6.- Esquemas de teleprotección
6.1 Introducción Introducción La teleprotección (TLP) usada en líneas, posibilita alcanzar la meta ideal de la
detección simultánea a alta velocidad de las fallas entre fases y a tierra para el 100% de la sección protegida. La teleprotección es en cierto modo, un tipo de protección diferencial ya que se compara información de ambas terminales usando un canal de comunicación. Al igual que los esquemas diferenciales, la TLP proporciona una zona primaria de protección y no provee respaldo, por eso eso no requiere coordinación coordinación con los los esquemas esquemas de protección adyacentes. adyacentes. Aunque las ideas de aplicación de las teleprotecciones son antiguas, se ha generalizado su uso a partir del avance de las compuertas lógicas de estado sólido por ser más versátiles y rápidas que usando contactos electromecánicos.
6.2 Tipos de esquemas de teleprotección
a) Por el tipo de canal empleado en al a l TLP 1.
Hilos pilotos: Un par de alambres trenzados para transmitir voltajes de C.D. o C.A. de 60 Hz originalmente se usaron hilos rentados a las compañías telefónicas.
2.
Tonos de Audiofrecuencia: Tipo On – On – Off Off o por cambio de frecuencia transmitidos transmiti dos sobre pares de hilos, carrier o microondas
3.
Onda portadora en en línea de alta tensión (Oplat (Oplat o Carrier): Radio frecuencias entre los 30 y 300 KHz, On-Off o cambio de tono.
4.
Microondas: Una señal de radio entre 2 y 12 GHz transmitida a línea de vista entre terminales.
5.
Fibras Ópticas: Señales transmitidas por modulación de luz a través de un cable no conductor de electricidad colocado en el interior del hilo de guarda. Se elimina el problema problema de inducción, ruido y aislamiento. aislamiento.
b) Por el uso del canal: 1. No se requiere el canal para disparar; se conocen como esquemas de bloqueo. 2. Canal requerido para disparar; conocidos como sistemas de disparo transferido. c) Por el principio detector de la falla: 3. Por el sentido del flujo de potencia; conocidos como comparación direccional. 4. Por el ángulo de fase entre las corrientes: conocidos como comparación de fase. 5. Por la onda viajera que genera la falla: Este es un sistema relativamente nuevo ultrarrápido que se aplicado en líneas de EHT Un esquema particular puede ser descrito descr ito por una combinación combinación de estas dos categorías. Página 1 de 17
Los esquemas de teleprotección de mayor uso son: A.-Sistemas de comparación direccional 1. Comparación direccional bloqueando 2. Comparación direccional desbloqueando 3. Disparo transferido con sobrealcance (POTT) 4. Disparo transferido con bajo alcance (PUTT) a.- Directo b.- Con permisivo. B.- Sistemas de comparación de fase. Hilo piloto 1. Comparación monofásica; bloqueando. 2. Comparación de dos fases: desbloqueando. 3. Comparación de dos fases: transfiriendo disparo. 4. Comparación de fase segregada.
A continuación se dará una explicación de cada uno de estos esquemas.
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6.3 Aplicación Comparación direccional bloqueando:
Este es el tipo mas viejo, usado desde 1930,s y aún se usa, es el sistema mas versátil y flexible, especialmente aplicable para líneas multiterminales. En general, para detectar la dirección de la falla se usa la zona 2 de los 21,s de fase, en ciertos casos también se puede usar la propiedad direccional del 67N. En condiciones normales sin falla, no se transmite señal, solo se transmite cuando se desea bloquear un disparo, esto sucede cuando se detecta que la falla está fuera del segmento protegido, la lógica de envío es que se active la zona 3 (reversa) y no se tenga activada la zona 2.
Para fallas internas, (ver siguiente figura) la operación de la zona 2 (extremo 2) impide que se genere la señal de bloqueo y en el extremo 1 al no recibirse dicha señal combinado con la operación de zona 2, produce disparo sin demora. Este esquema se usa cuando no se tiene mucha confianza en el canal de comunicación (oplat) y no se desea fallar en proteger una línea importante.
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Usualmente se usa como canal el Oplat con sistema On-Off, el cual se ilustra en la siguiente figura 13.7
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Comparación direccional desbloqueando:
Usualmente se usa como canal el Oplat con el sistema de cambio de tono. Una señal de RF se transmite continuamente en uno de dos modos conocidos como: tono de bloqueo y tono de desbloqueo desplazados 1 KHz de la radiofrecuencia usada. La señal de bloqueo se transmite continuamente. Para fallas internas, los relés de protección cambian la señal de bloqueo a desbloqueo para permitir a los relevadores disparar instantáneamente. Para falla externa uno de los extremos no ve la falla y continúa enviando la señal de bloqueo que previene el disparo acelerado de la otra terminal. Este tipo de canal es monitoreado continuamente lo cual no es posible con el sistema anterior On-Off, si por alguna razón se pierde la señal de desbloqueo, se puede hacer que se bloquee la TLP y se genere una alarma o permitir el disparo durante una pequeña ventana de tiempo coincidente con protección local operada, como se explica en la siguiente figura.
Explicación del diagrama anterior: En condiciones normales continuamente se recibe la se ñal de guarda que nos indica que el canal de comunicación esta sano LG=0 como no se tiene falla interna SR=0 y las salidas A=0, B=0, también C=0, D=0 y no se tendrá el permisivo de disparo Rx. Página 5 de 17
Si ocurre una falla grande por ejemplo que la línea caiga al suelo se va a perder la señal de guarda LG=1 y no se va a recibir la señal de disparo SR=0 (porque no hay canal de comunicación) y las salidas A=1, B=0. El 1 ap licado al Timer produce un 0 durante 150 ms, el cero que sale del T imer entra a C negado y combinado con LG=1 van a producir un 1 a la salida de C es decir un permisivo de disparo que combinado con la protección local en zona 2 puede abrir el interruptor. En resumen, la perdida del ca nal permite disparo instantáneo durante 150 ms. En caso de que ocurra una falla interna en la línea que no afecte el canal de comunicación se tendrá LG=1, SR=1, y las salidas A=0, B=1, co mo la salida del Timer es cero, al entrar a D en forma negada, en combinación con B=1 se tendrá D=1 es decir un permisivo de disparo.
Disparo transferido con sobrealcance (POTT):
No se recomienda el uso del canal Oplat para este sistema ya que una señal debe recibirse del otro extremo para disparar y si la línea esta en corto por una falla no se recibirá la señal de disparo por lo que este sistema se usa normalmente con fibra óptica. Para monitorear la integridad del canal continuamente se envía una señal que después genera un reporte de comunicaciones. Si se pierde el canal por 150msg, se bloquea la TLP y se genera una alarma. Este sistema se llama permisivo ya que además de recibirse la señal de disparo del extremo remoto, la falla debe ser detectada por los relevadores locales 21en Z2 (o 67N) y se llama de sobrealcance ya que la zona 2 cubre más allá del 100% de la línea
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Como ventajas del esquema POTT se puede decir que: Presenta la ventaja de tener buena cobertura de fallas con alta resistencia de arco (por usar la Z2) por lo que es empleado en líneas cortas como de distribución de 115 kv y que es mas rápido que el PUTT Como desventajas de este esquema se puede decir que requiere doble canal de comunicación, y que al menos teóricamente es menos seguro que el PUTT ya que el canal se activa con fallas externas. Función Eco por Interruptor Abierto: Para los casos donde una terminal se encuentra abierta se puede usar la lógica “Eco” la cual, cuando se encuentra abierto un interruptor (CB open) y se recibe señal Rx del otro extremo, automáticamente regresa la señal Tx para acelerar el disparo en el otro extremo como se aprecia en el siguiente diagrama:
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Función Eco por Weak Infeed:
Para los casos en que se tiene un extremo con baja aportación de corriente conocido como Weak Infeed se puede usar la lógica de apertura “Eco por WI” la cual consiste en que: 1. Ocurre una falla en la región de zona 1, pero por no haber aportación de corriente (extremo derecho, débil) no opera ninguna de las zonas 1, 2 o 3.
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1. Si la falla estuviera atrás la detectaría la zona 4 (la cual mira en reversa) con la corriente que proporciona el extremo fuerte, pero como la falla no está atrás, tampoco opera la Z4 2. Esto se aprovecha para que la zona 4 negada mas recepción Rx, le regresa la señal Tx automáticamente para acelerar el disparo en el extremo fuerte como se aprecia en el siguiente diagrama: Nota: En algunos relevadores la zona que ve en reversa es la zona 3, en general esto puede ser configurable por el usuario. Función Current Reversal
En los casos donde existen líneas paralelas después que se presenta una falla y uno de los interruptores abre, se pr esenta una inversión de corrientes llamada “Current Reversal” que puede originar que la función POTT mande un disparo en falso, para evitar esto, se le debe dar un retardo de tiempo a la señal de apertura y/o utilizar la zona 4 como bloqueo de disparo, como se muestra en las siguientes dos figuras:
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Disparo transferido con bajo alcance (PUTT)
Este sistema es similar al POTT solo que, para detectar la falla, se apoya en los 21,s de fase y tierra en zona 1 de ahí el nombre de bajo alcance ya que la zona 1 de un extremo no cubre la totalidad de la línea pero combinadas las zonas 1 de ambos extremos, si la cubren. No se usa el 67N ya que no es posible ajustarlo a una distancia fija y no se desea que vea más allá de la línea. Los canales requeridos son los mismos que para los sistemas POTT o sea fibra óptica ya que deben ser muy confiables. PUTT directo o DTD:
Para fallas internas en el área de traslape, se tiene disparo incondicional al recibir la señal remota, es decir, no requieren permiso de otra protección. Este sistema requiere un canal de alta seguridad, el ruido o transitorios puede producir operaciones incorrectas. Ventajas: Libramiento instantáneo de todas las fallas a lo largo de la línea de transmisión, este esquema puede ser ventajoso en líneas de tres terminales. Desventajas: Se regresa al sistema básico si el canal falla o si uno de los interruptores se encuentra abierto o si se tiene un extremo débil (baja contribución de corriente de falla).
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PUTT (normal):
Para disparar el interruptor se requiere, además de la recepción de la señal del extremo remoto, que los 21,s vean la falla en Z2.
Ventajas del esquema PUTT: Solo requiere un canal de comunicación y el esquema es muy seguro ya que solo se activa cuando opera la zona1 Desventajas del esquema PUTT: La decisión de disparo de la zona 1 es relativamente lenta, las fallas con alta resistencia de arco pueden ser no-detectadas por la zona 1 especialmente si la línea es corta, a causa de esto, este esquema es preferido en
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líneas largas de transmisión (de 230 kv). Si el canal falla, solo opera el esquema básico, también si un interruptor se encuentra abierto o si hay muy baja (o nula) contribución de corriente de su lado (donde no alcanza a operar la protección de distancia).
Sistemas de Comparación de Fase
Este sistema está basado en comparar el ángulo de fase entre las corrientes primarias en ambos lados de la línea. Si ambas corrientes esta esencialmente en fase, no hay falla en la sección protegida. Si estas dos corrientes están esencialmente 180 ˚ fuera de fase hay falla dentro de la línea. Se usa ampliamente en líneas cortas fue desarrollado entre 1936 y 1938 por el Dr E. L. Harder quien concibió que un voltaje monofásico de la forma:
VF = k 1 I1 + k 0 I0 Aparecía en todas las fallas y podría usarse en protecciones. Para obtener V F basta conectar las tres corrientes y el neutro a un filtro de secuencia. Otro diseño posterior fue:
VF = k 1 I1 + k 2 I2 + k 0 I0 Donde k1, k2, k0 son factores ajustables por medio de taps en la red de secuencia. El voltaje de un extremo es comparado con el voltaje del extremo remoto. El circuito básico se muestra en la siguiente figura donde se usa un par de hilos tipo telefónico como canal. Para fallas externas resulta una corriente circulante con la mayor parte pasando por las bobinas de restricción y muy poca por la bobina de operación.
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Para fallas internas se invierte la fase del voltaje en un extremo, quedando los voltajes en oposición limitando así la corriente que viaja por el hilo piloto pero aumentando la que pasa por las bobinas de operación. En consecuencia este sistema provee protección simultánea de alta velocidad en un amplio rango de magnitudes de corriente para ambos tipos de fallas, fases y tierra. Nótese que esta protección es del tipo diferencial basando su operación en la corriente total de falla y del tipo comparación de fase a 60 Hz.
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Comparación de fase con audiotonos o fibra óptica
El sistema anterior basado solo en corrientes que producen un voltaje monofásico para representar todo tipo de fallas extendió su uso para la protección de líneas largas en los 1940,s. Un sistema típico usa VF de la ec (2) pasándolo a través de un amplificador que produce ondas cuadradas que serán transmitidas y comparadas en la terminal remota Por seguridad se utilizan dos detectores de nivel de falla FD1T y FD1S ver fig. 13.6, ambos sobrealcanzando tal que operen para todas las fallas internas de fase y tierra, normalmente estas son unidades operadas por corriente y a veces pueden estar operadas con la corriente de carga. Las unidades S son más sensitivas que las unidades T. Para detectar fallas entre fases se usan 21,s de fase lo que significa que el sistema se alimenta ahora también con voltajes. El amplificador produce ondas cuadradas a 60Hz que son máximas en la media onda positiva y cero en la media onda negativa Para fallas externas las ondas cuadradas de ambos extremos están en fase y al compararlas (negando o invirtiendo una de ellas) el resultado es cerca de cero, los picos o coincidencias menores que 4 ms no producen un disparo. Se provee un retardo de tiempo a las señales locales para compensar diferencias y tiempos de canal. Para fallas internas, los detectores de falla en ambas terminales operan, las ondas cuadradas del extremo H se invierten 180° en su ángulo de fase y al compararlas con la señal local de los relevadores del extremo G se encuentra que están esencialmente en fase produciendo una salida positiva en la compuerta G2 y después de 4 ms una salida de disparo El caso real es que las dos corrientes de falla entrando a la línea no están exactamente desfasadas 180° (debido a las corrientes de carga en las fases sanas) pero este sistema funciona bien con tolerancia hasta de 90° lo cual equivale a 4 ms en sistemas de 60 Hz . Este sistema puede ser usando en canales Oplat tipo On-Off . Este sistema solo compara la media onda positiva, si la falla ocurre en la parte negativa, el disparo tendrá que esperar al siguiente medio ciclo. Esto se evita con un sistema igual que supervise los ciclos negativos y un canal separado. Esto se llama comparación dual de fase. Los sistemas de comparación de fase son los preferidos para proteger líneas de transmisión con capacitores serie (Línea Mazatlán-Durango) ya que la reactancia de estas líneas varía bastante con la entrada y salida de los capacitores serie lo cual afecta el Página 14 de 17
alcance de la protección de distancia. Se tiene experiencia de sistemas de comparación dual de fase con expedientes de operación favorables.
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Sistemas segregados de comparación de fase
Al conmutar los capacitores serie de las líneas se ocasionan transitorios de voltajes y corrientes, las componentes armónicas pueden ser muy severas los que pude ocasionar que los circuitos basados en corriente, encargados de proporcionar el voltaje de operación pueden proporcionar información incorrecta debido a la distorsionada onda de corriente de falla. Básicamente, estas redes se tienen que sintonizar a la frecuencia fundamental para descartar el ruido. En estos casos es mejor usar un sistema de comparación individual de fases en lugar de comparar un voltaje monofásico proveniente de las tres fases ya que el voltaje derivado de una corriente individual es independiente de la frecuencia y forma de onda, la desventaja es que se requiere un canal para cada variable que se va a comparar. Los sistemas más comunes son: 1.- Comparar IA – IB en un canal y 3I0 en otro canal 2.- Comparar cada corriente de fase IA, IB, IC en ambas terminales mediante 3 canales Las ondas cuadradas de corriente se comparan básicamente igual como se describió en la sección anterior. Conclusiones:
Si lo que se desea es seguridad, el esquema PUTT basado en la zona 1 es lo mejor ya que (la zona 1) verifica muchas cosas antes de tomar la decisión de disparo, detectores de falla, dirección, alcance, etc. Si lo que se desea es rapidez, el esquema POTT basado en la zona 2 es más rápido que la zona 1 ya que no verifica tantas cosas sino básicamente dirección, cubre mas fallas con resistencia de arco y acepta funciones Eco. Si se tiene una línea muy importante pero el canal de comunicación es ruidoso, poco confiable, lo mejor es usar un esquema de comparación direccional bloqueando o desbloqueando. La protección direccional de distancia es la protección mas usada en el mundo para proteger líneas, pero tiene problemas de ajustes y aplicación con líneas que tienen capacitores serie. En estos casos se prefiere utilizar un esquema de comparación de fase y/o diferencial de línea ya que son inmunes a estos problemas.
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Los relevadores de distancia modernos traen facilidades para implementar los sistemas POTT, funciones de bloqueo, Eco por interruptor abierto, por Weak Infeed, etc. A estas combinaciones se les ha llamado POTT Hibrido.
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