RELE DE DISTANCIA 21.doc

RELES DE DISTANCIA Es la forma mas comun de protección en líneas de transmision de alto voltaje, las lineas tienen su impedancia por ilómetro, ! usando este valor ! comparandolo con el voltaje ! la corriente la distancia a la falla puede ser determinada" El códi#o ANSI para los reles de protección a distancia es el $%, este tam&ien es llamado rel' de impedancia A diferencia diferencia de las protecciones para fase ! neutro convencionales, la ventaja de la  proteccion de distancia es (ue la co&ertura de la falla del circuito a prote#er es virtualmente independiente de las variaciones de la impedancia de la fuente"

)i#" *entajas de la proteccion de distancia frente a la proteccion de so&recorriente convencional"

La Impedancia de una linea de Transmisión es proporcional a su lon#itud, para la medicion de distancia es apropiado usar un rel' capa+ de medir la impedancia de una línea asta un punto determinado -reac point." Este rel' es el rele de distancia ! es dise/ado solo para operar con fallas (ue pudieran ocurrir entre la locacion del rel' ! el seleccionado reac point, dando una discriminacion para fallas (ue pudieran ocurrir en diferentes secciones de la linea" El principio &0sico de operación de la protección a distancia involucra la división del voltaje en el punto donde se encuentra el rel' entre la corriente medida, la impedancia aparente calculada es comparada con la impedancia del reac point, si la impedancia medida es menor (ue la impedancia del reac point, se asume (ue e1iste una falla entre el rel' ! el reac point" El reac point del rel' es el punto a lo lar#o de la impedancia de la linea locali+ado en la frontera característica del rel', el cual es dependiente de la relacion de voltaje, corriente ! an#ulol de fase entre ellos, lo cual nos permite representarlo en un dia#rama R23" La  posición de las impedancias del sistema de potencia, vistas por el rel' durante fallas, oscilaciones de potencia ! variaciones de car#a tam&ien pueden ser representadas en el mismo dia#rama, de esta manera el desempe/o del rel' en presencia de fallas del sistema ! pertur&aciones puede ser estudiado" Desempe/o del Rel' El desempe/o del rel' de distancia esta definido en t'rminos de precisión de alcance ! tiempo de operación, la precision de alcance es una comparacion del alcance omico del rel' durante condiciones normales de operacion con un valor predeterminado en oms" La  precision de alcance depende particularmente del nivel de voltaje presente en el rel' &ajo condiciones de falla, las t'cnicas de medición de la impedancia empleadas en dise/os especificos del rel' tam&ien tienen impacto" Los tiempos de operacion pueden variar con la corriente de falla, con la posicion de la falla respecto a la posicion del rel' en el sistema de transmisión ! en el punto de la onda de voltaje al cual ocurre la falla" Dependiendo de la tecnica de medición empleada en el dise/o particular del rel', errores transitorios en las se/ales de medida tales como las producidas po r transformadores,  pueden tam&ien retrasar adversamente el tiempo de operacion para fallas cercanas al reac point" Reles electromecanicos o de distancia est0tica Con los rel's electromecanicos ! dise/os estaticos anteriores, la ma#nitud de las cantidades de entrada particularmente influ!en en las dos caracteristicas del desempe/o, la precision de alcance ! el tiempo de operacion, comercialmente es usual presentar la

informacion del desempe/o del rel' por curvas voltaje2alcance, como se muestra en la fi#ura ! las relaciones Tiempo de operacion2posicion de la falla en curvas con varios valores de relacion de impedancias del sistema -S"I"R"4s. como se muestra en la fi#ura S " I " R



 Z S 

Donde5  Z  L 6s 7 impedancia fuente del sistema, detras de la posicion del rel' 6l 7 impedancia de la linea e(uivalente al alcande predeterminado del rele

caracteristicas tipicas de impedancia de precision para la +ona %

)i#"

Caracteristicas tipicas de tiempo de operación para la +ona %, fallas de )ase a )ase Alternativamente, la informacion anterior es com&inada en una familia de curvas, donde la posición de la falla, e1presada como un porcentaje del ajuste del rel' es ploteada contra la relacion entre las impedancias de fuente ! línea, tal como se muestra en la fi#ura

RELES DE DISTANCIA DI8ITALES2N9:ERIC;S Los rel's de distancia di#itales tienden a tiempos de operación mas consistentes, 'stos son por lo #eneral li#eramente mas lentos (ue los dise/os anti#uos de rel's de distancia en operacion en las mejores condiciones, pero sus ma1imos tiempos de operacion son tam&ien pe(ue/os &ajo condiciones adversas de formas de onda o por condiciones de fallas en la frontera" RELACI;N ENTRE EL *;LTAara una falla en el reac point, esto puede ser alternativamente e1presado en terminos de la relacion 6s26l por medio de las si#uientes e1presiones" V  R



 I  R ? Z  L

Donde  I  R



V   Z  s



 Z  L

>or lo tanto5 Lo (ue tam&ien se puede e1presar  como5

V  R

V  R





 Z  L  Z S   Z  L

?V 

%

?V 

Las relaciones antes descritas - Z S  2  Z  L .  % entre *r ! 6s26l se ilustran en la fi#ura, es valida para todo tipo de cortocircuitos demostrando al#unas re#las simples, estas son5 I" >ara las fallas de fase, * es el voltaje entre )ases de la fuente ! la relacion 6s26l es la relacion de impedancias de secuencia positiva entre la fuente ! la linea" *r es el voltaje de fase aplicado al rel' e Ir es la corriente de fase del mismo, para las respectivas fallas de fase" V  R



% - Z S  2  Z  L .  %

?V   fase

II" >ara fallas de tierra, * es el voltaje de fase a neutro de la fuente ! 6s26l es una relacion compuesta (ue involucra las impedancias de secuencia cero ! secuencia positiva" *r es el voltaje fase a neutro aplicado al rel' ! Ir es la corriente en rel' para la fase en falla" V  R

Donde

% ? V   fase neutro $   p - Z S  2  Z  L .. % $q  Z  s  $ Z S %   Z S @   Z S % -$  p.



 Z  L

=





$ Z  L%   Z  L@



 Z  L% -$  p.

 Z   p  S @  Z  q   Z  LS @%  Z  L%

6;NAS DE >R;TECCI;N 9na cuidados a seleccion del ajuste del alcande ! los tiempos de disparo para las varias +onas de medida, a&ilita una correcta coordinación entre los reles de distancia en sistemas de  potencia" Ajuste de +ona % Los rel's

electromecanicos usualmente tienen ajustado un alcande de asta @B de la impedancia de la linea prote#ida" >ara los rel's di#itales los ajusten de asta un B son se#uros" Los resultantes %$@B son mar#enes de se#uridad (ue ase#uran (ue no a! ries#o (ue en la +ona % se presente un so&realcance de la linea de&ido a errores en los transformadores de corriente ! voltaje, impresiciones en la los datos de la impedancia de la línea" Ajuste de +ona $ >ara ase#urar un cu&rimiento completo de la linea con cierta tolerancia para las fuentes

de error descritas en la +ona % la proteccion de&e ser al menos de %$@B de la impedancia de la linea a prote#er, en mucas aplicaciones es practica comn esta&lecer el alcance de la +ona $ i#ual al de la linea a prote#er mas el @B de la linea ad!acente mas cercana" Cuando sea posi&le esto ase#ura (ue el ma1imo alcance efectivo de la +ona $ no se e1tienda mas alla del alcance de la +ona % de la linea ad!acente, esto evita la necesidad de una re#ulacion en ajustes de tiempo entre los rel's situados a#uas arri&a ! a#uas a&ajo" El disparo de la +ona $ de&e ser retrasado en el tiempo para ase#urar la clasificacion con los reles primarios aplicados a circuitos ad!acentes (ue caen en el alcance de la +ona $" Asi se lo#ra una completa co&ertura de una seccion de la linea, con una r0pida eliminacion de fallos en el primer @B de la línea ! otra un poco lenta eliminacion de fallos en la seccion restante de la linea" Ajuste de +ona F El apo!o de proteccion remota para todas las fallas en lineas ad!acentes pu ede ser  proveido por una tercera +ona de proteccion (ue esta retrasada en el tiempo para discrimirar la proteccion de la +ona $ mas el tiempo de disapro de los circuit &reaer pra la linea ad!acente" El alcance de la +ona F de&e ser ajustada al menos %"$ veces la impedancia presentada al rel' para una falla remota al final de la se#unda linea"

CARACTERISTICAS DEL RELE DE DISTANCIA

Al#unos rel's numericos miden la impedancia a&soluta de falla ! lue#o determinan si la operación es re(uerida de acuerdo a los limites de impedancia definidos en el dia#rama R23" Los reles tradicionales ! los reles numericos (ue emulan los elementos de impedancia de los reles tradicionales no miden la impedancia a&soluta, ellos comparan el voltaje de falla medido con una replica de voltaje derivado de la corriente de falla ! el ajuste de la impedancia de la +ona para determinar si la falla esta dentro o fuera de la +ona" Los comparadores o al#oritmos de los reles de distancia (ue emulan a los comparadores tradicionales, est0n clasificados de acuerdo a sus carac terísticas polares, el numero de se/ales de entrada (ue poseen, ! el m'todo por el cual las comparaciones son reali+adas son medidas" Los tipos comunes comparan cual(uiera de los dos, la amplitud relativa o el desfase de dos valores de entrada para o&tener las caracteristicas operativas (ue son cual(uiera de las dos, lineas rectas o circulos al ser ploteados es un dia#rama R23" C;:>ARACI;N ENTRE LA A:>LIT9D = EL DES)ASE Los elementos de medicion de rel' cu!a funcionalidad esta &asada en la comparacion de dos cantidades independientes son esencialmente cual(uiera de los dos, comparadores de amplitud o de fase" >ara los elementos de impedancia de un rel' de distancia los elementos a comparar son el voltaje ! la corriente medida por el rel'" Ga! mucas t'cnicas de comparación disponi&les para reali+ar la medición, dependiendo de la tecnolo#ia usada" Estos varian desde &alanced&eam -comparacion de amplitud. e induction cup -comparacion de fase. am&os reles electroma#neticos" Cual(uier tipo de impedancia característica o&teni&le con un comparador es tam&ien o&teni&le con el otro, la adicion o su&stracción de se/ales para un tipo determinado de comparador produce la se/al re(uerida para o&tener una caracteristica similar usando el otro tipo" >or ejemplo, al comparar * e I en u n comparador de amplitud resulta en una impedancia de caracteristica circular centrada en el ori#en del dia#rama R23, Si la suma ! diferencia de * e I son aplicadas al comparador d e fase el resultado es una caracteristica similar"

Caracteritica de impedancia plana Esta caracteristica no toma en cuenta el an#ulo de desfase entre el voltaje ! la corriente aplicados, de&ido a esto al plotear la impedancia, esta se caracteri+a por ser un circulo en el dia#rama R23 con su centro en el ori#en de coordenadas ! un radio i#ual al ajuste del rel' en oms, la operacion del sistema ocurre para todo valor de impedancia inscrita dentro del circulo descrito" Esta característica del rel' se descri&e en la fi#"%%"H, este es por lo tanto no direccional ! en esta forma operara para todas las fallas a traves del vector AL ! tam&ien para todas las fallas detras de las arras asta el valor de la impedancia A:" Ga! (ue considerar (ue A es el punto donde se locali+a el Rel' ! RA es el 0n#ulo por el cual la corriente de falla se ralenti+a con respecto al voltaje aplicado en el rel'para una falla en la linea A" RAC es el 0n#ulo e(uivalente de adelanto para una falla en la linea AC" El vector A representa la impedancia al frente del rel' entre el punto de u&icación del rele -A. ! el

final de la linea -A." El vector AC representa la impedancia de la linea AC detras del  punto de u&icacion del rel', AL repesenta el alcance de la proteccion instant0nea en la +ona % ajustada para cu&rir del @ al  B de la linea a prote#er"

9n rel'

usando esta características tiene tres importantes desventajas5 I" No es direccional, el rel' ver0 las fallas en am&os flancos, tanto delante como detr0s de su u&icacion, por lo tanto necesita un elemento direccional para ejecutar una correcta discriminación" II" >osee una co&ertura de resistencia de falla no uniforme III" Es sucepti&le a variaciones de potencia ! a car#as elevadas para una linea de #ran lon#itud, de&ido a la #ran area cu&ierta por el circulo de impedancia" El control direccional es esencial para la calidad de discriminación en un rel' de distancia" >ara (ue el rel' no se responsa&ili+e por fallas fuera de la linea a prote#er, esto

 puede ser o&tenido por la adición de un control direccional por separado, la #rafica característica de un control direccional en el dia#rama R23 es una linea Recta, asi la característica com&inada del rel' direccional ! de impedancia es el semicirculo A>JL mostrado en la fi#ura %%" Si una falla ocurre en ), cerca a C en la linea paralela CD, la unidad direccional Rd en A restrin#ir0 de&ido a la corriente I)%, Al mismo tiempo, el rel' de impedancia es prevenido de operar  de&ido a la unidad Rd, si este control no esta provisto, la impedancia ne#ativa leida en el rel'  podria operar  antes de la a&ertura del circuit &reaer  C" La inversion de la corriente a traves del rel' desde I)% asta I)$ cuando C se a&re puede resultar en un incorrecto disparo de la linea sana si la unidad direccional Rd opera antes de (ue la unidad de impedancia se reajuste" Este es un ejemplo de la necesidad de considerar la correcta coordinacion de los multiples Rel's  para alcan+ar un e1acto desempe/o de los mismos durante condiciones de falla, en los rel's anti#uos esta condicion era conocida como la KCarrera de contactos"

RELÉ MHO AUTOPOLARIZADO El elemento de impedancia :o es conocido #eneralmente como am&os de&ido a su caracteristica linea recta en el dia#rama de ad mitancia" Este com&ina inteli#entemente las

cualidades de discriminación de am&os, control de alcance ! control de direccion, eliminando asi la KCarrera de contactos, pro&lema (ue ocurre #eneralmente al tener unidades de impedancia ! direccion por separado" Todo esto es alcan+ado mediante la adicion de una se/al de polari+acion, los Reles :o son particularmente atractivos por ra+ones económicas donde fueron usados reles electromecanicos, como resultado estos an sido empleados ampliamente alrederor del mundo por mucos a/os ! sus avances ! limitaciones aora son mu! &ien entendidas" >or  esta ra+on aora son aun emulados en los al#oritmos de al#unos de los modernos rel's num'ricos" La caracteristica de un rel' de impedancia mo al ser ploteado en un dia#rama R23 es un circulo cu!a circunferencia pasa a traves del ori#en como se muestra en la fi#ura %%"M-&., esto demuestra (ue el elemento de impedancia es inerentemente direccional ! solo operara con fallas por delante del rel' en direccion de la linea A La caracteristica de impedancia es ajustada por 6n, el alcance de la impedancia a traves del diametro ! el an#ulo , el cual es el an#ulo de despla+amiento del diametro desde el eje R" El an#ulo  tam&ien es conocido como el an#ulo caracteristico del Rel' RCA" El rel' opera para impedancias de falla 6f (ue puede ser ajustado dentro de sus caracteristicas"

Como sa&emos la linea a prote#er consta de resistencia e inductancia, el an#ulo de falla de&er0 ser dependiente de los valores relativos de R ! 3 a la frecuencia de operación del sistema, ajo condiciones de fallas por arco o fallas de tierra (ue involucran ma!or resistencia, el valor del componente resistivo de la impedancia de falla se incrementar0 ! con esto se producira una variacion en el an#ulo de la impedancia, por lo tanto un rel' (ue ten#a un an#ulo característico e(uivalente al an#ulo de la línea no dar0 alcance a detectar fallas de naturale+a resistivas" Es usual, asi ajustar el an#ulo RCA mas &ajo (ue el an#ulo de la línea, para (ue asi sea  posi&le acerptar una pe(ue/a cantidad de resistencia de falla sin causar underreac, sin em&ar#o cuando se ajusta el rel', la diferencia entre el an#ulo de la linea θ y el angulo caracteristico del relé  de&era ser conocido" La caracteristica resultante se muestra en la fi#ura %%"Mc donde A corresponde a la lon#itud de la linea a prote#er, con el an#ulo  menor (ue el an#ulo θ, la cantidad actual de linea protegida, AB sera igual al valor de ajuste del relé AQ multiplicado por el coseno de (θ - ) por lo tanto el ajuste del relé necesario AQ esta dado por:  AQ



 AB cos-    .

Ejemplo de aplicacion de un rel' de distancia El sistema de potencia descrito en la fi#ura %%"$$ muestra una red simple de $F@ O*" El si#uiente ejemplo muestra los calculos necesarios para aplicar la proteccion de distancia a las F +onas de la linea (ue interconecta las su&estaciones AC ! 3=6" Todas las caracteristicas relevantes estan dadas en el dia#rama" >ara este ejemplo se usara el rele :iC;: >PP% con caracteristicas :o"

Impedancia de la linea La impedancia de la linea es 6l7-@"@M Q j @"PH. 1 %@@ 7 "M Q j PH"  7 P"P$  HM"P%U 9saremos valores de P"P$ -ma#nitud . ! @U -an#ulo. Compensacion Residual Los reles usados son cali&rados en terminos de la impedancia de secuencia positiva de la linea a prote#er, de&ido a (ue la impedancia de secuencia cero de la linea entre los puntos AC ! 3=6 es diferente de la impedancia de secuencia positiva, la impedanc ia vista por el rel' en el caso de una falla a tierra, (ue implica el paso de la corriente de secuencia cero, ser0 diferente a la o&servada para una falla de fase" >or lo tanto el alcance de las fallas a tierra del rel' re(uiere una compensación de secuencia cero, para el rel' usado este ajuste es proveido por el factor de compensación residual O6@ (ue es i#ual a