Análisis de Sistemas de Protección empleando DIgSILENT PowerFactory

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, fglongatt@ieee.org.copyright 2009 1/23

Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright 2009 2/23 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 fglogatt@fglongatt.org.ve, jquiros@eie.ucr.ac.cr

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 2009 4/23

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 2009 5/23

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 2009 6/23

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 2009 7/23

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 2009 9/23

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 2009 10/23

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 2009 11/23

CT Saturacion 1200.0 800.00 400.00 0.000-400.00-800.00-1200.0-0.1000 0.000 0.100.. Stromwandler: Mag.-Fluss L1 in V 1200.0 800.00 400.00 0.000-400.00-800.00-1200.0-0.1000 0.000 0.100.. Stromwandler: Mag.-Fluss L2 in V 1200.0 800.00 400.00 0.000-400.00-800.00-1200.0-0.1000 0.000 0.100.. Stromwandler: Mag.-Fluss L3 in V Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright 2009 12/23 0.200 0.200 0.200 DIgSILENT

Característica de tiempo definido 10 [s] 1 0.1 Tfct=Trelay+Tbrk I> I>> Tfct=Trelay+Tbrk 0.01 1000 10000 [pri.a] 100000 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 2009 14/23

Característica de tiempo inverso 10 [s] 1 0.1 Ipset Imin Tpset Tfct=Trelay+Tbrk 0.01 1000 10000 [pri.a] 100000 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 2009 15/23

Características - IEC Normalmente Inverso: Muy Inverso: Extremadamente Inverso: Inverso Largo: = T 0.14 ) t pset 0. 02 ( I / I pset t = T t = T 1 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright 2009 16/23 t = T pset pset pset ( I ( I ( I 13.5 / I ) 1 / I pset 80 ) pset 2 120 / I ) 1 pset 1

Características - ANSI / IEEE Normalmente inversa Inverso corto Largamente inversa Moderadamente inversa Muy inversa Extremadamente inversa Inversa definidad Corriente cuadrada 8.9341 = T pset + 0.17966 ( I / I pset ) 1 0.2663 = T pset + 0. 03393 1. ( I / I pset ) 1 t 2,0938 t 2969 5.64143 t = T pset + 2. 18592 ( I / I pset ) 1 0.0103 t = T pset + 0. 0228 0. 02 ( I / I pset ) 1 = 3.922 t T + 0. 0982 pset 2 ( I / I pset ) 1 5.64 t = T + pset 0. 0243 2 ( I / I pset ) 1 = 0.4797 t T + 0. 21359 pset 1. 5625 ( I / I pset ) 1 50.7 T pset + 10.14 t = 2 ( I / I ) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright 2009 17/23 pset

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 2009 20/23

Interruptores de Bajo Voltaje DIgSILENT 1000 [s] 10 0.1 Im I²t on/off Ir tr Protección instantánea contra cortocircuito Tiempo largo de retardo por proteccion de sobrecarga Tiempo corto con retardo por cortocircuito 0.001 1000 10000 [pri.a] 100000 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 2009 21/23

Caracteristicas de Arranque de Motores 100 [s] 10 1 0.1 In 0 1000 [pri.a] 10000 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 2009 22/23 I a t start I p t inrush t cold t hot I n = 3 U n

Curva Limite de Cables 10 [s] Ithr Tkr I 1 thr T kr Ip 0.1 tinrush 0.01 100 Cable-1 10000 [pri.a] 100000 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 2009 23/23 T k I p t inrush k

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 1 + 234.5 + ϑi ϑf ϑi k = 148 ln 1 + 228 + 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 = 0.0297 log k = 0.0125 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 2009 24/23 k ϑ i ϑ f A T k F ac k 10 10 ϑ f + 234 ϑ + 234 i ϑ f + 228 ϑ + 228 i para Cu para Al

Curva de Sobrecarga de Cables 10000 [s] 1000 100 In 10 100 1000 [pri.a] 10000 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 2009 25/23 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

Curva de Transformadores ANSI/IEEE - Cat. I/II 10000 [s] 1000 100 10 1 0.1 Ip Sn = 1MVA (10kV) tinrush mecánica térmica 12 10 8 7 5 4 uk in % Sn = 0,1 MVA (10kV) 10 100 1000 [pri.a] 10000 Category I Category II Curva de limite térmico Categoría I (0.15-0.5 MVA) Categoría II (0.501-5 MVA) Curva de limite mecánico Categoría II (0.501-5 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 2009 26/23 DIgSILENT

Curva de Transformadores ANSI/IEEE Cat. III/IV 10000 [s] 1000 100 10 1 Sn = 10 MVA (110kV) 100 1000 [pri.a] 10000 Category III mechanical uk in % 12 10 8 7 5 4 thermal Sn = 50MVA (110kV) 12 10 8 7 Category IV 5 4 Curva de limite térmico Categoría III (5.001-30 MVA) Categoría IV ( > 30 MVA) Curva de limite mecánico Categoría III (5.001-30 MVA) Categoría IV ( > 30 MVA) Curvas de cambio de fase ANSI Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright 2009 27/23 DIgSILENT

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 2009 29/23

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 2009 30/23

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 2009 31/23 I L1 I E Z L Z L Z L ZE

Coordinación Impedancia Tiempo A B C D Z1 = (0.8...0.9)*ZAB Z2 = 0.8*(ZAB + (0.8...0.9)*ZBC) Z3 = 0.8*(ZAB + 0.8*(ZBC+ (0.8...0.9)*ZCD)) Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright 2009 34/23 DIgSILENT

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 2009 37/23

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 2009 38/23

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 2009 39/23

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 2009 40/23

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, fglongatt@ieee.org.copyright 2009 43/23 G ~ G1 T1 G ~ G2 T2

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 2009 44/23

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 2009 46/23

Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org.copyright 2009 47/23 Ejemplo: Digrama de Impedancia R-X 100. 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0-110. -100...-90.0-80.0-70.0-60.0-50.0-40.0-30.0-20.0-10.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100. 110. 120. 130. [pri.ohm] -10.0.. R1-Dist -20.0 Zl A 141.551 pri.ohm 17.88 deg Zl B 60.135 pri.ohm 82.35 deg Zl C 140.851 pri.ohm 147.44 deg -30.0 Faulttype: BC Tripping Time: 0.37 s -40.0 Zone3 ZPHPH3: 0.37 s -50.0 R1-Dist R3-Mho-1 [pri.ohm] -60.0 R3-Mho-1 Zl A 131.086 pri.ohm 4.31 deg Zl B 26.306 pri.ohm 81.25 deg Zl C 129.771 pri.ohm 161.03 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

Ejemplo: Z-t Time-grading Diagram 0.46 [s] 0.37 0.28 0.18 0.09 0.00 0.0 21.0 42.0 63.1 84.1 [pri.ohm] HV-UT2 SS-D3 SS-D2 SS-D1 HV-Infeed 105. [pri.ohm] 84.1 63.1 42.0 21.0 0.0 0.00 0.09 0.18 0.28 0.37 0.46 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 2009 48/23 SS-D1 R4-Mho-2 Ph-Ph 3 Zone 3 105. DIgSILENT HV-Infeed

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