Protección de Líneas Aéreas – Fallos y Dispositivos de Protección
Fallas Comunes en Líneas Aéreas
Las causas más prevalentes de fallas en líneas aéreas incluyen:
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Dispositivos de Protección para Líneas Aéreas
La protección de sobrecorriente con gradiente de tiempo es ineficaz para las líneas aéreas de transmisión de alta tensión (HV). Esto se debe a la presencia de múltiples fuentes interconectadas de corrientes de falla, que pueden ser restringidas por limitadores de corriente de falla. Los requisitos clave para los esquemas de protección en líneas aéreas de transmisión de alta tensión son los siguientes:
Para cumplir con estos requisitos, se utilizan comúnmente los siguientes dispositivos de protección en líneas aéreas de alta tensión:
La protección diferencial se aplica típicamente a líneas aéreas cortas, mientras que la protección de distancia es más adecuada para líneas aéreas largas. La clasificación de las líneas aéreas como cortas o largas se basa en una comparación de la inductancia, resistencia y capacitancia de la línea. Una línea se considera corta cuando su resistencia y capacitancia son insignificantes en comparación con su inductancia. Esta evaluación se lleva a cabo a menudo utilizando el diagrama π de la línea aérea.
Varios factores influyen en la impedancia de la línea, su respuesta física a condiciones de cortocircuito y la corriente de carga de la línea. Estos incluyen el nivel de voltaje, la construcción física de la línea de transmisión, el tipo y tamaño de los conductores, y el espaciado entre conductores. Además, el número de terminales de la línea afecta el flujo de corriente de carga y de falla, que el sistema de protección debe tener en cuenta. Las líneas paralelas también impactan en la relaying, ya que el acoplamiento mutuo puede afectar la corriente de tierra medida por los relés de protección. La presencia de transformadores con tomas o dispositivos de compensación reactiva, como bancos de condensadores en serie o reactancias en paralelo, influye aún más en la selección del sistema de protección y en la configuración de los dispositivos de protección. Como resultado, un estudio detallado de la línea aérea es necesario para determinar los relés de protección más apropiados. Generalmente, una línea con una longitud de hasta 80-100 km puede considerarse corta, aunque esto puede variar según el nivel de voltaje y las características de la red.
Aproximadamente el 90% de las fallas en líneas aéreas son transitorias. Las fallas se pueden categorizar de la siguiente manera:
Para tales fallas, puede ser necesario un viaje de polo único, permitiendo que la línea se restablezca inmediatamente después de que los interruptores de circuito se activen. Por lo tanto, los esquemas de viaje de polo único y recierre automático se utilizan comúnmente en interruptores de circuito asociados con líneas aéreas de transmisión (generalmente con un voltaje de 220 kV o superior). Cuando los interruptores de circuito interrumpen la corriente de falla, el arco de flashover se extingue y el aire ionizado se disipa. El recierre automático suele ser exitoso después de un retraso de solo unos pocos ciclos. Sin embargo, cuando se realiza trabajo energizado, los dispositivos de recierre automático en las líneas bajo trabajo deben estar configurados en modo de no recierre. Los interruptores de circuito utilizados en estas aplicaciones necesitan estar diseñados específicamente para manejar estas operaciones y ser inmunes a la inconsistencia de polos hasta que se emita una orden de viaje definitiva.
Protección Diferencial y de Comparación de Fase
La protección diferencial se basa en la ley de corriente de Kirchhoff. En el contexto de una línea de transmisión, funciona comparando la corriente que entra en la línea en un terminal con la corriente que sale de la línea en el otro terminal. Los relés diferenciales de línea en cada extremo de la línea de transmisión intercambian datos sobre la corriente de línea a través de un enlace de comunicación de fibra óptica. Este enlace se establece a menudo utilizando el cable de tierra óptico de alimentación (OPGW), que también se utiliza para el diseño de protección contra rayos de la línea aérea y contiene cables de fibra óptica dentro de su estructura. La figura 1 ilustra el diagrama del sistema de protección diferencial.
Figura 1 – Diagrama de Protección Diferencial de Línea Aérea
Otro sistema de relaying de protección para líneas de transmisión de alta tensión (HV), basado en el principio de protección diferencial y ahora empleado incluso para líneas de larga distancia, es la protección de comparación de fase.
Este sistema opera comparando el ángulo de fase entre las corrientes en los dos extremos de la línea protegida. En caso de fallas externas, la corriente que entra en la línea tiene el mismo ángulo de fase relativo que la corriente que sale de la línea. Como resultado, los relés de comparación de fase en cada terminal registran poco o ningún desfase. Por lo tanto, el sistema de protección permanece estable y no se produce un viaje. Por el contrario, durante una falla interna, la corriente fluye hacia la línea desde ambos extremos, causando un desfase de ángulo de fase que los relés de comparación de fase pueden detectar. Al identificar esta diferencia, los relés se activan para aislar y eliminar la falla.
En los esquemas de comparación de fase, los relés de arranque juegan un papel crucial. Estos relés inician el proceso de comparación de fase tan pronto como se detecta una condición de falla. Su diseño asegura la operación tanto para fallas internas como externas, proporcionando un monitoreo integral.
Para el funcionamiento efectivo de la protección de comparación de fase, es indispensable un canal de comunicación confiable. En aplicaciones modernas, los cables de fibra óptica integrados en los cables de tierra óptica (OPGW) se han convertido en la opción preferida para establecer este enlace de comunicación.
La figura 2 muestra el diagrama de una sola línea del sistema de equilibrio de voltaje Merz Price, que se utiliza para la protección de líneas trifásicas.
Protección de Comparación de Fase y Protección de Distancia
Protección de Comparación de Fase
Figura 2 – Diagrama de Protección de Comparación de Fase
En la protección de comparación de fase, se colocan estratégicamente transformadores de corriente (CT) idénticos en cada fase en ambos extremos de la línea de transmisión. Cada par de CT, uno en cada extremo de la línea, está conectado en serie con un relé. En condiciones normales y sin fallas, las tensiones secundarias generadas por estos CT son iguales en magnitud pero opuestas en dirección, equilibrándose mutuamente.
Durante el funcionamiento normal del sistema, la corriente que entra en la línea en un extremo coincide exactamente con la corriente que sale de ella en el otro extremo. Como resultado, se inducen tensiones iguales y opuestas en los secundarios de los CT en los dos terminales de la línea. Este equilibrio de tensión asegura que no fluya corriente a través de los relés, manteniendo la estabilidad del sistema de protección.
Sin embargo, cuando ocurre una falla en un punto como F en la línea, como se ilustra en la Figura 2, se interrumpe la distribución de la corriente. Específicamente, una corriente significativamente mayor fluirá a través de CT1 en comparación con CT2. Esta disparidad en la corriente hace que las tensiones secundarias de los CT sean desiguales. Como consecuencia, se establece una corriente circulante, que fluye a través de los cables piloto y los relés. En respuesta a este flujo de corriente, los interruptores de circuito en ambos extremos de la línea se activan para abrir, aislando rápidamente la línea defectuosa del resto del sistema de energía.
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Protección de Distancia
La protección de distancia se basa en relés de distancia, que miden la impedancia de una línea de transmisión analizando las señales de voltaje y corriente aplicadas a ellos. Cuando ocurre una falla en una línea, se producen dos cambios significativos: la corriente aumenta a un nivel mucho más alto y el voltaje cae bruscamente.
Dado que la impedancia de una línea de transmisión es directamente proporcional a su longitud, los relés de distancia están diseñados para medir la impedancia hasta un punto predeterminado conocido como el "punto de alcance". Estos relés, a menudo denominados relés de impedancia, calculan la impedancia usando la ley de Ohm, expresada por la fórmula Z = U/I, donde Z representa la impedancia, U es el voltaje y I es la corriente.
Los relés de distancia están diseñados para funcionar exclusivamente para fallas que ocurren entre la ubicación del relé y el punto de alcance seleccionado. Esta característica de diseño les permite distinguir eficazmente entre fallas en diferentes secciones de la línea. La impedancia aparente calculada por el relé se compara luego con la impedancia preestablecida del punto de alcance. Si la impedancia medida es menor que la impedancia del punto de alcance, se infiere que existe una falla en la línea entre el relé y el punto de alcance. Cuando la impedancia calculada está dentro del ajuste de alcance del relé, el relé se activa, iniciando la acción de protección.
Para garantizar una protección completa, los sistemas de protección de distancia se instalan en ambos extremos de la línea de transmisión, y se establece un enlace de comunicación entre estos puntos finales, como se muestra en la Figura 3. Esta comunicación permite la operación coordinada de los relés en cada extremo, mejorando la eficacia general del esquema de protección.
Rendimiento y Características de los Relés de Distancia
Figura 3 – Diagrama de Protección de Distancia de Línea Aérea
El rendimiento de los relés de distancia se evalúa principalmente en función de dos parámetros clave: precisión de alcance y tiempo de operación.
Precisión de Alcance
La precisión de alcance implica la comparación del alcance ohmico real de un relé de distancia en condiciones prácticas del mundo real con su valor ohmico preestablecido. Este métrico se ve significativamente influenciado por el nivel de voltaje aplicado al relé durante las condiciones de falla. Un voltaje más bajo o distorsionado puede llevar a inexactitudes en la impedancia medida, afectando la capacidad del relé para identificar correctamente la ubicación de una falla dentro de su alcance designado. Además, las técnicas de medición de impedancia utilizadas en diseños específicos de relés juegan un papel crucial. Diferentes algoritmos y configuraciones de hardware pueden producir niveles de precisión variables, lo que a su vez afecta la precisión general de alcance del relé.
Tiempo de Operación
El tiempo de operación de un relé de distancia es una cantidad variable que depende de múltiples factores. La magnitud de la corriente de falla tiene un efecto directo; corrientes de falla más altas pueden a veces causar una operación más rápida, mientras que corrientes más bajas podrían resultar en tiempos de respuesta más largos. La posición de la falla en relación con la configuración del relé también importa. Las fallas más cercanas a la fuente o dentro de cierta proximidad al relé pueden desencadenar una respuesta más rápida en comparación con las que están más lejos. Además, el punto en la onda de voltaje en el que ocurre la falla puede introducir variabilidad en el tiempo de operación.
Ciertos errores transitorios de señal de medición, que están asociados con las técnicas de medición específicas empleadas en el diseño de un relé, pueden complicar aún más las cosas. Por ejemplo, los errores generados por Transformadores de Voltaje Capacitivos (CVT) o Transformadores de Corriente saturados (CT) pueden retrasar significativamente la operación del relé, especialmente para fallas que ocurren cerca del punto de alcance. Estos errores transitorios pueden distorsionar las señales de voltaje y corriente, llevando a una mala interpretación de la impedancia y, por ende, a un retraso en la activación del relé.
Características de los Relés de Distancia
Las características de los relés de distancia, a menudo referidas como la forma de protección, se representan gráficamente como una función de la resistencia (R) e impedancia (X) de la línea en un diagrama R/X o de admitancia. Dos de las formas más típicas son la circular (características mho) y la cuadrilátera. Estas formas características se ilustran en las Figuras 10 y 11, respectivamente. Cada forma tiene sus propias ventajas y está diseñada para optimizar el rendimiento del relé bajo diferentes condiciones del sistema eléctrico, proporcionando un medio confiable para distinguir entre las condiciones de operación normales y las fallas reales dentro de la sección de línea protegida.
Figura 4 – Característica Mho
Características de los Relés de Distancia, Configuraciones de Alcance y Recierre
Figura 5 – Característica Cuadrilátera
El elemento de impedancia mho obtiene su nombre de su apariencia característica en un diagrama de admitancia, donde se manifiesta como una línea recta. Sin embargo, las características de impedancia poligonales, como la forma cuadrilátera, han ganado gran popularidad. Estas características ofrecen una flexibilidad notable para cubrir las impedancias de falla tanto de fase como de tierra. Esta adaptabilidad las ha convertido en la elección preferida para la mayoría de los relés de distancia modernos.
Los relés de distancia pueden configurarse con hasta cinco zonas distintas, algunas de las cuales están configuradas para medir la impedancia en la dirección inversa. Estas zonas de medición inversa sirven como protección de respaldo para las barras de bus. Cada zona está asociada con un tiempo específico de actuación para el relé, lo que permite una respuesta matizada y coordinada a las fallas que ocurren en diferentes ubicaciones dentro de la red eléctrica protegida.
Cuando los relés de distancia se instalan en ambos extremos de una línea de transmisión, sus tiempos de respuesta a una falla varían según la distancia del punto de falla (F) desde cada extremo de la línea. Por ejemplo, considere una línea aérea que conecta las Subestaciones A y B. El relé de distancia situado en la subestación más cercana al punto de falla F detectará la falla primero, y el correspondiente interruptor de circuito se activará antes que el de la otra subestación.
Para evitar que una falla de cortocircuito continúe recibiendo energía desde el extremo opuesto de la línea hasta que se active la protección de distancia relevante, es esencial un enlace de comunicación entre los relés de protección. Normalmente, esta comunicación se establece a través de cables de fibra óptica integrados en los cables de tierra óptica (OPGW). Esta configuración permite el corte simultáneo de ambos interruptores de circuito, asegurando una aislación rápida y efectiva de la sección defectuosa.
Es impráctico programar un relé de impedancia para medir con precisión la impedancia de la línea hasta el interruptor en el extremo remoto. Esto se debe a los errores inherentes e inexactitudes en componentes como los transformadores de corriente (CT), los transformadores de voltaje (VT), los propios relés, así como en los cálculos de la impedancia de la línea. Para tener en cuenta estas incertidumbres, el alcance del relé se configura para medir un valor de impedancia menor que la impedancia total correspondiente a la longitud total de la línea. Por ejemplo, configurar la Zona 1 para cubrir hasta el 85% de la impedancia de la línea es una práctica común y segura. El 15-20% restante sirve como margen de seguridad, evitando eficazmente que la protección de la Zona 1 se extienda más allá de la línea protegida debido a errores de medición e inexactitudes. Sin este margen, habría un riesgo de perder la capacidad de discriminar entre fallas en secciones de línea adyacentes, especialmente al tratar con esquemas de protección de rápida acción.
La calibración cuidadosa de las configuraciones de alcance y tiempos de corte para cada zona de medición es crucial para lograr una coordinación adecuada entre los relés de distancia en todo el sistema de energía. Este ajuste meticuloso asegura que las fallas se eliminen en el orden correcto, minimizando las interrupciones y manteniendo la estabilidad de la red eléctrica.
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Recierre
Como se discutió en la Sección 4.2, la mayoría de las fallas en líneas aéreas son asimétricas y transitorias. El recierre automático, una funcionalidad crítica en los sistemas de energía, se ejecuta mediante un relé de recierre automático. Este relé se activa por los dispositivos de protección de la línea aérea, como se ilustra en la Figura 6.
Recierre Automático en Sistemas de Energía
Figura 6 – Relé de Recierre Automático
La decisión de recerrar una línea eléctrica se ve influenciada por numerosos factores. La entrada y orientación de los equipos de planificación y operación son esenciales para determinar las mejores prácticas de recierre adaptadas a los requisitos específicos de una empresa de servicios públicos y su región. Consideraciones clave para el recierre a nivel de transmisión incluyen:
Consideraciones Principales
