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8 julio, 2018

Esquemas Switch-on-to-Fault en líneas de transmisión

En este artículo trataremos sobre los esquemas Switch-on-to-Fault o esquemas de conmutación a falla, los cuales serán explicados en el contexto de la capacidad de carga del relé de una línea de transmisión.

 
INTRODUCCIÓN
 

Los esquemas de conexión a falla (SOTF) son funciones de protección diseñadas para activar un interruptor de línea de transmisión cuando se cierra en una línea averiada. Los esquemas SOTF dedicados están disponibles en varios diseños, pero dado que los elementos detectores de fallas tienden a ser más sensibles que las funciones de protección de línea convencionales basadas en impedancia, generalmente están diseñados para ser “armados” sólo por un breve período después del cierre del interruptor. Dependiendo de los detalles del diseño del esquema y de la configuración de los elementos, puede haber implicaciones para la capacidad de carga de los relés de línea. Este documento aborda esas implicaciones en el contexto del diseño de esquemas.

 

APLICACIONES DE SOTF SCHEME
 
Los regímenes SOTF se aplican por una o más de tres razones:
 

1. Cuando un esquema de protección basado en impedancia utiliza transformadores de voltaje de lado de línea, se requiere lógica SOTF para detectar una falla trifásica cercana a la entrada para proteger contra el cierre de un interruptor de línea en dicha falla. Un relé de impedancia de fase cuya característica de disparo de estado estable pasa a través del origen en un diagrama R-X generalmente no funcionará si se aplica una tensión cero al relé antes de cerrarse en una falla de tensión cero. Esta condición ocurre con mayor frecuencia cuando un interruptor se cierra en un conjunto de tierra trifásica que el personal de operaciones/mantenimiento no pudo remover antes de re-energizar la línea. Cuando esto ocurre en ausencia de protección SOTF, la protección de la línea no operará para disparar el interruptor, ni se iniciará la protección de falla del interruptor, posiblemente resultando en disparo retardado en numerosas terminales remotas. También puede ocurrir inestabilidad de la unidad y caída de bloques masivos de carga.

 

Los ajustes de captación del detector de fallas de corriente SOTF deben ser lo suficientemente bajos como para permitir la detección positiva de fallas trifásicas cercanas bajo lo que se considera como la impedancia “en el peor de los casos” (máxima) impedancia al bus de fuente.

 

2. Cuando un esquema de protección de impedancia utiliza transformadores de voltaje de lado de línea, los detectores de falla de corriente SOTF pueden operar significativamente más rápido que las unidades de impedancia cuando un interruptor se cierra en una falla en cualquier parte de la línea. Las características dinámicas de las unidades de impedancia típicas son tales que su velocidad de operación se ve afectada si las tensiones de polarización no están disponibles antes de la falla.
Los ajustes de captación del detector de fallas de corriente generalmente serán más bajos en esta aplicación que en (1) arriba. Cuanto mayor sea la cobertura deseada y mayor sea la impedancia de la fuente, menor será el ajuste.

 

3. Independientemente de la ubicación del transformador de voltaje, los esquemas SOTF pueden permitir la eliminación de fallas a alta velocidad a lo largo de toda la línea sin tener que depender o esperar en un esquema de disparo asistido por comunicaciones. Los detectores de fallas basados en corriente o impedancia deben ser configurados para alcanzar el terminal de línea remoto para lograr ese objetivo.

 

Es posible que los objetivos citados no sean totalmente compatibles con los requisitos de capacidad de carga de la línea NERC en función del diseño del esquema SOTF y de los ajustes correspondientes.

 
CONSIDERACIONES SOBRE LA CAPACIDAD DE CARGA DE LAS LÍNEAS SOTF
 

La protección SOTF no debe funcionar suponiendo que los terminales de la línea estén cerrados desde el principio y que lleven a cabo hasta 1,5 veces el valor nominal de la línea de emergencia, sin perjuicio de las excepciones técnicas aplicables. También existe una preocupación, basada en los eventos reales que han ocurrido en relación con los apagones, por el funcionamiento no deseado de los esquemas SOTF cuando un interruptor se cierra en una línea que ya está energizada desde otro terminal. La protección SOTF no debe funcionar cuando un interruptor se cierra en una línea sin salida de corriente, que se energiza con una tensión superior a 0,85 POR UNIDAD desde el terminal remoto.
 
Sin embargo, 0.85 por unidad de voltaje no debe interpretarse como un límite por debajo del cual no hay preocupación. Ha habido situaciones en las que el voltaje de la línea de pre-cierre era de 0.80 por unidad o menor, y en las que la necesidad de restaurar el camino de transmisión era crítica. El objetivo, por lo tanto, es que los esquemas SOTF no operen falsamente para ninguna condición en la que se requiera el cierre de interruptores ya sea por decisión del operador del sistema o por un esquema de reconexión automática.

 
Este objetivo puede lograrse con una combinación de técnicas que incluyan, pero no se limiten a ellas:
 

  • Utilizar un diseño de esquema SOTF que sólo se habilita en el período inmediatamente posterior al cierre del interruptor.
  • Ajuste los detectores de tensión de línea SOTF (utilizados para activar la desconexión SOTF) no más alto de lo necesario para anular las tensiones inducidas en la línea cuando están abiertos en todos los terminales.
  • Ajuste los detectores de fallas de corriente SOTF a un valor no inferior al requerido para eliminar una falla trifásica cercana en las condiciones de peor caso (máxima impedancia de la fuente).

 

Es posible que los esquemas SOTF existentes no tengan la flexibilidad necesaria en cuanto a la lógica del esquema o a la gama de ajustes disponibles para satisfacer los requisitos de capacidad de carga de la línea NERC y cumplir al mismo tiempo los requisitos mínimos de protección contra fallos. En estos casos, los propietarios de la protección de los sistemas de transmisión deben implementar actualizaciones del sistema.

 
DISEÑOS DE ESQUEMAS SOTF
 
1. Sobreintensidad instantánea de fase instantánea de disparo directo de alta tensión

Este esquema no es técnicamente un esquema SOTF, ya que está en servicio en todo momento, pero puede ser aplicado bajo ciertas circunstancias para eliminar fallas de cero voltaje. Utiliza una unidad o unidades de sobreintensidad de fase instantánea de alta tensión y habilitada continuamente.
Este sistema debe aplicarse de manera que se cumplan todas las condiciones siguientes:

  • Los relés de sobreintensidad deben estar ajustados para detectar la falla en las condiciones de “caso más desfavorable” (máxima impedancia de la fuente).
  • Los relés de sobreintensidad no deben funcionar en condiciones de fallo externo o para oscilaciones estables de la carga.
  • De acuerdo con los requisitos de capacidad de carga del relé NERC, como se indica en Protection System Review Program – Beyond Zone 3, de agosto de 2005, los ajustes de sobreintensidad deben ser superiores a 1,5 veces el valor nominal de la línea de emergencia de cuatro horas, sujeto a las excepciones técnicas aplicables.

Cuando estos requisitos estén en conflicto, el sistema debe sustituirse por uno que cumpla todos estos requisitos.
 
2. Esquemas SOTF dedicados

Los esquemas SOTF dedicados generalmente incluyen lógica diseñada para detectar un interruptor abierto y para disparar instantáneamente por corriente o elementos de impedancia sólo por un breve período después del cierre del interruptor. Las diferencias en los esquemas residen en:

  • el método por el cual se deduce el cierre del interruptor automático
  • si hay un requisito de esquema que indique que la línea está muerta durante algún tiempo antes de armar el disparo SOTF.
  • la elección de los elementos de disparo
  • método por el cual se inhabilita el esquema después del cierre del interruptor automático

En el caso de los relés modernos, cada fabricante tiene su propio diseño, en algunos casos con opciones de usuario para la lógica del esquema y los ajustes de los elementos.
 
En algunos esquemas SOTF se incluye el uso de contactos auxiliares del interruptor y/o señalización de “cierre” del interruptor, lo que limita la exposición del esquema a situaciones reales de cierre del interruptor.
 
En otros, la declaración de cierre del interruptor se deriva únicamente del estado de los elementos de tensión y corriente. Esto se considera marginalmente menos seguro contra el mal funcionamiento cuando los terminales de la línea están (y han estado) cerrados, pero puede reducir la complejidad del esquema cuando la línea termina en múltiples interruptores, cualquiera de los cuales se puede utilizar para energizar la línea.
 
Una segunda característica incluida en muchos esquemas SOTF es el requisito de que la tensión de línea sea lo suficientemente baja como para que se considere muerta como condición previa para armar el disparo SOTF y, en muchos casos, como condición que debe seguir existiendo cuando se declara el disparo SOTF. Se trata de una medida de seguridad destinada a evitar que el SOTF se desplace cuando la línea está viva. Una consideración primordial en el diseño y aplicación de esquemas con supervisión de voltaje de línea es la configuración de la unidad de voltaje. Idealmente, la captación del detector de voltaje de línea debe ser puesta por debajo de cualquier voltaje creíble del sistema, pero por encima de cualquier voltaje de línea que podría ser inducido por la proximidad de las líneas en el mismo derecho de paso. Cuanto mayor sea el ajuste de captación de la unidad de voltaje, mayor será el riesgo de que el interruptor se cierre en una línea que está viva, pero sigue indicando que está muerta debido a una tensión inferior a lo normal.
 
Bajo los requisitos actuales de capacidad de carga de la línea NERC, los ajustes de captación de la unidad de voltaje de línea por encima de 0,85 por unidad (o cuando la tensión de línea no se incluye como parte del esquema) requieren que los detectores de falla de corriente se ajusten por encima de 1,5 veces el valor nominal de la línea de emergencia de cuatro horas, sujeto a las excepciones técnicas aplicables.

 
Se sugieren tres criterios individuales para los ajustes en las unidades de sobreintensidad, dependiendo de los ajustes de captación de la unidad de tensión de línea:

  • Para los ajustes de tensión de 0,85 por unidad o superior (o sin supervisión de tensión), los elementos de sobreintensidad deben estar ajustados a 1,5 veces el valor nominal de la línea de emergencia de cuatro horas o superior.
  • Para los ajustes de voltaje entre 0.70 y 0.85 por unidad, se recomienda que los detectores de falla de corriente (u otros) se ajusten lo suficientemente bajos como para detectar una falla trifásica cercana bajo las condiciones de peor caso (máxima impedancia de la fuente) asumiendo que no pueden ser ajustados por encima de 1.5 veces el criterio de clasificación de la línea de emergencia de cuatro horas.
  • Para los ajustes de tensión inferiores a 0,70 por unidad, no se sugiere ningún criterio de capacidad de carga del relé.

SOTF Y RECONEXIÓN AUTOMÁTICA
 

El hecho de que los esquemas de reconexión automática estén supervisados generalmente por elementos de bus y tensión de línea da lugar a problemas de coordinación de tensión entre los esquemas de reconexión y SOTF. El tema de la reconexión automática de las líneas de transmisión en condiciones de tensión del sistema será objeto de un futuro documento; sin embargo, es conveniente discutir entretanto la interrelación.

 
1. Cierre en una línea desenergizada

Tanto para los esquemas SOTF como de reconexión, la pregunta que se plantea al cerrar una línea desenergizada es:”¿Qué constituye’ desenergizado’? La supervisión de la tensión de reconexión de la línea de cierre suele ser tan baja como 0,2 o 0,3 por unidad. En algunas líneas, el ajuste debe ser significativamente mayor debido a la tensión inducida capacitivamente de otros circuitos que ocupan el mismo derecho de paso.
 
Con la consideración apropiada de la supervisión de voltaje de reconexión de la línea de cierre, no hay problemas de coordinación entre SOTF y reconexión automática en una línea desenergizada.

 
2. Cerrando una Línea Energética

La lógica de reenganche para el terminal “follower” puede incluir (además de un elemento de comprobación de sincronización) detectores de tensión de bus activo y de línea activa, configurados en o por encima del voltaje más bajo del sistema para el cual se considera deseable el reenganche automático. No es inusual un ajuste en las inmediaciones de 0,8 POR UNIDAD. Si el pre-cierre de la tensión de línea es el principal medio para evitar el disparo del SOTF en condiciones de carga pesada, es claramente deseable desde un punto de vista de seguridad.
 
Punto de vista de que los detectores de tensión de línea SOTF deben configurarse para captar una tensión inferior a la de los detectores automáticos de tensión de línea activa, o en este caso inferior a 0,8 por unidad. Cuando esto no sea posible, los elementos detectores de fallas del SOTF son susceptibles a la operación de cierre en una línea energizada, y no deben ajustarse más alto de lo necesario para detectar una falla trifásica de cierre en las condiciones más desfavorables (máxima impedancia de la fuente) asumiendo que no se pueden ajustar por encima de 1,5 veces los criterios de clasificación de la línea de emergencia de cuatro horas.

 
3. Reenganche simultáneo de alta velocidad de dos o más terminales de una línea

El reenganche de alta velocidad puede eludir las salvaguardias SOTF que existen para el reenganche diferido del plazo de entrega, ya que se puede esperar un flujo de energía considerable en un período de tiempo muy corto después del cierre de la línea de entrega. Para algunos esquemas SOTF, el éxito de la reconexión de alta velocidad puede depender únicamente del ajuste actual del detector de fallas y de la carga que fluye en el momento en que los interruptores están cerrados. Si el ajuste es insuficiente para evitar el disparo de uno o ambos terminales, es posible que uno o más cierres diferidos tengan éxito.
 
La inmunidad a los falsos disparos en el cierre de alta velocidad puede ser aumentada usando la lógica del esquema que retrasa la acción de los detectores de fallas el tiempo suficiente para que los detectores de voltaje de línea recojan y bloqueen instantáneamente el disparo SOTF.
 
Algunos diseños SOTF pueden proporcionar inmunidad a la carga al exigir que la línea indique que la línea está muerta durante un período más largo que el tiempo de reconexión de alta velocidad, pero el uso de esta característica puede comprometer la protección SOTF para una falla permanente, próxima a la entrada y trifásica.

 
4. Otras situaciones de cierre

Es probable que haya una brecha entre los ajustes de la línea de cierre del esquema de reconexión y el voltaje de la línea en vivo. Para esas condiciones, no se producirá el cierre automático. Otras condiciones que podrían impedir la reconexión automática incluyen un ángulo excesivo a través del interruptor abierto y el funcionamiento de esquemas de bloqueo de reconexión fuera de paso. El cierre manual puede o no ser deseable en estas situaciones, y cualquier determinación de este tipo tendrá que ser hecha por los operadores. Los operadores deben ser conscientes de que los sistemas SOTF (y, en este caso, los elementos protectores convencionales de la línea) pueden impedir inevitablemente el restablecimiento de la línea en estas condiciones.

 

Se debe tener en cuenta que los ángulos de voltaje grandes a través del interruptor cerrado, ya sea cuando se cierra en una línea energizada o cuando se reconectan simultáneamente múltiples terminales de una línea, pueden resultar en corrientes transitorias considerablemente superiores a 1.5 veces el valor nominal de la línea de emergencia de cuatro horas.
 
Dependiendo del tipo específico de elementos SOTF utilizados y de su configuración, pueden funcionar en estas condiciones.

 
ESQUEMAS SOTF TÍPICOS EN SERVICIO

A continuación se describen varios esquemas SOTF, no con el propósito de promover un diseño en particular, sino para ilustrar aspectos de fiabilidad y seguridad.
 
esquema1
 

El esquema A describe una aplicación típica de los relés electromecánicos de corriente y voltaje donde los relés de voltaje están conectados a potenciales de línea. Como es evidente, el disparo sólo se activa durante 250 milisegundos después del cierre del interruptor. Por lo tanto, el esquema está protegido contra el disparo en condiciones en las que ambos terminales de línea ya están cerrados, independientemente de la corriente de carga o la tensión de línea.

 

Si el disyuntor local se está cerrando para energizar una línea infalible, el esquema está protegido contra el disparo siempre que el detector de fallas de corriente se fije por encima de la corriente de carga de línea, así como cualquier corriente de carga derivada, incluyendo la corriente de entrada de magnetización del transformador. Un retardo de tiempo corto en la entrada del detector de fallas de corriente incrementaría la seguridad al permitir que el tiempo del detector de voltaje de línea bloquee el disparo. Tal característica también podría ser útil en aplicaciones de reconexión simultánea de alta velocidad.

 

Si la línea ya está energizada desde el terminal remoto cuando el disyuntor local está cerrado, el esquema es seguro para evitar que se dispare a través de la carga, siempre que el detector de voltaje haya captado.

 

En este ejemplo, el diseño del relé de voltaje fue tal que no pudo configurarse para capturar menos de 0.85 por unidad de voltaje. Se considera aceptable un ajuste de 0,85 por unidad de voltaje. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, con un ajuste de voltaje tan alto, los detectores de fallas de corriente deben ser ajustados sólo lo suficientemente bajos como para garantizar la eliminación de una falla trifásica cercana asumiendo que no pueden ser ajustados por encima de 1.5 veces los criterios de clasificación de la línea de emergencia de cuatro horas.

 
esquema2
 

El esquema B no confía en los contactos auxiliares del interruptor para indicar una situación de cierre del interruptor, sino que confía en una combinación de subtensión de línea y subtensión de línea para armar el disparo SOTF. Esto puede ser una característica atractiva para las líneas que terminan en interruptores múltiples.
 
Sólo hay un detector de nivel de corriente (muy bajo) que se utiliza para la detección de sobreintensidad y de subcorriente, lo que parece hacer que este esquema sea susceptible a un funcionamiento no deseado.
 
Sin embargo, el retardo de tiempo de 20 milisegundos y la lógica general del esquema deberían proporcionar inmunidad contra el disparo falso para situaciones de carga de alta corriente de carga y de carga con toma, y también para aplicaciones de reconexión simultánea de alta velocidad, ya que el detector de nivel de voltaje debería retomar antes de la expiración del temporizador de 20 milisegundos.

 
esquema3
 

El Esquema C protege contra el cierre en una falla atornillada y también proporciona protección instantánea de bus con los interruptores cerrados y el interruptor de línea abierto. Dado que la subtensión es la única condición que permite el disparo de los brazos SOTF, es importante tener en cuenta la posible pérdida de potencial trifásico. Con el ajuste de voltaje indicado, el esquema es por lo demás inmune a la operación no deseada al cerrarse en una línea energizada.

 
esquema4
 

El esquema D es un diseño basado en microprocesador que no utiliza un elemento de voltaje.
 
El disparo de sobreintensidad (50H) se activa momentáneamente inmediatamente después de cerrar el interruptor, independientemente de que la línea esté o no viva desde el terminal remoto. El uso de este esquema “tal como está” requeriría que el ajuste de 50H cumpla con los requisitos de capacidad de carga de la línea NERC. Tenga en cuenta que con las capacidades de los relés basados en microprocesador, el usuario puede tener un control considerable sobre la fiabilidad y la seguridad de la protección SOTF añadiendo lógica adicional.

 
esquema5
 

El esquema E utiliza relés electromecánicos y se aplica sobre una base de interruptores en lugar de líneas. Está en servicio sólo en el momento del cierre del interruptor automático, pero al igual que en el caso del esquema D, no discrimina entre una línea viva y una línea muerta. Esto requiere que el detector de fallas por corriente de corte se ajuste de acuerdo con los requisitos de capacidad de carga NERC.
 
El temporizador de tres segundos es una medida de seguridad destinada a desactivar el esquema si por alguna razón se mantiene la señal de cierre.
El temporizador de 0,5 segundos es un “ensanchador de impulsos”, que puede ser necesario para la fiabilidad si la naturaleza del control de cierre del interruptor hace que el impulso de cierre se interrumpa prematuramente.

 
CONCLUSIÓN
 

Los esquemas SOTF son un elemento importante de la protección de los sistemas de transmisión. Sin embargo, a menos que se apliquen cuidadosamente, pueden comprometer la capacidad del sistema de transmisión para tolerar cargas pesadas. Este trabajo ha presentado la relación entre el propósito pretendido de los esquemas SOFT y los métodos introducidos por los cuales los esquemas SOFT pueden hacerse más tolerantes a las condiciones de carga pesada.

 
Esta es una traducción del borrador del documento técnico preparado por System Protection and Control Task Force Of the North American Electric Reliability Council .
 
Se agradece a North American Electric Reliability Council por el valioso aporte.

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