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Tema 3 - Conceptos Básicos Sobre Relevadores de Protección
Tema 3 - Conceptos Básicos Sobre Relevadores de Protección
Tema 3 - Conceptos Básicos Sobre Relevadores de Protección
3.1 DEFINICIÓN
Se define al relevador de protección, como el dispositivo electromecánico,
estático o microprocesado que ha sido diseñado para detectar, por medio de
transformadores de instrumentos (TC's y/o TP's), condiciones anormales de
operación en un sistema eléctrico de potencia y operar en límites pre-
ajustados para eliminar ésta condición.
1. Sensibilidad
2. Selectividad
3. Velocidad
4. Confiabilidad
5. Simplicidad
6. Economía
1. Sensibilidad
Todos los equipos de protección deben ser lo suficientemente sensibles para
que operen correctamente cuando se requiera.
Principalmente para que detecte fallas de baja aportación de corriente.
Para evitar que los relevadores de protección no se vean afectados por la baja
aportación de corriente de falla pueden emplearse técnicas como:
Medición de cantidades de Secuencia Cero, Medición de Cantidades de Fase,
Medición de Z=Uf/lf, y medición de la corriente de falla.
2. Selectividad
Los relés deben ser capaces de seleccionar entre las condiciones en que se
requiere una operación rápida y otras en las que debe operar con retraso de
tiempo.
Desconecta sólo el equipo fallado.
La selectividad se logra mediante las siguientes características:
Diferencial.
Esta debe ser inmune a grandes corrientes, lográndolo con un circuito de
restricción.
Dirección.
Los principales factores que afectan a esta característica son:
Transitarías de alta frecuencia
Cierre bajo falla
Filtros
Polarización de fases sanas y memoria
Voltajes y corrientes reversibles
Alcance.
Esta característica es afectada por los siguientes factores:
Transitorios de Alta Frecuencia
Líneas largas / líneas cortas / Líneas paralelas
Carga
Características de medición óptima
Fase.
Algunos factores que la afectan son:
Carga
Corrientes asimétricas
Selector de fase independiente de la carga
3. Velocidad
Además debe operar a la velocidad requerida, por las siguientes razones:
Reducir daño.
Evitar riesgo en personal y equipo.
Reducir esfuerzo y fatiga en equipo.
Reducir ionización.
Incrementar la Transferencia de Potencia.
Aspectos que perjudican la rapidez:
Transitorios de Alta frecuencia.
Saturación de Transformadores de Corriente.
4. Confiabilidad
Es un requerimiento básico que el equipo de protección sea confiable.
La confiabilidad de los relevadores incluye dos aspectos:
Dependabilidad. Grado de certeza que un relevador o un sistema de éstos
opere correctamente, es la habilidad para operar correctamente cuando se
requiera.
5. Simplicidad
Es conveniente tener el mínimo de equipos y de conexiones entre ellos.
6. Economía
Lo que significa tener la máxima protección al mínimo costo.
Relevadores de regulación
Los relevadores de regulación son asociados con cambiadores de taps en
transformadores y sobre gobernadores de equipo de generación para el
control de niveles de voltaje con cargas variables.
Los relevadores de regulación son usados durante la operación normal del
sistema y no responden a fallas del sistema a menos que éstas permanezcan
mucho tiempo en el sistema.
Relevadores de recierre, verificación de sincronismo y sincronización
Los relevadores de recierre, verificación de sincronismo y sincronización,
fueron anteriormente clasificados como “programación”, pero desde que
éste término se usa ahora ampliamente en un contexto diferente como el
relacionado a las computadoras, el cambio nombre ha sido hecho. Los
relevadores de este tipo son usados en la energización o restablecimiento de
líneas en servicio después de una salida de servicio y en la interconexión de
partes del sistema pre-energizadas.
Relevadores de monitoreo
Los relevadores de monitoreo son usados para verificar condiciones en el
sistema de potencia o en el sistema de protección y control. Ejemplos en el
sistema de potencia son detectores de falla, verificadores de voltaje o
unidades direccionales las cuales confirman las condiciones del sistema de
potencia pero que detectan la falla o problema directamente.
Figura RP3
ARREGLO DE RELEVADORES ELECTROMECÁNICOS TIPO ÉMBOLO Y TIPO ATRACCIÓN
Figura RP 4
ARREGLO DE UN RELEVADOR DE DISCO DE INDUCCIÓN DE SOBRECORRIENTE O
SOBREVOLTAJE
Figura RP 5
CURVAS DE TIEMPO INVERSO Y CIRCUITOS DE CORRIENTES Y DE CONTROL DE LA
PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Esta técnica fundamentalmente es ilustrada en la Figura RP 12 y por
simplicidad solamente dos circuitos hacia la zona de protección son
mostrados. Múltiples circuitos pueden existir pero el principio es el mismo.
La suma de las corrientes entrando esencialmente es igual a la suma de las
corrientes saliendo durante la operación normal.
El sistema diferencial de voltaje es similar pero no es tratado en este caso.
Para operación normal y (a través de la condición) de todas las fallas externas,
las corrientes secundarias de la Figura RP 12, en el relevador de protección
es la diferencia de las corrientes de excitación de los transformadores de
corriente conectados diferencialmente.
Figura RP 12
ESQUEMA DIFERENCIAL DE CORRIENTE BÁSICO PARA LA PROTECCIÓN DE
UNA ZONA CON DOS CIRCUITOS
Figura RP 13
RELEVADOR DIFERENCIAL DE PORCENTAJE
Figura RP 14
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE CORRIENTE DE DIFERENTES TIPOS DE
RELEVADORES
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El principio de funcionamiento sobre el que basa su operación el relevador
de distancia es en forma concreta muy simple, y de esa manera lo
intentaremos presentar, sin embargo el análisis de su comportamiento y
diseño presenta un mayor número de variables, lo que hace su comprensión
un tanto compleja; es por esto que, sólo nos remitiremos a los aspectos
básicos de funcionamiento de estos relevadores.
Figura RP 6
ARREGLO DE UN RELEVADOR ELECTROMECÁNICO TIPO CILINDRO
Donde:
Vr = Voltaje en el relevador
Ir = Corriente a través del relevador
n = % de la longitud de línea
Zl = Impedancia de la línea
TIPOS DE CARACTERÍSTICAS
Existen diferentes tipos de relevadores de distancia, a saber: de Admitancia
(Mho y Mho con Offset), de Impedancia y de Reactancia, los cuales se pueden
aplicar bajo diferentes esquemas de protección.
El relevador óhmico
Opera con tres variables: la corriente, el voltaje, y en ángulo de fase entre
estas magnitudes. El elemento de corriente está dispuesto de manera que su
par tiende a cerrar los contactos del relevador. El elemento de voltaje está
dispuesto de manera que su par, en tanto el voltaje permanezca aplicado,
tenderá a vencer el par del elemento de corriente impidiendo que cierre los
contactos.
Individualmente los diferentes elementos del relevador responden como
mínimo a tres de las cuatro cantidades familiares que originan el par:
- Voltaje Par proporcional a E2
- Corriente Par proporcional a I2
- Producto Par proporcional a E I (Φf)
- Par del resorte de control
De forma simple, el relevador manipula estas cantidades como sigue: Los dos
elementos del relevador, bobina de voltaje y bobina de corriente, están
balanceados uno respecto al otro inicialmente.
El circuito, por consiguiente, consta de dos ramas:
Una que va a la bobina de voltaje la cual tiene una resistencia fija y que por
tanto toma corriente que es proporcional al voltaje. La otra rama consiste de
la bobina de corriente en serie con la sección de línea protegida, -una réplica
de ella- y que representa por tanto una rama con resistencia variable.
El valor de esta resistencia depende, de la localización del cortocircuito y las
bobinas están diseñadas de tal forma que la corriente vencerá a la de voltaje
cuando esta resistencia sea menor que un valor preestablecido.
Debido a lo anterior, cuando la falla ocurre más allá de la sección de la línea
protegida, es decir, cuando la resistencia de esa rama en particular sea mayor
que aquella requerida para balancear el relevador, éste no operará.
Del mismo modo cuando la resistencia sea menor que aquella que representa
a la línea protegida, es decir, cuando el cortocircuito esté más cerca del
relevador, el desbalance será más pronunciado y la acción del relevador -su
par- será más positivo.
Figura RP 8
CARACTERÍSTICA EN EL PLANO R-X DEL RELEVADOR DE ADMITANCIA
Figura RP 9
CARACTERÍSTICA EN EL PLANO R-X DEL RELEVADOR DE REACTANCIA
Figura RP 10
CRITERIO DE ALCANCES DEL ESQUEMA DE PROTECCIÓN DE LÍNEA CON
RELEVADORES DE DISTANCIA
Figura RP11
ARBOL GENEALÓGICO DEL RELEVADOR DE DISTANCIA
Existen relevadores con una cuarta zona de protección, la que se utiliza sólo
como unidad de arranque.
Aunque solo se ha hablado de relevadores electromecánicos, éstos se han
comenzado a reemplazar por digitales, que emplean la tecnología de
microprocesadores, los cuales resuelven ecuaciones de álgebra booleana
para determinar sus características de operación y protección.
La Figura RP 11, muestra una breve remembranza del desarrollo tecnológico
que ha tenido este tipo de relevadores a través del tiempo.
Figura RP1
RELEVADORES DEL TIPO DE DISCO Y COPA DE INDUCCIÓN
Figura RP2
COMPORTAMIENTOS DE FLUJOS MAGNÉTICOS EN EL DISCO DE INDUCCIÓN
3.7 CONTACTOS
TIPOS DE CONTACTOS
Cuando un relevador funciona, se refiere a que cierra o abre sus contactos en
respuesta a la operación del mismo.
Se distinguen 2 tipos de contactos:
“a” (N.A.) Normalmente Abierto
“b” (N.C.) Normalmente Cerrado
Se ha tomado por norma que ésta designación será para equipo
desenergizado:
* El Pick-Up (Arranque) de un relevador, es el momento en que la parte móvil
rompe la inercia e inicia el movimiento hacia la operación.
* El Drop-Out (Reposición) es el tiempo empleado por el relé en retornar a su
estado inicial, o también se le llama a la cantidad máxima de la magnitud de
influencia a la cual el relé inicia el paso de operado a desoperado.
3.9 COMPARADORES
FUNCIONES LÓGICAS
Basados en los postulados, teoremas y propiedades del Álgebra de Boole, se
han definido las llamadas FUNCIONES LÓGICAS que realizan las operaciones
lógicas fundamentales entre variables binarias o booleanas.
Estas funciones son:
1. FUNCIÓN “OR” o SUMA LÓGICA
2. FUNCIÓN “AND” o PRODUCTO LÓGICO
3. FUNCIÓN “NOT” o NEGACIÓN
4. FUNCIÓN “NOR”
5. FUNCIÓN “NAND”
6. FUNCIÓN “OR-EXCLUSIVA”
7. FUNCIÓN “NO-OR-EXCLUSIVA”
Con las funciones mencionadas se desarrollan una multitud de aplicaciones
de circuitos lógicos, a los que se denomina COMBINATORIOS, existiendo otro
tipo de circuitos lógicos que también hacen uso de dichas funciones lógicas
agregando elementos de memoria (que pueden también construirse las
funciones lógicas básicas) y que se denominan circuitos lógicos
SECUENCIALES.
FUNCIÓN LÓGICA “AND”
Esta función es conocida con los nombres de función “y”, Producto Lógico,
Conjunto ó Intersección.
Es una función entre dos variables A y B, denotada como A·B, (también AB),
tal que su tabla de verdad está dada por:
O sea, la función existe sólo cuando las dos variables A y B existen al mismo
tiempo.