Pruebas y análisis del comportamiento de la protección en líneas paralelas con acoplamiento mutuo Christopher Pritchard OMICRON electronics GmbH christopher.pritchard@omicron.at Thomas Hensler OMICRON electronics GmbH thomas.hensler@omicron.at 1 Resumen En la actualidad la mayoría de las líneas eléctricas aéreas de nuestras redes de transporte son líneas dobles. El acoplamiento electromagnético (acoplamiento mutuo) entre los diferentes sistemas, producido durante el funcionamiento de este tipo de líneas paralelas, tiene un impacto considerable en las impedancias de falla medidas para fallas monofásicas. Mediante un nuevo software de prueba es posible investigar este impacto para los distintos escenarios de falla con una simulación transitoria de la red y analizar el comportamiento de los dispositivos de protección. Además se presentan y comparan diferentes posibilidades y valores de ajuste de los dispositivos de protección para hacer frente al acoplamiento mutuo. Finalmente se investigan configuraciones de líneas reales con acoplamiento mutuo y se analizan los conceptos de diseños de protección con una buena selectividad. 2 Introducción En la actualidad, una gran cantidad de las líneas aéreas de nuestras redes de transporte se operan con dos o incluso más sistemas trifásicos. Entre las dos líneas paralelas se produce un acoplamiento electromagnético (mutuo) dentro del mismo sistema trifásico, así como entre dos sistemas trifásicos diferentes. Por lo tanto un flujo de corriente de una línea provoca una caída inducida de tensión en las otras líneas. Como se explica detalladamente en [4], este efecto puede describirse usando impedancias de acoplamiento mutuo. Estas impedancias de acoplamiento, al igual que las impedancias homopolares, pueden calcularse teóricamente o mediante medición, como se representa en [5] y [6]. En las siguientes investigaciones del comportamiento de la protección de las líneas paralelas con acoplamiento mutuo, se supone que las líneas están totalmente transpuestas y son simétricas, de manera que es posible analizarlo utilizando componentes simétricas. En las impedancias de acoplamiento se utilizan simplemente los valores medios de las impedancias de acoplamiento individuales por línea. Por tanto el efecto del acoplamiento mutuo solo puede verse en el sistema homopolar, que es solo para fallas monofásicas a tierra o fallas relacionadas con la conexión a tierra. Esta simplificación se realiza también en la mayoría de los dispositivos de protección, en los elementos de protección de distancia y en las funciones de localización de fallas, y proporciona la suficiente exactitud para fines prácticos. 3 Modelo de una línea paralela Para una comprensión básica de los efectos del acoplamiento mutuo en líneas paralelas, primero debe considerarse un modelo simple de una línea paralela sencilla. Para una falla monofásica sencilla hay que investigar el bucle de falla para esta falla LN. La tensión medida en la ubicación del relé se puede calcular como sigue: V L = Z L I L + Z N I N + Z M I NP La corriente de neutro es la misma que la corriente de la fase en falla: I L = I N = 3 I 0 Australian Protection Symposium 1
La corriente de una línea paralela es I NP y causa una caída de tensión adicional debido al acoplamiento mutuo. Como se describe en [3], las impedancias del sistema homopolar o el factor de puesta a tierra se definen como sigue: Z 0 = Z L + 3Z N Z 1 = Z L k L = Z N Z 1 = Z 0 Z 1 3Z 1 Para el acoplamiento mutuo en la línea paralela, se puede definir de forma similar la impedancia de acoplamiento mutuo o un factor de acoplamiento mutuo como sigue: Z 0M = 3Z M k M = Z M Z 1 = Z 0M 3Z 1 Por tanto, la tensión medida en la ubicación del relé es la siguiente: V L = I L (1 + k L )Z L + I NP k M Z L El impacto del acoplamiento mutuo en la impedancia medida viene determinado por el último término. La magnitud de este valor depende de la impedancia de acoplamiento mutuo (o del factor de acoplamiento mutuo) y de la magnitud de la corriente de neutro en la línea paralela. Pero también es muy importante la dirección de la corriente de neutro en la línea paralela. Esta dirección determina si la tensión medida es mayor o menor que la tensión sin tener en cuenta el acoplamiento mutuo. Se puede realizar el cálculo de las corrientes de falla I L e I NP usando un modelo de red que, teniendo en cuenta las diferentes topologías, situaciones de alimentación y escenarios de falla, determine los valores transitorios de las tensiones y corrientes. 4 Casos de uso de las líneas paralelas Para el siguiente análisis del comportamiento de la protección en líneas paralelas, hay que distinguir los diferentes casos de uso. Por tanto, hay que tener en cuenta la topología de la línea paralela y los diferentes estados de funcionamiento. Para la línea paralela se pueden distinguir, entre otras, las siguientes topologías: Líneas paralelas con buses comunes en ambos extremos Líneas paralelas con bus común solo en un extremo Líneas paralelas sin ningún bus común Segmentos de líneas paralelas con líneas de derivación Líneas paralelas en diferentes niveles de tensión También son relevantes para el comportamiento de los dispositivos de protección, los diferentes estados de funcionamiento de las líneas paralelas, por lo que hay que tener en cuenta los estados siguientes: Línea paralela en funcionamiento Línea paralela fuera de servicio y puesta a tierra 5 Requisitos para la protección de distancia Hay nuevos requisitos para los dispositivos de protección en líneas paralelas debido al acoplamiento mutuo. Hay que tener en cuenta los efectos del acoplamiento mutuo tanto para el comportamiento de disparo de los elementos de distancia como para el localizador de fallas. 2 Australian Protection Symposium
Los dispositivos de protección deben gestionar los siguientes escenarios de falla: Disparo correcto ante fallas en la propia línea Comportamiento correcto ante fallas en la línea paralela Disparo correcto e identificación del tipo de falla ante fallas dobles y fallas a tierra múltiples (crosscountry) Las diferentes zonas de relés de distancia para protección de la línea se establecen principalmente con una escala temporal como se muestra en la figura 1. El alcance de Z1 debe estar dentro de la longitud de la propia línea. Las zonas adicionales, como una zona Z1B, utilizada muy a menudo para esquemas de teleprotección, no debe ir más allá de la longitud de la propia línea y siempre tiene que cubrir la primera parte de la línea siguiente. Fig. 1: Protección de distancia de líneas paralelas Puede producirse un aumento o una disminución de la impedancia medida en los relés debido al acoplamiento mutuo, dependiendo de la magnitud y dirección de la corriente de neutro de la línea paralela. Un aumento de la impedancia puede causar una subalcance de la función de protección de distancia. Una disminución de la impedancia medida puede provocar un sobrealcance de la función de protección de distancia. Los requisitos actuales para la protección de distancia exigen que no haya sobrealcance para la zona Z1 y que no haya subalcance para la zona Z1B. Por lo tanto, hay que establecer las medidas correspondientes en el dispositivo de protección y sus ajustes. También hay que tener en cuenta la correcta coordinación de ambos dispositivos de protección en ambos extremos de la línea, en una protección de distancia que utilice esquemas de teleprotección. No deberá producirse ningún disparo transferido incorrecto especialmente durante la apertura (que no se realizará nunca exactamente al mismo tiempo) de los interruptores de potencia de los diferentes extremos de las líneas. 6 Línea paralela con buses comunes en funcionamiento La topología más simple y más común usada es la de una línea doble con buses comunes en ambos extremos como se muestra en la figura 2. Fig. 2: Línea paralela con los buses comunes En primer lugar hay que investigar la falla en la propia línea. La dirección y la magnitud de la corriente de neutro en la línea paralela I NP dependen de las condiciones de alimentación en ambos extremos de la línea. Por tanto consideramos los dos casos extremos. Para una sola alimentación en el lado izquierdo como se muestra en la figura 3 I N e I NP tienen la misma dirección. Australian Protection Symposium 3
Fig. 3: Línea paralela con buses comunes y una sola alimentación en el lado izquierdo El valor máximo para I NP se produce para una falla en el extremo remoto de la línea, es decir, el 100 % de la longitud de la línea. Por tanto es posible un considerable subalcance de la medición de la impedancia. Un cálculo con una simulación de una línea con valores reales dará como resultado una impedancia aparente de 5,4 Ω para una longitud de la línea de 4 Ω, que corresponde a un subalcance de aproximadamente un 35 %. Para una sola alimentación en el lado derecho como se muestra en la figura 4 I N e I NP tienen direcciones diferentes. Fig. 4: Línea paralela con buses comunes y una sola alimentación en el lado derecho El valor máximo para I NP se produce de nuevo para una falla en el extremo remoto de la línea, es decir, el 100 % de la longitud de la línea. Ahora es posible un considerable sobrealcance de la medición de la impedancia. Un cálculo con una simulación de una línea con valores reales dará como resultado una impedancia aparente de 2,6 Ω para una longitud de la línea de 4 Ω, que corresponde a un sobrealcance de aproximadamente un 35 %. En cuanto a las fallas de la línea paralela, se pueden producir situaciones diferentes en la protección de distancia dependiendo de la ubicación de la falla. Las fallas cerca de la ubicación del relé se detectan en su mayoría en dirección inversa y las fallas cercanas al extremo remoto de la línea se detectan como fallas en la línea sucesora. 7 Línea paralela fuera de servicio y conectada a tierra Se producen situaciones completamente diferentes en los dispositivos de protección cuando la línea paralela está fuera de servicio y conectada a tierra en ambos extremos, como se muestra en la figura 5. Fig. 5: Línea paralela fuera de servicio y conectada a tierra Debido a la conexión a tierra de la línea paralela, puede fluir una corriente de neutro inducida en la línea paralela a través de la línea y habrá que tener en cuenta el efecto del acoplamiento mutuo. En fallas de la propia línea es posible un considerable sobrealcance de la medición de la impedancia. Un cálculo con una simulación de una línea con valores reales dará como resultado una impedancia aparente de 3,3 Ω para una longitud de la línea de 4 Ω, que corresponde a un sobrealcance de aproximadamente un 17,5 %. Para obtener medidas adecuadas para este escenario hay que tener en cuenta que los TC de las líneas se instalan principalmente antes de las conexiones a tierra de la línea, de modo que no se puede realizar 4 Australian Protection Symposium
una medición de la corriente de neutro inducida en la línea paralela cuando la línea paralela esté fuera de servicio y conectada a tierra. 8 Fallas dobles en líneas paralelas En las fallas a tierra de líneas paralelas generalmente no está involucrada solamente una fase. También son muy comunes las fallas dobles en las que están involucradas diferentes fases de diferentes líneas paralelas (fallas a tierra múltiples). También son posibles diferentes combinaciones de las fases y conexiones a tierra involucradas. Fig. 6: Fallas dobles en líneas paralelas Estas fallas representan un desafío adicional para los dispositivos de protección. Hay que reconocer correctamente los bucles de falla para la selección del tipo de falla, incluso cuando se considera el efecto de acoplamiento mutuo. Además, las resistencias de arco de las fallas pueden complicar aún más la selección del bucle de falla correcto. Puede verificarse mejor el comportamiento del relé con un software de prueba que permita la simulación de una topología y de escenarios de falla, como se muestra en la figura 6. Deben realizarse una investigación y prueba independientes sobre el comportamiento del disparo monopolar. Deberán tenerse en cuenta las señales de teleprotección para disparos transferidos monofásicos, sobre todo si se utiliza un esquema de teleprotección y disparo monopolar en ambos extremos, de forma que ambos dispositivos de protección puedan tomar una decisión coordinada sobre las fases involucradas en las fallas dobles de la línea. Estos escenarios deben verificarse mediante una prueba de extremo a extremo que implique ambos dispositivos de protección. 9 Inversión de corriente durante la apertura de un interruptor de potencia En una protección de distancia que utilice teleprotección deberá ser correcta la coordinación de los dispositivos de protección en ambos extremos, como ya se mencionó con los requisitos. Como los dispositivos de protección siempre tienen tiempos de disparo ligeramente diferentes y como en los interruptores de potencia también son diferentes los tiempos hasta abrir un polo (incluso en función del ángulo de inicio de la falla), puede suceder que, mientras se produzca un evento, un interruptor de potencia en un extremo de la línea ya esté abierto, y el del otro extremo aún esté cerrado. Este escenario se muestra en la figura 7. Australian Protection Symposium 5
Fig. 7: Inversión de corriente durante la apertura de un interruptor de potencia Una falla en la línea paralela cerca de la ubicación del relé se detecta primero en dirección de retroceso. Tras la apertura del interruptor de potencia de la línea paralela provocada por el relé de protección para líneas paralelas, que opera de forma instantánea, se produce temporalmente una inversión de corriente para el relé de la línea que no tiene falla. Esta situación persiste hasta que el interruptor de potencia del otro extremo de la línea con falla se abre también. Debido al efecto de la inversión de corriente, el relé ve la falla en la otra línea temporalmente en dirección de avance (e incluso dentro de la zona Z1B), lo que puede causar un disparo transferido para el relé del extremo remoto. En este caso no debería producirse un disparo transferido para el extremo remoto, ya que esto daría lugar a una desconexión no selectiva de la línea que no tiene falla. Por lo tanto, hay que bloquear temporalmente en los dispositivos de protección la señal de teleprotección para disparo transferido. 10 Topologías con buses separados o con líneas de derivación En la vida real las topologías de líneas paralelas no siempre son tan sencillas como las tratadas en los ejemplos anteriores. En muchos casos, las líneas paralelas están conectadas a diferentes buses con diferentes alimentaciones o los segmentos de línea individuales están en paralelo solo en una determinada sección. Ejemplos de estas disposiciones se muestran en la figura 8 y la figura 9. Fig. 8: Línea de 3 terminales con líneas paralelas 6 Australian Protection Symposium
Fig. 9: Línea paralela con múltiples líneas de derivación Deberá simularse esta topología real en el diseño del concepto de protección, para la puesta en servicio y para las pruebas de protección. También deberá simularse el acoplamiento mutuo entre los segmentos de línea individuales, para poder verificar el comportamiento correcto de la protección de líneas paralelas. Las diferentes impedancias de acoplamiento mutuo pueden medirse individualmente o calcularse a partir de los valores totales. Un software de prueba debe permitir este modelado y simulación de todos los escenarios de fallas pertinentes. 11 Medidas para la protección de distancia Los diferentes dispositivos de protección ofrecen muy distintas posibilidades para hacer frente al acoplamiento mutuo, tanto en el comportamiento de sus elementos de protección de distancia como en la funcionalidad de su localizador de fallas. Una medida bastante obvia es la consideración eficaz de la corriente de neutro de la línea paralela, que se enruta al dispositivo de protección mediante una entrada de corriente adicional. Con un valor de ajuste para la impedancia de acoplamiento mutuo, el relé puede eliminar el lapso causado por el acoplamiento mutuo en la medición de la impedancia y puede evitar cualquier sub o sobrealcance de cualquier zona de disparo. Para la corriente de neutro procedente de la línea paralela, se necesita una entrada de corriente adicional en el relé y más trabajo de cableado dentro de la subestación, lo que se traduce en mayores costos. Debido a la distancia hasta los TC o hasta los dispositivos de protección, a veces no es posible un cableado separado de la corriente de neutro para la línea paralela. Y también habrá de tenerse en cuenta la carga mayor para el TC. En nuevas subestaciones que utilizan IEC 61850, en las que se utiliza transmisión digital de datos de TC y TT utilizando IEC 61850-9-2 Sampled Values, han desaparecido los problemas con el cableado y la carga más elevada. A los efectos de localización de fallas es posible incluso una transferencia de la corriente de neutro de la línea paralela utilizando IEC 61850 GOOSE o cualquier otro canal de comunicación. Por supuesto, para la puesta en servicio de este tipo de relé es importante el valor de ajuste correcto para la impedancia de acoplamiento mutuo. Los diferentes proveedores de dispositivos de protección utilizan definiciones y fórmulas bastante diferentes para el acoplamiento mutuo, como la impedancia de acoplamiento mutuo en componentes naturales o simétricas, o los factores de acoplamiento mutuo como valores complejos o en partes reales e imaginarias (atención al factor de 3 que constituye la diferencia entre Z 0M y Z M ). Es aconsejable verificar este valor de ajuste durante la puesta en servicio. Además hay que comprobar la dirección correcta de la entrada de corriente adicional para la corriente de neutro de la línea paralela. Si no hay posibilidad alguna para una medición de la corriente de neutro de la línea paralela, pueden realizarse otras medidas, como se analiza en [2]. Por lo tanto puede realizarse un ajuste de los factores de puesta a tierra para disparo y/o zonas de sobrealcance, de forma que el efecto del acoplamiento mutuo se gestione junto con la compensación de conexión a tierra. En una falla al 100 % de la longitud de la línea, la corriente de neutro en la línea paralela es aproximadamente la misma que la corriente de neutro de la propia línea, de modo que parece razonable una corrección del factor k con el factor de Australian Protection Symposium 7
acoplamiento mutuo. Por otra parte esto solo es válido para una situación de alimentación única y deberá analizarse cuidadosamente y probarse de forma exhaustiva. En muchos casos, se recomienda la siguiente estrategia. Se acepta un subalcance de la zona de disparo y se evita un subalcance de la zona de sobrealcance con un factor k independiente para la zona Z1B. Para las diferentes condiciones de funcionamiento de una línea paralela, línea paralela en funcionamiento o fuera de servicio, pueden utilizarse diferentes grupos de ajustes en el relé, que se activan en consecuencia. En los esquemas de teleprotección hay que proporcionar un bloqueo del disparo transferido durante la inversión de corriente. 12 Prueba del comportamiento de la protección con acoplamiento mutuo Para el diseño del concepto de protección y para la puesta en servicio de relés para líneas paralelas es necesaria una simulación del acoplamiento mutuo. Por tanto primero hay que realizar un modelado de la configuración de la línea real. Con un software de prueba debe ser posible definir líneas paralelas con buses comunes o separados, habrá que especificar el acoplamiento mutuo entre los diferentes segmentos de línea y habrá que hacer una simulación basada en estos datos, que tenga en cuenta los efectos del acoplamiento mutuo. Deben ser posibles también incluso topologías más complejas, como las líneas paralelas con líneas de derivación o líneas de 3 terminales con líneas paralelas. Usando una simulación de la red, deberán calcularse las señales transitorias para tensiones y corrientes en las ubicaciones del relé y para las pruebas deberá ser posible realizar una inyección de la corriente de neutro de la línea paralela en una entrada de corriente adicional del relé. Hay que hacer diferentes pruebas de los escenarios de fallas relevantes para los diferentes estados de funcionamiento y condiciones de alimentación/carga, como por ejemplo: Línea paralela en funcionamiento o conectada a tierra Fallas en la propia línea, en la línea paralela, en la línea sucesora y dobles fallas o fallas a tierra múltiples Alimentación individual, doble alimentación y alimentaciones fuertes/débiles en ambos extremos Simulación de flujo de carga superpuesta y resistencia de arco Para los dispositivos de protección que usan teleprotección entre los dos extremos de la línea, es aconsejable realizar una prueba de extremo a extremo, que implique a ambos los dispositivos de protección y que se base en la simulación de la topología real común. 13 Resumen Para el comportamiento de la protección en líneas paralelas son relevantes las siguientes cuestiones: Hay que tener en cuenta el impacto del acoplamiento mutuo con líneas paralelas sobre el comportamiento de la protección de distancia Las impedancias monopolares y de acoplamiento mutuo deben determinarse con una medición en campo El concepto de protección y los ajustes de protección deberán tener esto en cuenta Es necesario realizar pruebas de los dispositivos de protección usando la topología real y con escenarios de fallas reales, incluidos los efectos del acoplamiento mutuo Un software de prueba flexible para la simulación de estos escenarios que permita unas pruebas realistas Las pruebas del comportamiento de la protección que implican teleprotección y acoplamiento mutuo requieren pruebas de extremo a extremo Con un nuevo software de prueba, que permita un modelado sencillo y una simulación de la situación real, es posible realizar pruebas eficaces y obtener un mejor concepto de protección y funcionamiento. 8 Australian Protection Symposium
14 Referencias [1] Apostolov, A.; Tholomier, D.; Sambasivan, S.; Richards, S.: Protection of Double Circuit Transmission Lines. Texas A&M Protective Relaying Conference 2007; College Station, EE.UU. [2] Caldero, F.: Mutual Impedance in Parallel Lines Protective Relaying and Fault Location Considerations. Schweitzer Engineering Laboratories Technical Paper 2008; Pullman, EE.UU. [3] Kaiser, S.: Different Representations of the Earth Impedance Matching in Distance Protection Relays or What Impedance Does a Digital Distance Protection Relay Measure? OMICRON User Meeting 2004; Friedrichshafen, Alemania [4] Klapper, U; Apostolov, A.; Kruger, M.; Kaiser, S.: Improving Distance Protection Performance Through Line Impedance Measurements. APAP 2007; Jeju, Corea [5] Luxemburger, R.; de Villiers, W.: Calculation and Verification of Distance Protection Settings Based on Line Impedance Measurements. PAC World Conference 2013; Dublin, Irlanda [6] Luxemburger, R.; de Villiers, W.: Negative K-Factor Setting for Power Cables Explained via Sequence Impedance Measurements. Jicable 2011, Versailles, Francia Acerca de los autores Dipl.-Ing. (FH) Christopher Pritchard nació en 1982 en Dortmund / Alemania. Recibió su diploma en Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Dortmund en 2006. Se unió a OMICRON electronics en 2006, donde trabajó en el desarrollo de software de aplicación en el campo de soluciones de pruebas para sistemas de protección y medida. christopher.pritchard@omicron.at Dipl.-Ing. Thomas Hensler nació en 1968 en Feldkirch / Austria. Recibió su diploma (licenciatura) en Informática en la Universidad Técnica de Viena en 1995. Se unió a OMICRON electronics en 1995, donde trabajó en el desarrollo de software de aplicación en el campo de soluciones de pruebas para sistemas de protección y medida. Además es responsable de la gestión de productos de software de aplicación para las pruebas de protección. thomas.hensler@omicron.at Australian Protection Symposium 9
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