Proteccin de sobrecorriente

De tiempo inverso e instantneo de sistemas de distribucin

El ngulo de lneas trifsicas

El ngulo de la impedancia en serie + de una lnea trifsica vara con:

El tipo, tamao y espaciamiento de conductores

El espaciamiento depende en parte del voltaje nominal

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Filosofa de proteccin

La filosofa de proteccin en sistemas de distribucin considera que: Todas las fallas deben ser detectadas y removidas

rpidamente por seguridad y para evitar mayor dao Para fallas permanentes se debera desconectar la

menor parte del circuito o cantidad de consumidores Para fallas permanentes en ramales no se debera

perder el servicio en la troncal Para remover fallas temporales se debe instalar

equipos de desconexin y reconexin automtica (fallas temporales son 70- 80% en lneas de distribucin)

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Seccionamiento en distribucin

Para cumplir con la filosofa de proteccin en distribucin radial se emplea seccionamiento con Fusibles: de expulsin, no expulsin y limitadores de

corriente Seccionadores automticos Reconectadores automticos de circuitos (< 400 MVA) Interruptores de potencia(CB) con rels de reconexin

En la proteccin de subtransmisin se mezclan y complementan conceptos De la filosofa de proteccin de distribucin radial con

la de filosofa de transmisin en red o mallas

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Intervalo de Coordinacin

El Intervalo de Tiempo de Coordinacin (CTI) es La diferencia de tiempo de operacin entre un equipo

de proteccin y el equipo que lo respalda (back up)

El intervalo CTI se debera obtener entre las curvas instantneas y entre las curvas de tiempo inverso

Se considera aceptable un CTI entre 0.2 y 0.5 segundos, se usa generalmente 0.3 segundos

El equipo de proteccin que lo respalda Se instala inmediatamente aguas arriba, hacia la

fuente de corriente de falla El equipo protector mas cercano debe incluir en su

zona de proteccin al equipo respaldado

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Clculo de corrientes

Mximas y Mnimas

De Carga y de Falla

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Proteccin tpica de una lnea radial

Proteccin tpica de sobrecorriente ubicada en un solo extremo de una lnea radial, con una sola fuente de energa

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Proteccin de sobre corriente de fase y de tierra con elementos instantneos cuando se requiera

Proteccin de sobre corriente de fase y de tierra con elementos instantneos cuando se requiera

Se asume una mnima contribucin de la carga a la corriente de falla

Proteccin de una sistema en malla

Proteccin tpica direccional ubicadas en ambos terminales de una lnea, debido a la presencias de dos fuente de energa

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Figura 12.30. Proteccin tpica direccional de una lnea en malla, con rels de equipos proteccion en ambos extremos de la linea.

Zonas de proteccin

Corrientes que deben ser calculadas para una coordinacin de protecciones direccional

N N1 F1

IF2 Corriente de Falla Mxima y Mnima en zona de respaldo de 5

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F

Zona primaria de proteccin para rels de

breaker 5

Zona primaria de proteccin

para rels de breaker 7

Falla Mxima cercana

Falla Mxima y Mnima en la barra lejana

Falla Mxima en la barra cercana

Falla Mnima en al final de la lnea

Corriente de carga Mxima en lnea entre 5 y 6 Corriente de carga desbalanceada Mxima a tierra

Zona de proteccin respaldo de de rels de breaker 7

Informacin requerida

Datos que deben ser conocidos o calculados para una coordinacin de protecciones

Deben ser referidos a una misma base de corriente

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Calculados De grficos log-log

Caractersticas de tiempo de proteccin

Caractersticas de proteccin direccionales con retardo de tiempo en un sistemas en mallas

Estos equipos de proteccin son de tiempo inverso y direccionales

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Sistema de transmisin

Equipos de proteccin de tiempo inverso

Los equipos de proteccin de tiempo inverso Discriminan la ubicacin de la falla por tiempo de

duracin y por magnitud de corriente de falla

La mnima corriente de operacin (pick up) de un equipo de proteccin de tiempo inverso es establecida en 1. 1.0 a 1.5 veces la corriente mxima de carga en

estado de emergencia de una hora o mas de duracin y

2. Debe ser igual a la corriente mnima de falla que se presenta en su zona de proteccin

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Rels de tiempo inverso

La mnima corriente de operacin (pick up) de un rel de fase de tiempo inverso es igual a 1.25 a 1.5 veces la corriente mxima de carga en estado de

emergencia de una hora o mas de duracin y tres veces la corriente nominal de l mayor un fusible protegido aguas abajo

Los rel de fase de tiempo en extremo inverso (EI) Coordinan mejor con fusibles y curvas de tiempos de arranques

de motores

La mnima corriente de operacin (pick up) de un rel de tierra de tiempo inverso se establece igual o mayor a Al 30-40% de la corriente de lnea o igual a la corriente mxima

desbalanceada (residual) de carga en emergencia de una hora o mas de duracin

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Rels de tiempo inverso

Dos rels TMS=TD = Ajuste de multiplicador de tiempo (Time Multiplier Setting=Time Dial)

Fig. 9.3. Rels de tiempo inverso con diferentes ajustes de corriente y de tiempo

Rel A Rel B

Rel A Rel B

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Los rels A y B son del mismo tipo de caractersticas de tiempo inverso

Rels de tiempo inverso

Rels IDMT de varios tipos: SI, VI y EI TMS =TD = Ajuste de multiplicador de tiempo (Time Multiplier Setting) .TMS=1

Fig. 9.4. Rels de tiempo inverso con iguales ajustes de corriente y de tiempo

Mltiplos de corriente

IDMT = Tiempo Inverso con tiempo Mnimo Definido (Inverse Definite Minimun Time)

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Estos rels a partir de grandes corrientes, donde terminan las curvas , operan en tiempo definido. Estos varan segn el tipo y el TMS

Rels de tiempo estndar inverso (SI)

Rels IDMT inverso estndar (SI) TMS = Ajuste de multiplicador de tiempo (Time Multiplier Setting) . TMS de 0.1 a 1.0 en escala logartmica

Fig. 9.6. Rels SI de tiempo inverso con iguales ajuste de corriente y diferentes ajustes tiempo

IDMT = Tiempo Inverso con tiempo Mnimo Definido (Inverse Definite Minimun Time)

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SI = Tipo Inverso estndar

TMS= TD

Mltiplos de corriente de pick up

Estos rels a partir de grandes corrientes, donde terminan las curvas , operan en tiempo definido. Estos varan segn el tipo y el TMS

Rels de tiempo inverso con elemento instantneo

Los rels de tiempo inverso pueden incluir un elemento de desconexin instantnea Ajustable para las mas altas corrientes de falla

Los rels mas cercanos a la falla pueden incluir el elemento de peroracin instantnea

La coordinacin entre el protector y el protegido que incluye el elemento instantneo se limita a La corriente instantnea seleccionada en el protegido

y no a la corriente mxima de falla que atraviesa ambos

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Rels de tiempo inverso con elemento instantneo

Rels inverso IDMT con elemento instantneo TMS = Ajuste de multiplicador de tiempo (Time Multiplier Setting) . TMS de 0.1 a 1.0

Fig. 9.7. Rels de tiempo inverso con diferentes ajustes de corrientes instantneas

IDMT = Tiempo Inverso con t Mnimo Definido (Inverse Definite Minimun Time)

3000 A.

IS de R3 IS de R2

IS = Ajuste de corriente del elemento instantneo

IS de R1

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Comparacin de Rels de tiempo inverso SI con VI

Comparacin de Rels de tiempo inverso estndar (SI) con muy inverso (VI), las curvas se cruzan

Fig. 9.8. Rels de tiempo inverso con igual corriente mnima de operacin, tipos SI y VI

3000 A.

IS de R3 IS de R2 IS de R1

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Estos rels a partir de grandes corrientes, donde terminan las curvas , operan en tiempo definido. Estos varan segn el tipo y el TMS

Rels de tiempo inverso del tipo VI

En los rels de tiempo del tipo muy inverso (VI), las curvas casi duplican su tiempo de operacin (7/4 segundos) al reducir la corriente en relacin de magnitudes de 7 a 4 mltiplos de la corriente mnima de operacin

Este tipo de curva del rel (VI ) permite el uso de varios rels de tiempo (VI) para el mismo ajuste (setting) del multiplicador de tiempo (TMS= TD)

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Rels de tiempo inverso del tipo EI

En los rels de tiempo del tipo en extremo inverso (EI), las curvas de tiempo de operacin son funcin del cuadrado de la corriente

Este tipo de curva del rel (EI) permite en general un mayor rango de coordinacin con fusibles y con reconectadores

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Comparacin de Rels de tiempo inverso de varios tipos

Comparacin de Rels de tiempo inverso estndar con muy inverso , con extremo inverso y con un fusible de 200 A.

Fig. 9.9. Rels de tiempo inverso de diferentes tipos SI , VI , EI y un fusible

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 22

Fig. 9.8. Rels de tiempo inverso con igual corriente mnima de operacin, tipos SI , VI y EI

Error integral de un rel inverso

Limites de error integral de un rel inverso estndar, IDMT

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A menores corrientes la variabilidad y magnitud de los errores es mayor.

Margen de coordinacin entre rels

El intervalo o margen de coordinacin mnimo de tiempo (CTI= grading margin) empleados en la prctica entre diferentes tecnologas de rels son

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Margen de coordinacin entre fusible y rel

El intervalo o margen de coordinacin mnimo (CTI= grading margin) empleado en la prctica entre rels y fusibles es un valor fijo de 0.4

El fusible debe estar instalado mas cerca de la falla que su equipo reconectador de respaldo

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Subestacin con dos fuentes

Subestacin con dos transformadores y dos fuentes

Rel diferencial

Figura 12. 3 Subestacin de distribucin con dos fuentes

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Secundario de una subestacin

Barra secundaria y alimentadoras protegidas por rels en una subestacin de distribucin

Explique el alcance de la zona de proteccin primaria y de respaldo de interruptor 1, reconectador R y fusibles 2, 4, 5 y 6

Figura 12. 3

1

2

R 4

5

6

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Ejemplo de seccin 12.6

Revisar ejemplo de seccin 12.6, pdf 456 de Protective Relaying, Principles y Applications, tercera edicin, J. Lewis Blackburn, Thomas J. Domin, CRC Press, capitulo 12

La corriente mxima de carga en el reconectador, R, es conocida 230 Amperios.

La corriente mxima de carga en el interruptor (CB), es conocida 330 Amperios.

Deber, hacer Problema 12.1 de pdf 630 de Blackburn y Domin

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Ejemplo de seccin 12.6

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 31

Fig. 12.4. Subestacin de distribucin tpica con alimentadora ramificada

Ejemplo de seccin 12.6

Corriente secundaria en Amperios referidos a 13 Kv. M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 32

Para problema 12.1 y 12.11

TD= TMS= Dial Selector de tiempo

Mltiplos del tap de corriente M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 33

Proteccin de transformadores

En Subestacin de Distribucin

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Protecciones de un transformador de subestacin de distribucin

Fusibles en el primario. Para capacidades menores a 10 MVA

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 35

Rel 51 es de fase con tiempo inverso

Rel 51G es de tierra con tiempo inverso

Rel 51N es de neutro con tiempo inverso

Y

Protecciones de un transformador de subestacin de distribucin

Para capacidades mayores a 10 MVA se emplea breaker primario y proteccin diferencial de fase y tierra

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 36

Rel 51 es de fase con tiempo inverso

Rel 51G es de tierra con tiempo inverso

Rel 51N es de neutro con tiempo inverso

Rel 50 es de fase instantneo

52 es un breaker CB

Y

Rel 87 es diferencial Barra secundaria

Rel 49 es trmico Rel 63 es de presin

REFERENCIA

Protective Relaying, Principles y Applications, tercera edicin, J. Lewis Blackburn, Thomas J. Domin, CRC Press, capitulo 12, pdf 441, Line Protection. Revisar ejemplo de seccin 12.6, pdf 456 a pdf 460

Protective Relaying, Principles y Applications, tercera edicin, J. Lewis Blackburn, Thomas J. Domin, CRC Press, capitulo 9, seccin 9.19, pdf 354, 9.21, pdf 360. Transformer, Reactor y Shunt Capacitor Protection. Relay en pdf 200 a pdf 205

Network Proteccion and Automation Guide, Alstom, 2011, capitulo 9, pdf 131. Revisar ejemplos de seccin 9.20, pdf 152 a pdf 156

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 38

Vocabulario especfico

Lock out = bloquearse la operacion del reconectador luego de varias aperturas y cierres; o acceso

reliance = confianza en alguien o algo o en un equipo

pick up current = corriente mnima de operacion de un rel

cold load pick up current = corriente mnima temporal de operacion de un rel para permitir arranques o conexin de cargas que estuvieron sin servicio momentneamente

link = tira fusible de metal fundible a temperatura menor que el conductor de la alimentadora

take over = asumir una funcin o tarea

inch = avanzar lentamente y paso a paso, por ejemplo a operar un rel de tiempo inverso

outage = Interrupcin temporal del servicio elctrico, apagn

supersede =succeed= surpass= overtake= superar a lo reemplazado

overreach = cuando un equipo protector traslapa la zona de proteccion de otro equipo protector

Duly= debidamente, tal como se esperaba

unduly = excesivamente , injustamente

severed = split=broke= afectada, debilitada

short cut = atajo, ventaja

bunch = cluster= horde=manojo, ramo, racimo

liability = debt= burden= responsabilidad frente a la ley

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DEBER DE COORDINACIN DE PROTECCIONES

Con rels de sobrecorriente de tiempo inverso e instantneo

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 40

DEBER 12.1

Hacer Problema 12.1 de pdf 630 de Blackburn y Domin

La subestacin de distribucion 46/12.5 KV es delta-estrella aterrizada con varias alimentadoras

Una alimentadora de distribucin de 12.5 Kv, mostrada en figura P12.1, pdf 631, tiene dos derivaciones o ramales: 1. Una derivacin trifsica a 12.5 KV es protegida por

tres reconectadores con bobinas de 70/140 Amperios, ajustadas como se muestra en Tabla P12.1, pdf 631

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 41

DEBER

Problema 12.1 de pdf 630 de Blackburn y Domin 2. Una segunda derivacin monofsica es protegida

por un fusible de 30 Amperios, que opera como se muestra en la Tabla P12.2, pdf 632

Los datos para el fusible instalado en 46 KV, se dan en la Tabla P12.3, pdf 632

Los rels de fase y tierra son de caractersticas del tipo de tiempo muy inverso(VI), adems con elementos instantneos

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 42

DEBER

Problema 12.1 de pdf 630 de Blackburn y Domin

Las caractersticas de tiempo de los rels de fase y tierra (VI) se muestran en las curvas de figura 12.11.B de pdf 637

Las corrientes de falla estn expresadas en amperios referidos a 12.5 KV

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 43

DEBER

Problema 12.1 de pdf 630 de Blackburn y Domin a. Determine las caractersticas de tiempo en base 12.5 KV

y 12.5 KVA de los datos para el fusible instalado en 46 KV, que se dan en la Tabla P12.3, pdf 632, para a) fallas trifsicas, b) de dos lneas y c) de una lnea a tierra en la alimentadora. La corrientes de linea del primario del banco DY aterrizado para estas fallas tienen diferentes relaciones de transformacin para fallas en el secundario.

b. Grafique las caractersticas de tiempo junto con las caractersticas del reconectador y del fusible de 30 amperios.

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 44

DEBER

Problema 12.1 de pdf 630 de Blackburn y Domin

b. Seleccione la relacin de transformacin adecuada de los transformadores de corriente, CT, para los rels de fase y tierra del breaker

c. Ajuste y coordine los rels de fase y tierra del breaker. Emplee un intervalo mnimo de coordinacin, CTI, entre rels y el reconectador de 0.2 segundos. Emplee un intervalo mnimo de coordinacin, CTI, entre rels y el fusible de 46 KV de 0.5 segundos.

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 45

DEBER

Problema 12.1 de pdf 630 de Blackburn y Domin

b. Seleccione el tap de corriente para los rels de fase y tierra de los taps disponibles que son: 1, 1.2, 1.5, 2.0, 2.5, 3, 3.5, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10

c. Ajuste y coordine para los rels de fase y tierra del breaker: El dial de tiempo (TD=TMS) y las corrientes instantneas mnimas de operacin para los rels de fase y tierra. Grafique la coordinacin de todos los elementos de proteccin

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Ejemplo de proteccin de sobre corriente

Network Protection, Alstom Pdf 152

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 47

Ejemplo de seccin 9.20,

Los datos de Ejemplo de seccin 9.20, Alstom pdf 152 La corriente secundaria de los nuevos CT es 1 amperio La corriente de carga mxima en cada cable igual C2 y C3 es de 400

amperios La corriente de carga mxima en rel F1 es 190 A., de rel F2 y fusible

FS2(160 A) es 130 A. y fusible FS1(125) es de 90 amperios Los rels F1, TMS= 0.1; rel F2, TMS= 0.25 y rel 5 y sus CT de 5 A. estn

predefinidos, ajustados y son en extremo Inversos (EI) Los fusibles FS1 y FS2 y sus caractersticas son conocidas y predefinidos Las relaciones de CT de los rels 1, 2, 3 y 4 de corriente de 1 A. son

nuevos, se deben definir y ajustar Hay que definir y ajustar los rels 1, 2, 3 y 4 y sus CT que son de 1 A. Use un margen de coordinacin fijo entre rels y fusibles por ajustar de

0.3 segundos

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 48

Ejemplo de seccin 9.20

Alstom

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 49

Figura 9.29. Protecciion de sobre corriente con rels de tiempo inverso

Curvas caractersticas del fabricante

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 50

Figura 9.30. (a) Curvas suministradas por el fabricante

Rels F1 y F2

Fusibles FS1 y FS2

Rel 4

Rel 3

Rel 1 y 2

Es necesario definir y ajustar relays 1 a 3 tipo EI y relay 4 tipo SI. *

* Los rels F1, TMS= 0.1; rel F2, TMS= 0.25 y rel 5 y sus CT de 5 A. estn predefinidos, ajustados y son en extremo Inversos (EI)

Curvas caractersticas del fabricante

Rels estndar

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Curvas caractersticas referidas

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 52

Figura 9.30. (b) Curvas ajustadas o desplazadas

Rels F1 y F2

Fusibles FS1 y FS2

Rel 4

Rel 3

Rel 1 y 2

Solo se ajusta relay 4, respecto a figura 9.30 (a)

Curvas caractersticas referidas

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 53

Figura 9.31. Curvas finales

Rels F1 y F2

Fusibles FS1 y FS2

Rel 4

Rel 5

Rel 1 y 2

Se reajusta rel 5. Solo fue necesario desplazar relay 4 respecto a figura 9.30 (a)

Rel 3

Ajustes para coordinacin de rels

Ajustes para coordinacin de rels de sobrecorriente de tiempo inverso y fusibles de fase

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F Rels FS Fusibles

FIN

GRACIAS

M.E. Adolfo Salcedo Guerrero 55

Numeracin estndar de rels

27 Rel de bajo voltaje 32 Rel de direccional de potencia 37 Rel de corriente baja 49 Rel de trmico, acta en base a calor 50 Rel de instantneo de sobre corriente 51 Rel de tiempo inverso de sobre corriente 52 Interruptor de circuito o breaker de potencia (CB) 55 Rel de factor de potencia 59 Rel de sobre Voltaje 63 Rel de presin o vaco para medio liquido o gas 79 Rel de reconexin 81 Rel de frecuencia 86 Rel de bloqueo (lock out) 87 Rel diferencial de corriente

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