6. Coordinación de la protección. Coordinación entre relés - fusibles

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1 6. Coordinación de la protección Coordinación entre relés - fusibles 1

2 Coordinación de Relés - fusibles El procedimiento es similar a la graduación arriba descrito de los relés de sobrecorriente. Generalmente un intervalo del tiempo entre 0,1 y 0,2 segundos es suficiente para una coordinación de tiempo seguro. En este caso las características muy y extremadamente inversas son a menudo más convenientes que las curvas normalmente inversas. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe /03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 276 2

3 Coordinación de Relés - fusibles En este caso, la característica de funcionamiento del relé de sobrecorriente en la entrada tiene que coordinar con la curva del fusible. Las características muy inversas se pueden utilizar con los fusibles del tipo expulsión (fusibles cut-out) mientras que las versiones extremadamente inversas se adaptan mejor a los fusibles limitadores de corriente. En cualquier caso, la decisión final debe ser tomada trazando las curvas de diagrama de la coordinación en el papel Logarítmico-logarítmico. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 277 Protección de sobrecorriente de fase (51P/50P) -Coordinación de entre relés 3

4 Coordinación de protección Consiste en seleccionar y ajustar los dispositivos de protección, para lograr una adecuada operación (selectividad) para distintas condiciones de falla. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 279 Reglas básicas Para una correcta coordinación: Usar en lo posible relés de las mismas características. Asegurar que los relés lejanos a la fuente tengan una calibración igual o menor que los relés ubicados aguas arriba. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 280 4

5 Ajuste de la unidad temporizada del relé de fase (51P) Unidad temporizada del relé de fase 51 Los valores pick-up de los relés de sobrecorriente de fase son normalmente ajustados 30% sobre la corriente de carga máxima. 1,3 I S I LOAD MAX Esta práctica es recomendada en particular para los relés electromecánicos con relaciones de restablecimiento de 0,8 a 0,85. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 282 5

6 Unidad temporizada del relé de fase Los relés numéricos tienen altas relaciones de restablecimiento cerca de 0,95 permitiendo por lo tanto ajustes más bajo en aproximadamente 10%. I S 1,2 I LOAD MAX Los alimentadores con grandes transformadores y/o con cargas de motores requieren una consideración especial. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 283 Condición 1 Revisar los ajustes de corriente a fin de verificar que se cumpla: I ajuste respaldo > k I ajuste principal Donde k equivale a : 1,3 si un relé respalda a otro relé. 3,0 si un relé respalda a un fusible. 2,0 si un fusible respalda a otro fusible. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 284 6

7 Condición 2 Se debe de cumplir que: I 2φ MIM FS FI > I ajuste Donde: F. S. : Factor de seguridad que tiene en cuenta los errores involucrados en los cálculos de las corrientes de cortocircuito, los errores del transformador de corriente y del rele. F. S. = 1,5 2,0 F. I. : es el factor de arranque de la curva del relé, definida por el fabricante ( 1,5 2,0). 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 285 Alimentadores con transformador. La energización de transformadores causa corrientes de inserción (INRUSH) que pueden durar por segundos, dependiendo de su tamaño. La selección del ajuste de corriente y el retardo de tiempo asignado tiene que ser coordinada de modo que las corrientes de inserción disminuyan debajo de los valores de restablecimiento del relé de sobrecorriente antes de que haya transcurrido el tiempo de funcionamiento calibrado. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 286 7

8 06/03/ Alimentadores con transformador. La corriente de inserción típicamente solo contiene aproximadamente 50% de la componente de frecuencia fundamental. Los relés numéricos que filtran hacia fuera los armónicos y la componente de la DC de la corriente de inserción por lo tanto pueden calibrase más sensibles. Los valores máximos de las corrientes de conexión (INRUSH) serán reducidos casi a una mitad en este caso. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 288 8

9 Procedimiento Determinar el ajuste del TMS para el relé más alejado a la fuente (ajuste mínimo recomendado es de 0,05 ). Luego determinar el ajuste del TMS del relé que respalda al relé aguas abajo, considerando la falla más severa, de tal modo de obtener el intervalo de tiempo deseado. Repetir el paso anterior, para los siguientes relés. Verificar la coordinación con la protección existente. De ser necesario repetir los pasos anteriores con un nuevo intervalo de coordinación. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 289 Ejemplo 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 290 9

10 Resultados 06/03/ Ajuste de la unidad instantánea del relé de fase (50P) 10

11 Protección de la unidad instantánea (50). El ajuste de unidad instantánea del relé de fase deberá ser ajustado de acuerdo a la zona de actuación deseada. No hay regla específica para la definición de esta zona, dependiendo de las condiciones de cada alimentador. Considerando que la corriente de cortocircuito es inversamente proporcional a la impedancia, la actuación de la unidad instantánea del relé puede indicar aproximadamente la distancia de la subestación, al punto de falla. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 293 Protección de la unidad instantánea (50). Una vez definida la zona de actuación de la unidad instantánea, o sea el TAP deberá ser escogido satisfaciendo las dos condiciones siguientes: TAP I ASIM IF > 2Φ RTC I TAP INRUSH IF > RTC TAP IF : es el tipo de la unidad instantánea de fase. I rush : es el valor de la corriente INRUSH de todos los transformadores del alimentador. I 2φASIM : es la corriente de cortocircuito 2φ asimétrico en el límite de la zona de protección de la unidad instantánea R. T. C.:es la relación de transformación del T. C. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

12 Protección de la unidad instantánea (50). El ajuste en los transformadores, por ejemplo, se debe elegir cerca del 20 al 30% más alto que la máxima corriente de falla. I50 1,2 1,3 I F. MAX 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 295 Protección de la unidad instantánea (50P) - Alimentadores con motor La energización de motores causa unas corrientes de arranque que comienza inicialmente de 5 a 6 veces la corriente nominal (corriente de rotor bloqueado). Una curva tiempo corriente típica para un motor de inducción se muestra 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

13 Alimentadores con motor 06/03/ Alimentadores con motor En los primeros 100 ms., aparece adicionalmente una corriente de inserción asimétrica (inrush) que rápidamente decae. Con los relés convencionales era práctica ajustar la corriente de la unidad de sobrecorriente instantáneo para la protección contra cortocircuitos arriba del 20 al 30 % de la corriente de rotor bloqueado con un retardo corto de 50 a 100 ms. para sobrellevar el período asimétrico de la corriente INRUSH. I = 1,2 1,3 I t = ms LR 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

14 Ajuste de la unidad temporizada del relé de tierra 51N Relés de falla a tierra. En condiciones normales no debe de existir corriente en el neutro. Se debe ajustar en el TAP menor, disponible (en los relés electromecánicos el menor TAP disponible es 0,5) En sólidamente a tierra y aterrizados con baja resistencia se aplica generalmente una ajuste de 10 a 20 % de la carga nominal. I S = 10% 20% I LOAD RATED 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

15 Relés de falla a tierra. Puestas a tierra de alta resistencia requieren un ajuste mucho más sensible en el orden de algunos amperios primarios. La corriente de falla a tierra de motores y de generadores, por ejemplo, se debe de limitar a valores debajo de 10 A para evitar el hierro que se queme. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 301 Condición Se debe verificar la relación siguiente: TAP TT ICCF T min < RTCFI. TAP TT : Es el TAP de unidad temporizada de tierra (51N). Icc F-tmin : es la corriente de fase a tierra, calculada con una impedancia de 40Ω, al final del tramo protegido. F. I.: factor de arranque de la curva del relé, definido por el fabricante (1,5 2,0) 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

16 Esquemas de conexión a tierra Esquemas de conexión a tierra Hay cinco casos posibles de régimen de neutro. Directo (rígido) a tierra. Limitado por resistencia. Limitado por reactancia. Neutro aislado. Reactancia sintonizada (bobina de Petersen). 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

17 Esquemas de conexión a tierra Directo (rígido) a tierra. Limitado por resistencia. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 305 Esquemas de conexión a tierra Limitado por reactancia. Neutro aislado. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

18 Esquemas de conexión a tierra Reactancia sintonizada (bobina de Petersen). 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 307 Neutro aislado Principio de funcionamiento: Intensidades de falta a tierra débiles. Sobretensiones elevadas. Por lo tanto, permite una alta continuidad en el servicio sin disparos indeseados (explotación en procesos continuos p.ej.), pero con el riesgo de dañar los aislantes. Intensidad de defecto = Corriente capacitiva total Id = ICOT = 3 C.ω.V 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

19 Neutro aislado 06/03/ Neutro aislado Si Id es débil, se puede autorizar el no disparo al primer defecto, manteniendo la continuidad de servicio. Precauciones a tener en cuenta: las sobretensiones transitorias (Ferrorresonancia), las sobretensiones permanentes en las fases sanas durante el defecto, debidas al desplazamiento del punto neutro. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

20 Neutro aislado El principal problema, radica en la complejidad del sistema de detección, puesto que los valores de intensidad de defecto son frecuentemente muy pequeños, y en redes con varias salidas en paralelo a neutro aislado, debemos recurrir a: las protecciones direccionales de tierra, y/o protecciones a detección de tensión por medida del desplazamiento del punto neutro. Además, estos valores pequeños de intensidad requieren de toroidales de captación sobre cable, porque con la suma de las 3 intensidades de fase no llegamos a tener suficiente precisión en la medida captada. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 311 Neutro aislado Debemos recordar que cuando realizamos la detección de homopolar por suma de las 3 intensidades: siendo Iso mín > 10% In TI, Iso mín = reglaje mínimo del umbral de detección de homopolar, In TI = intensidad nominal primaria del TI, debido a la suma en cascada de los errores de precisión de los TI's de protección. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

21 Neutro aislado 06/03/ Neutro rígido puesto a tierra (directamente) I N >> I COT I d I N. Requiere interconectar todas las masas y efectuar tomas de tierra múltiples para la protección de las personas. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

22 Neutro rígido puesto a tierra (directamente) Posibilidad de daños importantes en el punto de defecto. Nula influencia de las corrientes capacitivas. Sobretensiones limitadas. Facilidad de detección debido a que el valor de intensidad de defecto a detectar es elevado, por tanto una detección basada en la suma de las 3 intensidades de fase será suficiente. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 315 Neutro puesto a tierra mediante resistencia La resistencia limita el valor de la intensidad de defecto a tierra, y por tanto permite limitar los daños. Se escoge R tal que: I R > 2 I COT. Las eventuales sobretensiones quedan limitadas por la resistencia de p.a.t. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

23 Neutro puesto a tierra mediante resistencia Permite una detección simple del ramal de la red en defecto. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 317 Neutro puesto a tierra mediante resistencia Protecciones asociadas 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

24 Neutro puesto a tierra mediante resistencia Reglaje (Iso) para asegurar una correcta detección Iso << I R por ejemplo; para una falla a tierra: I R = 30 A Iso 5 a 10A Reglaje para evitar disparos intempestivos Iso 1,3 a 1,5 I C. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 319 Neutro puesto a tierra mediante resistencia Reglaje (Iso) para tener en cuenta el límite térmico de la resistencia de puesta a tierra. Debemos tener presente además de la Intensidad de limitación, la intensidad permanente que es capaz de soportar la resistencia de p.a.t. Por ejemplo: I R permanente máx. (I RP ) = 3 A Iso 2,5 A. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

25 Neutro puesto a tierra por resistencia, a través de un transformador de p.a.t. o generador homopolar o bobina zig-zag 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 321 Neutro puesto a tierra Dimensionado de la resistencia, ídem que para el caso anterior (resistencia en el punto neutro del transformador): intensidad limitada máxima, tiempo máximo de duración del defecto (a Imáx), intensidad permanente soportable por la resistencia de p.a.t. (límite térmico). 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

26 Resolución de ejemplos prácticos. Caso nº 1: Neutro puesto a tierra por resistencia en punto neutro del transformador. Ajuste de la protección homopolar en la salida del transformador 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

27 Caso nº 1: Hallar valor de la R de limitación reglaje de las protecciones homopolares 1 y 2. Consideraciones: 1. I R > 2 I C total 2. Ir > 1,3 I C (corrientes capacitivas de cada ramal) 3. Ir > 12% I N LOAD / a TI (por suma 3 TI) 4. Ir < 10 a 20% I R (protección de los devanados del transformador y de la R de p.a.t.) 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 325 Solución caso nº 1: Capacidad de las líneas de cable según curvas para cables 6/10 kv. Línea 1: 50 mm 2 0,313 µf/km x 2 km = 0,626 µf Línea 2: 240 mm 2 0,574 µf/km x 5 km = 2,87 µf Corriente de fuga capacitiva caso de puesta a tierra de una de las fases I COT = 3.U.C ω, (U: tensión de línea) Línea 1: 50 mm 2 I COT = 3.6,3.0, x10-3 = 2,575A Línea 2: 240 mm 2 I COT = 3. x 6,3x2,87 x377 x10-3 = 11,81A Total corriente capacitiva: 2, ,81 = 14,38 A 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

28 Solución caso nº 1: Condición 1ª) I R > 2 I COT I R > 2 x 14,38 A; I R > 29 A, corriente de limitación por resistencia R, I R Condición 2ª) Ir > 1,3 I COT Línea 1: 50 mm 2 Ir1 > 1,3 x 2,58 A; Ir1 > 3,35 A Línea 2: 240 mm 2 Ir2 > 1,3 x 11,81 A; Ir2 > 15,35 A Condición 3ª) Ir > 0,12 I N-TRAF DIST /a TI Líneas 1 y 2: In=630/ 3 x 6,3= 57,73A por tanto, TI de 60/5 A relación a TI = 12 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 327 Solución caso nº 1: Condición 4ª) Ir < 0,1 a 0,2 I R Ir1 e Ir2 < 0,15 x 29 A=4,35 A Nota: Las condiciones 1ª, 2ª y 3ª dan valores mínimos admisibles. La condición 4ª da valor máximo admisible. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

29 Solución caso nº 1: Por tanto: Línea 1: 50 mm 2 : Ir1 mínimo (cond. 2ª) 3,35 A, máximo (condición 4ª): 4,35 A Línea 2: 240 mm 2 : Ir2 mínimo (cond. 2ª): 15,35 A máximo (condición 4ª): 4,35 A Es necesario aumentar el valor I R como mínimo hasta I R >15,35/0,1 154 A Significa dimensionar más la resistencia R de puesta a tierra del neutro. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 329 Solución caso nº 1: En consecuencia se cumple: La corriente de falla a tierra máx. por resistencia de puesta a tierra del punto neutro I R = 300 A Reglaje de las protecciones homopolares Línea 1: 50 mm2: Ir1 = 3,5 A Línea 2: 240 mm2: Ir2 = 15,5 A 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

30 Caso nº 2: Reglaje de una protección homopolar / llegada transformador y resistencia de p.a.t. 3 TI's o toroidal? 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 331 Caso nº 2: Hallar Ajuste de las protecciones homopolares 3 y 4. Observaciones: 1. el ajuste de las protecciones 1 y 2 son los determinados en el caso nº en caso que el neutro del transformador no sea accesible, deberemos crear un neutro artificial Generador homopolar. Proponer solución. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

31 Solución del caso 2º Es continuación del anterior caso nº 1, se ha incluido las protecciones homopolares nº3 y nº4. Protección nº 3: a TI = 120/5A= 24 Condición de selectividad Ir 3 > Ir 2, Ir 3 > Ir 1. Ajuste elegido Ir 3 = 18 A. Protección nº 4 Es protección térmica para el paso de corriente permanente por la resistencia R. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 333 Solución del caso 2º Habitualmente las resistencias de puesta a tierra del neutro en MT, se construyen para poder soportar el paso de una corriente permanente del orden del 8 a 10% de la intensidad máxima de cortocircuito unipolar a tierra, limitada por el propio valor de dicha resistencia. Tomando en cuenta que el valor máx. de falla a tierra produce por I R =300 A (elegido en el anterior caso nº 1). 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

32 Solución del caso 2º Las condiciones son: 1. Condición térmica: Ir 4 < 0,1 x 300 = 30 A 1. Condición de selectividad: Ir 4 > Ir 2 ; Ir 4 > 15,5 A. Se elige pues Ir 4 = 22 A. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 335 Caso nº 3: Generador homopolar. Dimensionamiento de la protección. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

33 Caso nº 3: Hallar Ajuste de las protecciones homopolares 3 y 4. Observaciones 1. El ajuste de las protecciones 1 y 2 son los determinados en el caso nº Para determinar el generador homopolar: Ipermanente : normalmente es Id/ 10 Id (tiempo) : intensidad de defecto Tensión (V) 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 337 Resolución del caso 3º Es continuación de los casos anteriores nº 1 y nº 2 por generador homopolar habitualmente denominado también bobina de formación de neutro, o compensador de neutro. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

34 Resolución del caso 3º La bobina de formación de neutro más utilizada es la denominada autozigzag. La resistencia ohmica R entre el punto estrella de la bobina y tierra, es optativa. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 339 Resolución del caso 3º Para la corriente máxima de cortocircuito unipolar a tierra Id = 300 A, la impedancia del conjunto bobina autozigzag con o sin resistencia R, es En el caso de no haber la resistencia R entre punto estrella y tierra, la impedancia homopolar por fase de la bobina (Zo) = 3 x 12 = 36 que constructivamente es casi toda reactancia. Se considera Zo Xo 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

35 Resolución del caso 3º Si se prevé la resistencia R entre punto estrella y tierra, se tiene donde Xo la reactancia homopolar por fase de la bobina. Eligiendo el valor de R, obtenemos Xo y viceversa Para este caso, se elige Xo = 27. entonces R = 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 341 Resolución del caso 3º Estas bobinas de formación de neutro y la resistencia óhmica entre punto estrella y tierra, si la hay, deben: 1. soportar el paso de la corriente máxima de cortocircuito a tierra durante un tiempo determinado, habitualmente de entre 10 y 20 seg. o sea ampliamente superior al de interrupción por actuación de las protecciones, normalmente 1seg. 2. Estar, aptas para una corriente permanente del 8 al 10% de la máxima de cortocircuito. 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe

36 Resolución del caso 3º Si en el presente caso es de 30A (300 x 0,1) el ajuste de la protección 4 debe ser Ir 4 < 30A por ejemplo 22 A como en el caso anterior nº 2. El ajuste de la protección 3 será como en el caso anterior nº 2 (Ir 3 < 18 A). 06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe