que un curt circuit continuï rebent energia des de l'extrem oposat de la línia fins que la protecció de distància rellevant s'active, és essencial un enllaç de comunicació entre els relès de protecció. Normalment, aquesta comunicació es estableix mitjançant cables de fibra òptica integrats dins els cables de terra òptic (OPGW). Aquesta configuració permet el tall simultani de tots dos interruptors disjuntors, assegurant una isolació ràpida i efectiva de la secció defectuosa.
No és pràctic programar un relè de impedància per mesurar amb precisió la impedància de la línia fins al disjuntor a l'extrem remot. Això és degut als errors i inexactituds inherents en components com els transformadors de corrent (TC), els transformadors de tensió (TT), els propis relès, així com en els càlculs de la impedància de la línia. Per tenir en compte aquestes incerteses, l'abast del relè s'estableix per a mesurar un valor de impedància menor que la impedància total corresponent a la longitud total de la línia. Per exemple, establir la Zona 1 per a cobrir fins al 85% de la impedància de la línia és una pràctica comuna i segura. El 15-20% restant serveix com a marge de seguretat, prevenint efectivament que la protecció de la Zona 1 superi la línia protegida degut a errors de mesura i inexactituds. Sense aquest marge, hi hauria el risc de perdre la capacitat de discriminar entre avaries en seccions de línia adjacents, especialment quan es tracta d'esquemes de protecció ràpida.
