Análisis de Sistemas de Protección empleando DIgSILENT PowerFactory

Transcripción

1 Análisis de Sistemas de Protección empleando DIgSILENT PowerFactory Francisco M. Gonzalez-Longatt, PhD Jairo H. Quiros Tortos. Ph.D. Researcher Manchester, UK, Enero, 2011 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23

2 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23 Análisis de Sistemas de Protección empleando DIgSILENT PowerFactory Mostrar los aspectos teoricos del analisis de sistemas de proteccion empleando la herramienta DigSILENT PowerFactory Francisco M. Gonzalez-Longatt, PhD, Jairo H. Quiros Tortos. Ph.D. Researcher

3 1. Introducción a los Sistemas de Protección Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

4 Objetivos de los Sistemas de Protección Prevenir lesiones a las personas. Minimizar el daño en los componentes del sistema. Limitar la duración y minimizar las interrupciones del servicio. Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

5 Aspectos de Sistemas de Protección Confiabilidad Propiedad de garantizar un funcionamiento correcto de la protección. Incluye operar cuando se requiere (dependebilidad) y no operar incorrectamente (seguridad). Selectividad Eliminar la falla o anomalía mediante la desconexión del menor número de elementos. Velocidad de Operación Desconexión de la falla en el menor tiempo posible. Simplicidad Mínimo de dispositivo de protección y circuitería asociados para lograr los objetivos de protección. Sensibilidad Detección de fallas o condiciones anormales que provoquen variaciones pequeñas en el sistema. Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

6 Anormalidades en SP Las anormalidades en sistemas de potencia son miles, pero pueden ser agrupadas en: Cortocircuitos Sobrecargas Contactos a tierra Interrupción de conductores Déficit de potencia activa Poleslip (Perdida de estabilidad) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

7 Criterio de deteccion de falla Criterio de Detección de falla: Sobrecorriente (cortocircuito, sobrecarga) Corriente diferencial (cortocircuito). Sobre voltaje/bajo voltaje (cortocircuito, estabilidad de voltaje) Dirección de potencia (cortocircuito, contacto a tierra) Desbalance (interrupción de conductor, desbalance de carga). Impedancia (cortocircuito, perdida de estabilidad). Frecuencia (déficit de potencia activa) Temperatura (sobrecarga) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

8 2. Transformadores de Corriente (TC) y Transformador de Potencial (TP) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

9 Clasificación de los TC Clases de predicción por IEC: 15VA : Burden in VA 10 P ejemplo: 15VA Clase 10 P 20 : Clase de precisión : Aplicación: P para Protección 20 : Accuracy Limit Factor (factor limite de precisión) (hasta 10% de error a 20 veces la corriente nominal o burden) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

10 Clasificación de los transformadores Definición según ANSI/IEEE: Ejemplo: T100 o C 100 T indica que el desempeno del TC ha sido probado: Fabricantes pueden proveer pruebas y datos medidos. C indica que el desempeno ha sido calculado. Numero que define el maximo voltaje en el secundario a el cual el error es menor a 10%, para corrientes entre 1- Number defines the maximum secondary voltage at which the error is less than 10%, for currents between 1-20 veces la corriente secundaria. Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

11 Saturación del Transformador de Corriente Los transformadores de corriente (TC) se pueden saturar si: Voltaje AC secundario es mas alto que el voltaje del codo (kneepoint). Corriente primaria contiene componentes DC. La corriente secundaria de un TC saturado es distorcionada y mas pequena de la corriente no saturada. TC especiales con caracteristicas dinamicas mejorasas son clasificados segun la norma IEC como TPX,TPY o TPZ Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

12 CT Saturacion Stromwandler: Mag.-Fluss L1 in V Stromwandler: Mag.-Fluss L2 in V Stromwandler: Mag.-Fluss L3 in V Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright / DIgSILENT

13 3. Proteccion contra Sobrecorrientes Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23

14 Característica de tiempo definido 10 [s] Tfct=Trelay+Tbrk I> I>> Tfct=Trelay+Tbrk [pri.a] I>/I>> DIgSILENT Tiempo total de limpieza de falla (T cf ): T fc = T relay + T brk Trelay: tiempo de disparo del rele Tbrk : Tiempo de disparo del interruptor Tiempo de disparo del rele (T relay ): T relay = T s + T set T s : tiempo de arranque T set : tiempo ajustado Ajuste de corriente I > und I >> Ajuste de corriente de arranque Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

15 Característica de tiempo inverso 10 [s] Ipset Imin Tpset Tfct=Trelay+Tbrk [pri.a] AMZ DIgSILENT Tiempo total de limpieza de falla (T cf ): T fc = T relay + T brk Trelay: tiempo de disparo del rele Tbrk : Tiempo de disparo del interruptor Tiempo de disparo del rele (T relay ): T relay = T s + T set T s : tiempo de arranque T set : tiempo ajustado Ajuste de corriente I pset: rango de corriente ajustada I min : Corriente de arranque Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

16 Características - IEC Normalmente Inverso: Muy Inverso: Extremadamente Inverso: Inverso Largo: = T 0.14 ) t pset ( I / I pset t = T t = T 1 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 t = T pset pset pset ( I ( I ( I 13.5 / I ) 1 / I pset 80 ) pset / I ) 1 pset 1

17 Características - ANSI / IEEE Normalmente inversa Inverso corto Largamente inversa Moderadamente inversa Muy inversa Extremadamente inversa Inversa definidad Corriente cuadrada = T pset ( I / I pset ) = T pset ( I / I pset ) 1 t 2,0938 t t = T pset ( I / I pset ) t = T pset ( I / I pset ) 1 = t T pset 2 ( I / I pset ) t = T + pset ( I / I pset ) 1 = t T pset ( I / I pset ) T pset t = 2 ( I / I ) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 pset

18 Coordinacion por Tiempo Infeed t t=1.2 s t= 0.8 s t= 0.4 s A-B B-C C-D A B C D Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

19 Coordinación Tiempo/Corriente Infeed t A-B B-C C-D A B C D lmax(0.8*lab) lmax(0.8*lbc) lmax(0.8*lcd) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

20 Fusibles Mínimo tiempo de liberación de falla Average Melt Curve Fuse 1 Fuse 2 Max. Melt Curve Min. Melt Curve Máximo tiempo de liberación de falla Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

21 Interruptores de Bajo Voltaje DIgSILENT 1000 [s] Im I²t on/off Ir tr Protección instantánea contra cortocircuito Tiempo largo de retardo por proteccion de sobrecarga Tiempo corto con retardo por cortocircuito [pri.a] LV-Breaker tm I Tiempo largo con retardo por protección de sobrecarga Tiempo corto con retardo por cortocircuito con o sin característica I²t Protección instantánea contra cortocircuito Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

22 Caracteristicas de Arranque de Motores 100 [s] In [pri.a] Motor - 1 Ia tcold thot tstart Ip tinrush DIgSILENT Característica de Sn arranque Corriente nominal Corriente de arranque Corriente de magnetización (Inrush) Duración de la corriente de Inrush Limite térmico bajo condiciones frías bajo condiciones calientes Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 I a t start I p t inrush t cold t hot I n = 3 U n

23 Curva Limite de Cables 10 [s] Ithr Tkr I 1 thr T kr Ip 0.1 tinrush Cable [pri.a] DIgSILENT Capabilidad térmica Tkr Ith < Ithr con 0.01s Tk 10s T Corriente de cortocircuito Periodo nominal(1s) Tiempo de liberación de falla Corriente de magnetización (Inrush) Inrush Corriente de magnetizacion Duración de la corriente de Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 T k I p t inrush k

24 Curva limite de cales/ Parámetros de líneas IEC/VDE k ϑ i ϑ f A T k F ac k A Ith < Ithr = Fac con 0.01s Tk 10s T ϑf ϑi k = 226 ln ϑi ϑf ϑi k = 148 ln ϑi k para Cu para Al constante de aislamiento Temperatura inicial Max. Temperatura alcanzable Área transversal in mm² Tiempo de liberación de falla Relación del efecto piel ANSI/IEEE k A Ith < Ithr = Fac con 0.01s Tk 10s T k = log k = log constante de aislamiento Temperatura inicial Max. Temperatura alcanzable Área transversal in mm² Tiempo de liberación de falla Relación del efecto piel Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 k ϑ i ϑ f A T k F ac k ϑ f ϑ i ϑ f ϑ i para Cu para Al

25 Curva de Sobrecarga de Cables [s] In [pri.a] Cable-1 Sobrecarga (for t > 10s ) Corriente nominal en A Corriente de prefalla en A Tiempo de sobrecarga en s Mínimo constante de tiempo del cable Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 DIgSILENT 2 tb I 0 τ 1 e Ib I < I n para corta operacion tb τ 1 e I n I 0 t b τ

26 Curva de Transformadores ANSI/IEEE - Cat. I/II [s] Ip Sn = 1MVA (10kV) tinrush mecánica térmica uk in % Sn = 0,1 MVA (10kV) [pri.a] Category I Category II Curva de limite térmico Categoría I ( MVA) Categoría II ( MVA) Curva de limite mecánico Categoría II ( MVA) Corriente de magnetización I p t inrush Corriente de magnetización Duración de la corriente de magnetización Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 DIgSILENT

27 Curva de Transformadores ANSI/IEEE Cat. III/IV [s] Sn = 10 MVA (110kV) [pri.a] Category III mechanical uk in % thermal Sn = 50MVA (110kV) Category IV 5 4 Curva de limite térmico Categoría III ( MVA) Categoría IV ( > 30 MVA) Curva de limite mecánico Categoría III ( MVA) Categoría IV ( > 30 MVA) Curvas de cambio de fase ANSI Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 DIgSILENT

28 4. Protección de Distancia Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23

29 Relés de Impedancia: Principio de Operación I U 1/10/2011 Medición/ filtración Arranque/ Detección falla Zonas de Auslösezonen disparo Auslösezonen Elementos Temporizadozonen Auslöse- Auslösezonen Logica de salida Disparo Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

30 Medición de Impedancia Lazo de falla Línea - Línea Z Z L L I L1 = I Z U L1 L I L1 L2 I L2 L2 Z L I L2 Z L U I L1 L2 L1 Z L Z E = U L1 L2 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

31 Medición de Impedancia Lazo de falla Línea - Tierra Z Z L L K 0 es independiente de la posición de la falla: 1/10/2011 I L1 = I L1 Z E I U Z Z E L1 E E L = I U E k = 0 L1 E Z Z E L UL1 E Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 I L1 I E Z L Z L Z L ZE

32 Elemento Direccional/Polarizacion atras rückwärts X vorwärts adelante Z R α inductivo induktiv capacitivo kapazitiv Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

33 Elemento Direccional/Polarizacion G1 G2 S1 F2 F1 ZG1 ZL ZG2 X ZG1 Relais X ZL+ZG2 F1 R F2 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 ZG1 ZL+ZG2 S2 R

34 Coordinación Impedancia Tiempo A B C D Z1 = ( )*ZAB Z2 = 0.8*(ZAB + ( )*ZBC) Z3 = 0.8*(ZAB + 0.8*(ZBC+ ( )*ZCD)) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 DIgSILENT

35 5. Esquemas de teleprotección Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23

36 Comparación de Senales R1 Lógica R1 Lógica R2 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23 R2

37 PUTT con detección de falla (Permisivo de bajo alcance) R1:S R1:Z1 R1 R2 R2:Z1 R2:S R1 dispara si (R1:Z1 o R1:S y R2:Z1) R2 dispara si (R2:Z1 o R2:S y R1:Z1) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

38 PUTT con aceleración por Z1B 1/10/2011 R1 R1:S R1:Z1 R1:Z1B R2:Z1B R2:Z1 R2 R2:S R1 dispara si (R1:Z1 o R1:Z1B y R2:Z1) R2 dispara si (R2:Z1 o R2:Z1B y R1:Z1) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

39 POTT con Zona Z1B R1:Z1 R1:Z1B R1 R2 R2:Z1B R2:Z1 R1 dispara si (R1:Z1 o R1:Z1B y R2:Z1B) R2 dispara si (R2:Z1 o R2:Z1B y R1:Z1B) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

40 Comparación direccional de bloqueo (Blocking) R1:R R1:Z1 R1 R2:Z1 R2 R2:R R1 dispara si (R1:Z1 y no R2:R) R2 dispara si (R2:Z1 y no R1:R) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

41 Entrada A B1 I 1 Z M B3 L1 L2 L3 I 2 B Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 B2 Z Z M M = = Z Z 1 I1 + Z 2 ( I1 + I 2 ) 1 + Z 2 I 1 + Z 2 I I 2 1 DIgSILENT

42 5. Modelando Relés de Protección en DIgSILENT PowerFactory Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23

43 Estructura General Librería Red Rangos Tipo Rele Elemento Del relé Ajustes VT CT Estructura Voltaje Disparo Corriente Diagrama de bloque Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23 G ~ G1 T1 G ~ G2 T2

44 Modelando Relés de Sobrecorriente No hay limites en termino de complejidad de los modelos Caracteristicas Disponibles: Todos los tipos ANSI / IEEE Todos los tipos IEC Ecuaciones Matematicas Tablas Interruptores de bajo voltaje Elementos Direccionales Fusibles Curvas limite de Transformador y de Cable Caracteristicas de arranque de motores Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

45 Ejemplo: I-t Time-grading Diagram Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23

46 Modelado de Rele de Distancia No hay limites en la complejidad de los modelos Soporta reles modenos, digitales, multi-funcionales Caracteristicas MHO Quadrilateral X constante, R constante Z constante (circulo) Varios elementos direccionales estan disponibles Es posible el uso de operaciones logicas complejas Es posible la comparacion entre senales. Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23

47 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23 Ejemplo: Digrama de Impedancia R-X [pri.ohm] R1-Dist Zl A pri.ohm deg Zl B pri.ohm deg Zl C pri.ohm deg Faulttype: BC Tripping Time: 0.37 s Zone3 ZPHPH3: 0.37 s R1-Dist R3-Mho-1 [pri.ohm] R3-Mho-1 Zl A pri.ohm 4.31 deg Zl B pri.ohm deg Zl C pri.ohm deg Faulttype: BC Tripping Time: 0.19 s Zone:2 Ph-Ph 2: 0.19 s Zone:3 Ph-Ph 3: 0.29 s Zone:4 Ph-Ph 4: 0.44 s DIgSILENT

48 Ejemplo: Z-t Time-grading Diagram 0.46 [s] [pri.ohm] HV-UT2 SS-D3 SS-D2 SS-D1 HV-Infeed 105. [pri.ohm] HV-UT2 [s] R8-Dist ZPHPH1 Zone 1 SS-D3 SS-D2 x-achse: Reaktanz Cub_2\Rel-U1 Cub_2\Rel-L2-1 Cub_3\R1-Dist Cub_1\R2-D1 Cub_2\R3-Mho-1 Cub_1\R4-Mho-2 Cub_2\R5-Mho-4 Cub_1\R6-Mho-5 Cub_2\R7-Mho-6 Cub_2\R8-Dist Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23 SS-D1 R4-Mho-2 Ph-Ph 3 Zone DIgSILENT HV-Infeed

49 Preguntas Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, /23

50 Por favor visite: Comentarios y sugerencias son bienvenidos: fglongatt@fglongatt.org.ve jquiros@eie.ucr.ac.cr Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright /23