Protección de Líneas Aéreas – Fallos e Dispositivos de Protección
Fallos Comúns nas Liñas Aéreas
As causas máis prevalentes de fallos nas liñas aéreas inclúen:
Artigo Relacionado: Protección de Transformadores de Potencia & Fallos
Dispositivos de Protección para Liñas Aéreas
A protección de sobreintensidade graduada no tempo é inefectiva para liñas de transmisión aérea de alta tensión (HV). Isto debe á presenza de múltiples fontes interconectadas de correntes de fallo, que poden estar restrinxidas por limitadores de corrente de fallo. Os requisitos clave para esquemas de protección en liñas de transmisión aérea de alta tensión son os seguintes:
Para cumprir estes requisitos, os seguintes dispositivos de protección son comúnmente utilizados en liñas aéreas de alta tensión:
A protección diferencial adoita aplicarse a liñas aéreas curtas, mentres que a protección de distancia é máis axeitada para liñas aéreas longas. A clasificación de liñas aéreas como curtas ou longas basea-se nunha comparación da indutancia, resistencia e capacitancia da liña. Unha liña considera-se curta cando a súa resistencia e capacitancia son insignificantes en comparación coa súa indutancia. Esta avaliación adoita realizarse utilizando o diagrama π da liña aérea.
Varios factores influíen na impedancia da liña, a súa resposta física a condicións de cortocircuito e a corrente de carga da liña. Estes inclúen o nivel de voltaxe, a construción física da liña de transmisión, o tipo e tamaño dos conductores, e o espaciamiento entre conductores. Ademais, o número de terminais da liña afecta ao fluxo de corrente de carga e de fallo, o cal o sistema de protección debe ter en conta. As liñas paralelas tamén afectan ao relevamento, xa que o acoplamento mutuo pode afectar á corrente de terra medida polos relés de protección. A presenza de transformadores ramificados ou dispositivos de compensación reactiva, como bancos de capacitores en serie ou reactores en paralelo, inflúe ademais na selección do sistema de protección e nas configuracións dos dispositivos de protección. Como resultado, un estudo detallado da liña aérea é necesario para determinar os relés de protección máis axeitados. Xeralmente, unha liña de ata 80 - 100 km pode considerarse curta, aínda que isto pode variar dependendo do nivel de voltaxe e as características da rede.
Aproximadamente o 90% dos fallos nas liñas aéreas son transitórios. Os fallos poden categorizarse como segue:
Para tales fallos, pode ser necesaria unha desconexión monopolar, permitindo que a liña sexa restabelecida inmediatamente despois de que os interruptores de circuito actúen. Consecuentemente, os esquemas de desconexión monopolar e recierre automático son comúnmente usados en interruptores de circuito asociados a liñas de transmisión aérea (xeralmente con un voltaxe de 220 kV ou superior). Cando os interruptores de circuito interrompen a corrente de fallo, o arco de flashover extingúese, e o aire ionizado disipa. O recierre automático xeralmente ten éxito despois dunha demora de só algúns ciclos. No entanto, cando se realiza traballo energizado, os dispositivos de recierre automático nas liñas en traballo deben configurarse en modo non recierre. Os interruptores de circuito usados nestas aplicacións deben estar deseñados especificamente para manexar estas operacións e ser inmunes á inconstancia do polo até que se emita unha orde definitiva de desconexión.
Protección Diferencial e Comparación de Fase
A protección diferencial basease na lei de corrente de Kirchhoff. No contexto dunha liña de transmisión, funciona comparando a corrente que entra na liña nun terminal coa corrente que sae da liña no outro terminal. Os relés de liña diferencial en cada extremo da liña de transmisión intercambian datos sobre a corrente da liña a través dunha ligazón de comunicación de fibra óptica. Esta ligazón adoita establecerse usando o cabo de terra óptico (OPGW), que tamén se usa para o deseño de protección contra raios da liña aérea e contén cabos de fibra óptica dentro da súa estrutura. A figura 1 ilustra o diagrama do sistema de protección diferencial.
Figura 1 – Diagrama de Protección Diferencial de Liña Aérea
Outro sistema de relevamento protexido para liñas de transmisión de alta tensión (HV), que está basado no principio de protección diferencial e agora empregado mesmo para liñas de gran lonxitude, é a protección de comparación de fase.
Este sistema funciona comparando o ángulo de fase entre as correntes nos dous extremos da liña protegida. En caso de fallos externos, a corrente que entra na liña ten o mesmo ángulo de fase relativo que a corrente que sai da liña. Como resultado, os relés de comparación de fase en cada terminal rexistran pouca ou nula diferenza de ángulo de fase. Consecuentemente, o sistema de protección permanece estable, e non ocorre ningún disparo. Ao contrario, durante un fallo interno, a corrente fluye cara a liña desde ambos os extremos, provocando unha disparidade de ángulo de fase que os relés de comparación de fase poden detectar. Ao identificar esta diferenza, os relés actúan para aislar e limpar o fallo.
Nos esquemas de comparación de fase, os relés de arranque teñen un papel crucial. Estes relés iniciam o proceso de comparación de fase tan pronto como se detecta unha condición de fallo. O seu deseño asegura a operación tanto para fallos internos como externos, proporcionando unha monitorización abrangente.
Para o funcionamento efectivo da protección de comparación de fase, é indispensable un canal de comunicación fiábel. Nas aplicacións modernas, os cabos de fibra óptica integrados dentro dos cabos de terra óptico (OPGW) son a opción preferida para establecer esta ligazón de comunicación.
A figura 2 representa o diagrama de liña simple do sistema de balance de voltaxes Merz Price, que se utiliza para a protección de liñas trifásicas.
Protección de Comparación de Fase e Protección de Distancia
Protección de Comparación de Fase
Figura 2 – Diagrama de Protección de Comparación de Fase
Na protección de comparación de fase, transformadores de corrente (TC) idénticos están estratégicamente posicionados en cada fase en ambos os extremos da liña de transmisión. Cada par de TC, un en cada extremo da liña, está conectado en serie con un relé. En condicións normais, sen fallos, as voltaxes secundarias xeradas por estes TC son iguais en magnitude pero opostas en dirección, equilibrándose eficazmente entre si.
Durante a operación do sistema en estado sano, a corrente que entra na liña nun extremo coincide precisamente coa corrente que sae dela no outro extremo. Como resultado, inducen voltaxes iguais e opostos nos secundarios dos TC nos dous terminais da liña. Este equilibrio de voltagens asegura que non circule corrente a través dos relés, mantendo a estabilidade do sistema de protección.
No entanto, cando ocorre un fallo nun punto como F na liña, como se ilustra na Figura 2, a distribución de corrente interrompe. Específicamente, fluirá unha corrente significativamente maior a través do TC1 en comparación co TC2. Esta disparidade de corrente fai que as voltaxes secundarias dos TC sexan desiguais. En consecuencia, estabelece unha corrente de circulación, que fluye a través dos fios piloto e os relés. En resposta a este flujo de corrente, os interruptores de circuito en ambos os extremos da liña son activados para abrir, aíslando rapidamente a liña defectuosa do resto do sistema de potencia.
Tamén lea: Protección Primaria e Secundaria ou de Reserva nun Sistema de Potencia
Protección de Distancia
A protección de distancia basease en relés de distancia, que miden a impedancia dunha liña de transmisión analizando as señais de voltagen e corrente aplicadas a eles. Cando ocorre un fallo nunha liña, dánse dous cambios significativos: a corrente aumenta a un nivel moito máis alto, e a voltagen cae precipitadamente.
Dado que a impedancia dunha liña de transmisión é directamente proporcional á súa lonxitude, os relés de distancia están deseñados para medir a impedancia ata un punto predeterminado coñecido como o "punto de alcance". Estes relés, a miúdo chamados relés de impedancia, calculan a impedancia usando a lei de Ohm, expresada pola fórmula Z = U/I, onde Z representa a impedancia, U a voltagen, e I a corrente.
Os relés de distancia están deseñados para operar exclusivamente para fallos que ocorran entre a localización do relé e o punto de alcance seleccionado. Esta característica de deseño permite que distingan eficazmente entre fallos en diferentes seccións da liña. A impedancia aparente calculada polo relé compárase coa impedancia predeterminada do punto de alcance. Se a impedancia medida é menor que a impedancia do punto de alcance, inférrese que existe un fallo na liña entre o relé e o punto de alcance. Cando a impedancia calculada cae dentro do alcance de configuración do relé, o relé activa, iniciando a acción protectora.
Para asegurar unha protección abrangente, os sistemas de protección de distancia instálanse en ambos os extremos da liña de transmisión, e estabeleceuse unha ligazón de comunicación entre estes puntos finais, como se ilustra na Figura 3. Esta comunicación permite a operación coordinada dos relés en cada extremo, mellorando a efectividade global do esquema de protección.
Rendemento e Características dos Relés de Distancia
Figura 3 – Diagrama de Protección de Distancia de Liña Aérea
O rendemento dos relés de distancia evalúase principalmente en función de dous parámetros clave: a precisión do alcance e o tempo de operación.
Precisión do Alcance
A precisión do alcance implica comparar o alcance ohmico real dun relé de distancia en condicións prácticas do mundo real co seu valor ohmico predeterminado. Este indicador está significativamente influenciado polo nivel de voltagen aplicado ao relé durante as condicións de fallo. Unha voltagen inferior ou distorsionada pode levar a inexactitudes na impedancia medida, afectando a capacidade do relé para identificar correctamente a localización dun fallo dentro do seu alcance designado. Ademais, as técnicas de medición de impedancia utilizadas en diseños específicos de relés desempeñan un papel crucial. Diferentes algoritmos e configuracións de hardware poden producir niveis variables de precisión, impactando así a precisión global do alcance do relé.
Tempo de Operación
O tempo de operación dun relé de distancia é unha cantidade variable que depende de múltiples factores. A magnitud da corrente de fallo ten un efecto directo; correntes de fallo máis altas poden, ás veces, causar unha operación máis rápida, mentres que correntes máis baixas poden resultar en tempos de resposta máis largos. A posición do fallo en relación coa configuración do relé tamén importa. Fallos máis próximos á fonte ou dentro de certa proximidade ao relé poden activar unha resposta máis rápida en comparación cos que están máis afastados. Ademais, o punto na onda de voltagen no que ocorre o fallo pode introducir variabilidade no tempo de operación.
Certos erros transitórios de sinais de medición, que están asociados con as técnicas específicas de medición empregadas no deseño dun relé, poden complicar a situación. Por exemplo, os erros xerados por transformadores de voltagen de capacitor (CVT) ou transformadores de corrente saturados (TC) poden retardar significativamente a operación do relé, especialmente para fallos que ocorren cerca do punto de alcance. Estes erros transitórios poden distorsionar as señais de voltagen e corrente, levando a unha interpretación errónea da impedancia e, en consecuencia, a un retardo na activación do relé.
Características dos Relés de Distancia
As características dos relés de distancia, a miúdo denominadas a forma de protección, representanse graficamente como unha función da resistencia (R) e a impedancia (X) da liña nun diagrama R/X ou de admitancia. Duas das formas máis típicas son a circular (características mho) e a cuadrilátera. Estas formas características ilustranse nas Figuras 10 e 11, respectivamente. Cada forma ten as súas propias vantaxes e está deseñada para optimizar o rendemento do relé en diferentes condicións do sistema eléctrico, proporcionando un medio confiable para distinguir entre as condicións normais de operación e os verdadeiros fallos dentro da sección da liña protegida.
Figura 4 – Característica mho
Características, Configuracións de Alcance e Recierre dos Relés de Distancia
Figura 5 – Característica Cuadrilátera
O elemento de impedancia mho debe o seu nome á súa aparición característica nun diagrama de admitancia, onde se manifesta como unha liña recta. No entanto, as características de impedancia poligonais, como a forma cuadrilátera, gañaron significativa popularidade. Estas características ofrecen unha adaptabilidade remarcable para cubrir impedancias de fallos tanto de fase como de terra. Esta versatilidade as converteu na opción preferida para a maioría dos relés de distancia modernos.
Os relés de distancia poden configurarse con ata cinco zonas distintas, algúns das cales están configuradas para medir a impedancia en dirección inversa. Estas zonas de medición inversa serven como protección de reserva para as barras. Cada zona está asociada cun tempo específico de actuación para o relé, permitindo unha resposta matizada e coordinada a fallos que ocorren en diferentes ubicacións dentro da rede eléctrica protegida.
Cando os relés de distancia están instalados en ambos os extremos dunha liña de transmisión, os seus tempos de resposta a un fallo varían dependendo da distancia do punto de fallo (F) desde cada extremo da liña. Por exemplo, considérese unha liña aérea que conecta as subestacións A e B. O relé de distancia situado na subestación máis próxima ao punto de fallo F detectará o fallo primeiro, e o correspondente interruptor de circuito saltará antes do que o da outra subestación.
Para evitar que un fallo de cortocircuito continue recibindo potencia desde o extremo oposto da liña ata que a protección de distancia relevante se active, é esencial unha ligazón de comunicación entre os relés de protección. Xeralmente, esta comunicación estabelece mediante cabos de fibra óptica integrados nos cabos de terra óptico (OPGW). Esta configuración permite o salto simultáneo de ambos os interruptores de circuito, asegurando unha isolación rápida e eficaz da sección defectuosa.
Non é práctico programar un relé de impedancia para medir precisamente a impedancia da liña ata o interruptor no extremo remoto. Isto debe a erros e inexactitudes inherentes en componentes como transformadores de corrente (TC), transformadores de voltagen (TV), os próprios relés, así como nos cálculos da impedancia da liña. Para ter en conta estas incertezas, o alcance do relé configúrase para medir un valor de impedancia menor que a impedancia total correspondente á lonxitude completa da liña. Por exemplo, configurar a Zona 1 para cubrir ata o 85% da impedancia da liña é unha práctica común e segura. O 15-20% restante serve como unha margen de seguridade, evitando eficazmente que a protección da Zona 1 supere a liña protegida debido a erros e inexactitudes de medición. Sen esta margen, haxa un risco de perder a capacidade de discriminar entre fallos en seccións adxacentes da liña, especialmente cando se trata de esquemas de protección de acción rápida.
Unha calibración cuidadosa das configuracións de alcance e tempos de salto para cada zona de medición é crucial para lograr unha coordinación adecuada entre os relés de distancia a lo largo do sistema de potencia. Esta axuste meticuloso asegura que os fallos se limpen na secuencia correcta, minimizando as interrupcións e mantendo a estabilidade da rede eléctrica.
Leitura Relacionada: Introdución aos Armónicos – Efecto dos Armónicos no Sistema de Potencia
Recierre
Como se discutió na Sección 4.2, a maioría dos fallos nas liñas aéreas son asimétricos e transitórios. O recierre automático, unha funcionalidade crítica nos sistemas de potencia, execútase por un relé de recierre automático. Este relé activase polos dispositivos de protección da liña aérea, como se ilustra na Figura 6.
Recierre Automático en Sistemas de Potencia
Figura 6 – Relé de Recierre Automático
A decisión de recerrar unha liña eléctrica está influenciada por numerosos factores. As entradas e orientacións dos equipos de planificación e operación son esenciais para determinar as prácticas de recierre máis axeitadas adaptadas aos requisitos específicos dunha empresa de utilidades e a súa rexión. Consideracións clave para o recierre a nivel de transmisión inclúen:
Consideracións Principais
