FUNCIONES DE PROTECCIÓN AVANZADAS PARA FALLAS A TIERRA EN REDES DE DISTRIBUCIÓN

Una de las cosas más importantes que tiene la especialidad de Protecciones de Sistemas Eléctricos, es que, además de conocer los relés de protección disponibles, hay que conocer en detalle, el tipo de Sistema Eléctrico de Potencia y los diversos elementos que lo componen, tanto los activos como aquellos que indirectamente afectan a su comportamiento, por ejemplo el efecto capacitivo de las postaciones, temperaturas ambientes, el tipo de terreno en el cual se distribuye, etc.

Electroingenieria

La protección contra fallas a tierra tiene sus particularidades, y está condicionada con las situaciones del sistema de potencia, como por ejemplo: ¿el Sistema Eléctrico tiene su neutro vinculado a tierra? ¿Esta vinculación es directa o a través de una impedancia limitadora? ¿La línea que se protege es urbana, semiurbana o rural? ¿Se desea que en el caso de un conductor caído que provoca riesgo potencial de electrocución de las personas se desconecte el interruptor principal? ¿Qué valor máximo de resistencia de falla debe detectar el relé en el caso de un conductor caído? Todo esto está muy relacionado con el tipo de terreno: húmedo, seco, pedregoso etc., y varía en cada país o zona.

En algunos territorios, la resistividad del camino de tierra puede ser muy alta debido a la extrema sequedad y naturaleza del terreno. Un fallo del sistema a tierra que no involucre conductores de tierra puede generar una corriente pequeña, insuficiente para operar un sistema de protección estándar. Una dificultad similar se produce cuando se corta un conductor y hace contacto con el poste o cae sobre un suelo seco, en ambos ejemplos el cable puede permanecer energizado debido que la protección no actúa con esta  baja corriente de fuga lo que presenta un grave peligro para personas y animales.

Para eliminar este riesgo, es necesario proporcionar un sistema de protección de falla a tierra con un ajuste que sea considerablemente mejor que la protección de una línea estándar.

 

Algoritmo Cos Phi en protecciones de falla a tierra sensible

Inspirada por la necesidad de una mayor precisión en la detección direccional de las fallas de alta impedancia, los estudios han dirigido el camino hacia la incorporación del algoritmo Cos Phi al grupo de protección de falla a tierra.

Es importante entonces, en la elección del equipamiento instalado en las líneas de distribución, que los controles de los Reconectadores cuenten con una alta resolución en la funcionalidad de Fallas a Tierra Sensible (SEF) con corrientes de arranque desde los 200 mA, y que adicionalmente dispongan del algoritmo Cos Phi, que suministra una mayor precisión en redes con neutro compensado en lo que atañe a la protección direccional.

Algoritmo Cos Phi
Región de operación para un Cos Phi operando a 75°.

Las nuevas tendencias en protección de sistemas de distribución, obliga a realizar una selectividad efectiva de protecciones. El algoritmo Cos Phi de fallas a tierra, implementado en los controladores NOJA Power, permite a los ingenieros de protección alcanzar altos niveles de desempeño en sus sistemas.

La implementación del algoritmo Cos Phi permite la actualización de la selección de rangos operativos de los ángulos característicos de la protección diferencial del relé mejorando su precisión. Con estas nuevas implementaciones se  mitiga el riesgo de falsos disparos de la funcionalidad SEF en condiciones de falla de alta impedancia.

 

Tecnologías para detectar conductores cortados

En redes eléctricas de distribución, el esquema de protección ANSI 46BC detecta conductores cortados con mayor precisión que otras tecnologías, permitiendo implementar sistemas de protecciones más eficientes.

Fronteras de detección polar avanzada

Aunque la protección NPS (Negative Phase Sequence) es un excelente detector de desequilibrio de fase, los valores de I2 (corriente de secuencia negativa) pueden ser sensibles a los ajustes de la carga real debido a los límites prácticos para lograr redes equilibradas. En cambio, la protección ANSI 46BC para conductores cortados compara la relación entre la corriente de secuencia de fase positiva (I1) y la de secuencia de fase negativa (I2), para cada elemento de protección por separado. Cuando las líneas eléctricas trifásicas experimentan una discontinuidad, el equilibrio efectivo de corriente y tensión en  las tres fases se ve comprometido. Esta discontinuidad podría ser un conductor roto, ya sea aterrizando en el suelo, o un fusible monofásico quemado en una o dos de las fases. Estas discontinuidades no necesariamente pueden dar lugar a mayores sobrecorrientes, ya que la impedancia puede ser alta o aproximarse a infinito (conductor cortado aún conectado a un aislador).

Asimismo, la corriente de secuencia positiva está típicamente asociada con la carga en un alimentador, y es usualmente una “buena” medida de lo que se suministra a un cliente. Demasiada corriente de secuencia positiva que fluye a través de un cable, implica que hay una sobrecarga del cliente (o normalmente un fallo trifásico simétrico) y que la corriente debe interrumpirse para proteger la instalación.

La corriente de secuencia negativa es esencialmente un desbalance en las corrientes a través de las tres fases, que pueden surgir de múltiples problemas que van desde las conexiones monofásicas mal distribuidas, el uso recargado de una línea dedicada o cargas bifásicas.

Normalmente, la protección NPS se fija normalmente alrededor del 30% de la configuración de sobre corriente. Si esto fuese aplicado a los alimentadores de acuerdo a la Tabla I, podría razonablemente suponerse que el conductor cortado no será detectado. Esto es especialmente frecuente en condiciones de baja carga. Esta tabla también demuestra un caso en el que un conductor cortado puede ser detectado con un alto grado de certeza, a pesar de una corriente de carga tan baja como 10A.

Tabla I: Variaciones de NPS (I2).
Tabla I: Variaciones de NPS (I2).

La ventaja de implementar ANSI 46BC es que el valor NPS no se examina aisladamente, sino que se compara con el valor de la corriente de secuencia positiva. Las variaciones normales de la carga pueden causar cambios en la corriente de NPS vista por cualquier relé, como se demuestra en la Tabla I.

La Tabla II describe algunas de las situaciones típicas experimentadas en un sistema de distribución trifásico. No obstante, a partir de esta tabla, es evidente que una línea sana tiene una relación I2/I1 aproximadamente igual a cero, pero cuando aparece una discontinuidad en una o dos fases, dicha relación se eleva por encima del 20%. Teniendo en cuenta que para la mayoría de las cargas residenciales la impedancia de secuencia positiva y negativa sería similar, se puede inferir que la relación I2/I1 elimina la necesidad de cálculos de impedancia a medida que las impedancias se anulan.

Tabla II: Cociente I2/I1.
Tabla II: Cociente I2/I1.

La implementación de ANSI 46BC en los Reconectadores automáticos para redes de distribución permite configurar el valor de relación, con un cronómetro definido y apropiado para eliminar disparos falsos. Por ejemplo si la protección se regula en una relación de 20% tendremos seguridad de que la protección no actuará por cable cortado.

Al simplificar los esquemas de protección complejos, este tipo de tecnologías está permitiendo a todos los usuarios, tanto de distribuidoras como de privados, aprovechar las últimas capacidades de protección disponibles sin la excesiva complejidad típica de las protecciones avanzadas.

 

Funcionalidad de Protección de Admitancia

La Protección de Admitancia proporciona la posibilidad de detección de fallas a tierra de alta impedancia, proporcionando una solución alternativa para lograr una sensibilidad superior a la ofrecida por la protección convencional contra fallas a tierra. Esta funcionalidad aumenta la sensibilidad de la protección del Reconectador, especialmente en las redes con puesta a tierra compensada y de alta resistencia, donde la corriente de fuga a tierra resistiva está por lo general por debajo de los niveles de detección de la protección tradicionales. Mediante el análisis de las componentes resistivas y reactivas de la conexión de neutro es posible establecer zonas de protección destinadas para los Reconectadores, proporcionando mayor sensibilidad y confiabilidad para todas las instalaciones.

En las últimas décadas, el diseño de  redes sólidamente conectadas a tierra ha experimentado un declive general. El motivo principal de este declive es que las fallas a tierra en redes sólidamente aterradas generan corrientes muy importantes. Estas corrientes si bien atentaban con la integridad de la instalación permitieron diseñar protecciones sensibles a ellas.

Sin embargo, teniendo en cuenta la implicancia sobre la seguridad de la red, a menudo es ventajoso implementar esquemas para limitar la corriente de falla a tierra en un alimentador. Existen múltiples técnicas disponibles para lograr la reducción de fallas a tierra, desde la puesta a tierra de alta impedancia hasta las bobinas Petersen y la compensación activa. Cuando se implementan técnicas de limitación de falla a tierra, a menudo los niveles de falla a tierra están por debajo de los niveles de detección de los  relés convencionales y se requieren técnicas adicionales para detectar la presencia de una falla.

Esta reducción en la magnitud de falla a tierra implica que se  necesita utilizar nuevos métodos para detectar fallas a tierra con sensibilidad suficiente en redes de alta impedancia. La respuesta a este desafío es la protección de admitancia.

En términos simples, la protección de admitancia es una medida de “la facilidad con que la corriente escapa del sistema”. Entre mayor sea el valor de la admitancia de aterramiento del centro de estrella, con mayor facilidad  fluirá  la corriente del circuito a tierra. Al establecer el límite máximo al cual pueda llegar este valor, la protección de admitancia establece un algoritmo que determina el disparo, incluso en casos en que la corriente de falla a tierra sea de baja magnitud. En condiciones de falla a tierra la correspondiente impedancia disminuye, (lo cual es contradictorio cuando se compara con los principios de operación de la mayoría elementos de protección) mientras que la admitancia aumenta. La mayoría de los elementos de protección operan cuando las magnitudes de los parámetros de referencia de la red incrementan drásticamente (ej. Aumento de corriente, aumento de tensión, etc.). Desde una perspectiva de protección de red, la admitancia, y su incremento en condiciones de falla, se convierte parámetro más fácil de calcular y comprender. Simplemente, entre más crítica sea la falla, mayor la admitancia. Al definir la magnitud límite a la que pueda llegar el valor de admitancia, se establece el disparo de la protección de falla a tierra, esto, incluso cuando las desviaciones individuales de tensión o corriente sean pequeñas. Esta es la razón por la cual la protección de admitancia se considera como de invaluable valor en casos de redes de alta impedancia o en casos de protección de líneas con baja corriente de falla a tierra.

Protección de admitancia
Ejemplo de configuración de la zona de protección de admitancia.

En términos prácticos, la falla a tierra es una combinación de efectos reactivos (carga de línea capacitiva e inductancia de líneas / puesta a tierra) y el componente resistivo (flujo de corriente convencional en el lugar de la falla y su retorno a través de la puesta a tierra del centro de estrella del transformador aguas arriba). Mediante el análisis de cada uno de estos efectos de forma independiente, es posible inferir la presencia de una falla, incluso cuando el valor nominal de los componentes de falla a tierra individuales, parezcan pequeños. El beneficio adicional de utilizar esta técnica está asociado con la polaridad de los vectores, ya que los componentes de admitancia pueden determinarse en base a la dirección como resultado del signo del valor. Por lo tanto, la protección de falla a tierra direccional se puede lograr mediante el uso de la protección de admitancia. La figura anterior muestra un ejemplo de utilización de intervalos de conductancia aceptable y valores de susceptancia, con protección operando tanto con la magnitud en las direcciones hacia adelante o hacia atrás cuando excede los límites calculados de admitancia neutra.

Tradicionalmente, la protección de admitancia sólo ha estado disponible en tensiones a nivel de Transmisión. Con las mejoras en la estabilidad de tensión y el balance en las redes de distribución, se ha podido empezar a utilizar las características de admitancia como un método más preciso para detectar fallas. La implementación de la protección de admitancia de NOJA Power proporciona accesibilidad a protecciones de niveles de transmisión en un entorno de red de distribución, proporcionando mayor sensibilidad y efectividad a la hora de implementar protecciones.

Las redes de distribución a nivel mundial están evolucionando y ofrecen niveles más altos de seguridad y manejo de riesgos. Aunque que las redes tradicionales conectadas sólidamente a tierra generan corrientes de falla altas, estas permiten desarrollar esquemas de protección simplificados. El riesgo de estas altas corrientes de falla motiva a los usuarios a nivel global a implementar sistemas de puesta a tierra de alta impedancia que requieren protecciones más complejas para así limitar dichas corrientes. La protección de admitancia es una de las soluciones que ahora proporciona NOJA Power  para estos sistemas.

Más información: www.electroingenieria.com

Ver también:

LOS RECONECTADORES NOJA POWER Y SU ROL EN EL MUNDO SMART GRID

¿NO TIENE SCADA?, ¡NO HAY PROBLEMA!: CÓMO LOGRAR CONTROL REMOTO Y MONITOREO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN