Unlock-32

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

Unidad Zacatenco

PRUEBAS DE RELEVADORES DE DISTANCIA

EMPLEANDO EL SIMULADOR REAL TIME PLAYBACK

Tesis que presentan:

Garca Fierro Sergio No

Jimnez Soto Josu

Que para obtener el ttulo de:

Ingeniero Electricista

Director de tesis:

Dr. David Sebastin Baltazar

Mxico, D.F. Septiembre del 2012

PRUEBAS DE RELEVADORES DE DISTANCIA EMPLEANDO EL SIMULADOR REAL TIME PLAYBACK

I

NDICE

CONTENIDO I

RESUMEN V

CAPTULO 1 INTRODUCCIN 1

1.1 Objetivo 2

1.2 Objetivos especficos 2

1.3 Justificacin 2

1.4 Alcances 3

1.5 Estructura 3

CAPTULO 2 RELEVADOR DE DISTANCIA EN PROTECCIONES DE

LNEAS DE TRANSMISIN 4

2.1 Introduccin 4

2.2 Proteccin de lneas de transmisin 4

2.3 Principio de operacin de la proteccin de distancia 4

2.3.1 Zonas de proteccin 6

2.3.1.1 Ajustes de la zona 1 6



2.3.1.4 Ajuste de alcance hacia atrs y de otras zonas 7

2.4 Relevador tipo mho del SEL 421 7

2.5 Impedancia aparente vista por un relevador de distancia 8

2.6 Impedancia vista por relevadores de distancia ante diferentes tipos de fallas 8

2.6.1 Falla de fase a fase 9


II

2.6.1.1 Falla bifsica entre fases b-c 10

2.6.1.2 Falla bifsica entre fases a-b 11

2.6.1.3 Falla bifsica entre fases c-a. 11

2.6.2 Falla bifsica a tierra 11

2.6.3 Falla de fase a tierra 12

2.6.3.1 Falla de fase a tierra a-g. 13

2.6.3.2 Falla de fase a tierra b-g. 14

2.6.3.3 Falla de fase a tierra c-g 15

2.6.4 Falla trifsica 16

CAPTULO 3 CARACTERSTICAS DEL RELEVADOR SEL- 421

3.1 Introduccin 19

3.1.1 Proteccin de distancia (21) 20

3.1.2 Proteccin de sobrecorriente direccional (67) 22

3.1.3 Proteccin por sobrecorriente instantneo (50) 23

3.1.4 Proteccin por sobrecorriente con retardo de tiempo (51) 23

3.1.5 Esquema de recierre automtico y manual (79) 23

3.1.6 Supervisin de sincronismo (25) 24

3.2 Elementos de alta velocidad 24

CAPTULO 4 USO DE SOFTWARE COMERCIAL PARA EL MODELADO

DEL SISTEMA ELCTRICO DE POTENCIA 26

4.1 Introduccin 26

4.2 PSCAD/EMTDC 26


III

4.3 Simulacin de fallas 27

4.3.1 Procedimiento para representar una red en el PSCAD/EMTDC 28

4.4 Guardado de seales de falla 34

4.5 Real Time Playback (RTP) 36

4.6 Establecimiento de comunicacin con el equipo Real Time Playback (RTP) y una PC. 37

4.7 Reproduccin de seales en el equipo Real Time Playback 41

CAPTULO 5 PRUEBAS AL RELEVADOR SEL-421 CON EQUIPO REAL TIME PLAYBACK 46

5.1 Introduccin 46

5.2 Establecimiento de comunicacin del relevador SEL-421 con una PC. 46

5.2.1 Configuracin del cable de comunicacin Serial-USB 46

5.3 Ajustes propuestos para la proteccin de distancia del relevador SEL-421. 53

5.4 Pruebas al relevador SEL-421 con RTP Real Time Playback 68

5.4.1 Pruebas al relevador SEL-421 con condicin de falla trifsica 72

5.4.1.1 Zona 1 72

5.4.1.2 Zona 2 73

5.4.1.3 Zona 4 75

5.4.2 Pruebas al relevador SEL-421 con condicin de falla de fase A a fase B 76

5.4.2.1 Zona 1 76

5.4.2.2 Zona 2 77

5.4.2.3 Zona 4 78

5.4.3 Pruebas al relevador SEL-421 con condicin de falla de fase A a tierra 79

5.4.3.1 Zona 1 79


IV

5.4.3.2 Zona 2 81

5.4.3.3 Zona 4 82

5.4.4 Pruebas al relevador SEL-421 en lmites de sus diferentes zonas 84

5.4.4.1 Lmites de la Zona 1 84



5.4.5 Pruebas al relevador SEL-421 con impedancia de falla en lmites de sus

diferentes zonas 89

5.4.5.1 Falla trifsica 89

5.4.5.2 Falla bifsica 91

5.4.5.3 Falla monofsica 92

CAPTULO 6 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 93

6.1 Conclusiones 93

6.2 Trabajos que pueden realizarse a futuro 95

REFERENCIAS 96

APNDICE 97

AP.1 Cable adaptador para transferencia de datos en el uso del relevador SEL-421. 97

AP.2 Placa adaptador DB25 Macho BRK25M 98

AP.3 Lectura de datos de falla de lado primario y secundario de los transformadores de

instrumento 100

AP.4 Impedancia de la lnea de transmisin de simulacin en EMTDC / PSCAD 103


V

RESUMEN

Sin duda alguna, los relevadores microprocesados son los equipos adecuados para la

proteccin de los sistemas elctricos de potencia, ya que estos cuentan con una mayor

eficiencia y rapidez para la proteccin de estos sistemas, estos puntos, son de gran

importancia para el desarrollo de este trabajo, ya que la operacin eficiente de un relevador

como parte principal del esquema de proteccin, ayuda a mantener la calidad y continuidad

del servicio de un sistema elctrico de potencia.

En este trabajo se realizaron un conjunto de pruebas de operacin de un relevador de

distancia ante las fallas ms comunes que pueden ocurrir en lneas de transmisin. El

sistema elctrico es modelado empleando el software comercial PSCAD/EMTDC; en este

ambiente se simulan los distintos tipos de fallas y a distintas distancias desde la ubicacin

del relevador de distancia, los resultados de las corrientes y tensiones de falla variantes en

el tiempo, son guardadas en forma de seales digitales en un archivo con el formato

COMTRADE y reproducidas con ayuda del software y equipo REAL TIME

PLAYBACK (RTP), estas seales analgicas reproducidas por el equipo RTP fueron

enviadas al relevador de distancia SEL-421; que fue ajustado previamente con los

parmetros de la lnea correspondiente al caso simulado en el software PSCAD/EMTDC.

Los resultados que se presentan en esta tesis, muestran los casos de operacin, cuando las

fallas simuladas estn localizadas dentro de la zona de alcance del relevador, y las

condiciones de no operacin para fallas fuera de la zona de alcance, o bien cuando la falla

involucra una alta impedancia de falla. De esta manera se logr conocer el desempeo del

relevador de distancia SEL-421, ante distintas contingencias, en las cuales se tuvieron

respuestas de operacin y no operacin.

Finalmente se presentan tunos ndices de incertidumbre, calculado a partir de la medicin

realizada por el relevador y el clculo de la impedancia en funcin de la ubicacin de la

falla simulada.

PRUEBAS DE RELEVADORES DE DISTANCIA EMPLEANDO EL SIMULADOR REAL TIME PLAYBACK CAPTULO 1. INTRODUCCIN

1

CAPTULO 1

INTRODUCCIN

Actualmente, en la proteccin de los sistemas elctricos de potencia, se emplean

relevadores microprocesados, los cuales tienen la caracterstica de poder ser probados en

lnea y tambin de ser probados sin estar conectados a un sistema elctrico de potencia

(SEP).

Cuando se presenta una condicin de falla en el sistema elctrico de potencia, se espera que

los equipos de proteccin detecten la falla y enven las acciones de control a los

interruptores correspondientes para que estos liberen la falla lo ms rpido posible. Sin

embargo, algunas ocasiones el desempeo de estos relevadores no es como se esperaba. En

estas condiciones los ingenieros en proteccin realizan las pruebas de relevadores fuera de

lnea, esto es, sin estar el relevador de proteccin conectado a un SEP, empleando equipos

dedicados (fuentes de poder) para probar relevadores.

En este trabajo se realizan simulaciones de la red elctrica con ayuda del software del

PSCAD/EMTDC y del Real Time Playback (RTP) para generar y reproducir, respectivamente las seales de una condicin de falla, similar o igual a la condicin que se

produjo en un sistema elctrico de potencia.

Estos estudios le permiten al ingeniero evaluar el desempeo de la proteccin y en su caso

determinar si la respuesta no deseada del relevador fue ocasionada por los parmetros de

ajuste o por un desempeo errneo de la proteccin.

El estudio del comportamiento de estos relevadores requiere tener conocimiento de la

operacin del sistema elctrico de potencia, as como de los sistemas de proteccin, en

particular en este caso, de los relevadores, el modelado del sistema elctrico de potencia es

realizado haciendo uso de un software dedicado para este fin como es el PSCAD/EMTDC

para la simulacin de fallas. Los resultados de las tensiones y corrientes de falla que se

obtienen del software PSCAD/EMTDC pueden ser guardadas en un formato conocido

como COMTRADE. Posteriormente, estas seales son reproducidas haciendo uso de un hardware llamado Real Time Playback (RTP). El cual convierte estas seales digitales en analgicas para ser recibidas por el relevador y una vez que el relevador ha recibido estas

seales analgicas de falla, se realiza el anlisis del comportamiento de dicho relevador,

con el fin de comprobar el funcionamiento del relevador ante condiciones de falla dentro de

su alcance o falla fuera de su alcance.

Los casos de estudio que se implementaron fueron las fallas ms comunes que pueden

presentarse en un sistema elctrico de potencia, tales como son, las fallas monofsicas,

bifsicas y siendo las ms severas las fallas trifsicas, as mismo, se realizan pruebas para

encontrar los lmites de operacin en cada una de sus zonas, igualmente se realizan estas

mismas pruebas pero incluyendo una impedancia de falla, se hace un anlisis comparativo

entre las cantidades calculadas y las que se obtuvieron directamente de las pruebas

aplicadas al relevador, para encontrar un margen de incertidumbre en la operacin del

relevador.


2

1.1 Objetivo

Revisar el desempeo de los relevadores microprocesados mediante pruebas de laboratorio

haciendo uso de un equipo conocido como Real Time Playback Simulator (RTP), el cual inyecta seales analgicas de baja magnitud al relevador bajo prueba, estas seales

provienen de un archivo digital guardado en el formato CONTRADE, este es generado por el software PSCAD/EMTDC, en el cual es posible modelar todos los componentes de

un sistema elctrico de potencia.

1.2 Objetivos especficos

Modelar el sistema elctrico en el software PSCAD/EMTDC.

Generar y almacenar los resultados de las simulaciones de fallas hechas en el PSCAD/EMTDC, a un archivo en formato COMTRADE.

Procesar las seales guardadas en el formato COMTRADE y reproducirlas en el equipo Real Time Playback Simulator (RTP), este convierte las seales digitales en analgicas y estas cantidades son alimentadas al relevador bajo prueba.

Estudiar el funcionamiento del relevador SEL-421

Analizar el comportamiento del relevador SEL-421 ante las distintas fallas reproducidas por el Real Time Playback Simulator (RTP).

1.3 Justificacin

En la actualidad los sistemas elctricos de potencia estn protegidos mediante relevadores

microprocesados, los cuales son capaces de recibir y trabajar con seales analgicas y

digitales, este tipo de relevadores garantizan el desempeo adecuado de la proteccin de los

sistemas elctricos, adems ayudan a mantener la continuidad y calidad del servicio

elctrico.

En este trabajo se prueba el relevador SEL-421 que es uno de los equipos de proteccin

ms completos en trminos de las funciones de proteccin que pueden implementarse en

este equipo, adems, este relevador de proteccin es el que se emplea en las lneas de

transmisin, debido a su alta velocidad de disparo y porque que rene la mayor cantidad de

funciones de proteccin en un solo dispositivo, esta caracterstica brinda una mayor

confiabilidad en los sistemas de proteccin.

Sin embargo, los relevadores instalados en los sistemas elctricos, no siempre operan

conforme a las expectativas de los operadores o ingenieros en proteccin, responsables de

su instalacin y sus ajustes. En los casos de operaciones no deseadas por un relevador, se

hace necesario la prueba de dichos equipos con condiciones de fallas, similares a las que se

dieron en el sistema cuando fall dicho equipo. Esta prueba tiene como finalidad

determinar si los ajustes fueron los correctos o si el relevador tiene alguna falla en su lgica

de deteccin de fallas, esto con la finalidad de que el usuario tenga argumentos para discutir

el desempeo de la operacin del equipo.


3

1.4 Alcances

Evaluar el desempeo del relevador de distancia SEL-421, como equipo de proteccin para

una lnea de transmisin de 400 kV, que es modelada en el software PSCAD/EMTDC,

expuesta a distintas condiciones de falla para la operacin y localizacin de la falla por

medio de sus distintas zonas de proteccin.

1.5 Estructura

En el captulo uno se presenta una introduccin al trabajo, el objetivo general y objetivos

especficos, la justificacin y alcances del mismo.

En el captulo dos se da un panorama de lo que son las protecciones en lneas de

transmisin de un sistema elctrico de potencia, y en lo que se refiere a la impedancia vista

por el relevador de distancia.

En el captulo tres se presentan las caractersticas del relevador SEL-421, desde su

estructura interna hasta sus componentes de proteccin por los que est formado.

En el captulo cuatro se explica la informacin tcnica, as como las caractersticas de cada

una de las herramientas informticas utilizadas en este proyecto, como son el

PSCAD/EMTCD y el Real Time Playback (RTP), siendo el primero utilizado para realizar

el modelado del sistema elctrico y la generacin de seales de tensin y corrientes de falla

en el formato COMTRADE para que posteriormente el software RTP, pueda reproducir estas seales de forma digital y ser enviadas a travs de un enlace con el equipo RTP para

que este equipo realice la reproduccin de estas mismas seales pero en forma analgica.

En el captulo cinco se describe el procedimiento necesario para poner bajo prueba al

relevador SEL-421, desde el equipo Real Time Playback, esto a partir del establecimiento de comunicacin entre el relevador SEL-421 y una PC, y tambien se realiza la propuesta

de ajustes al relevador SEL-421.

Finalmente en el captulo seis, se presentan las conclusiones de este trabajo, y los trabajos

futuros que pueden abordarse como complemento de este trabajo.

PRUEBAS DE RELEVADORES DE DISTANCIA EMPLEANDO EL SIMULADOR REAL TIME PLAYBACK CAPTULO 2. RELEVADOR DE DISTANCIA EN PROTECCIONES DE LNEAS DE TRANSMISIN

4

CAPTULO 2

RELEVADOR DE DISTANCIA EN PROTECCIONES DE LNEAS DE

TRANSMISIN

2.1 Introduccin

El aumento paulatino en la demanda de energa elctrica ha hecho necesario incrementar

las redes de distribucin, la capacidad potencia de transmisin y por ende la seguridad en la

proteccin del sistema elctrico. Para garantizar la continuidad del servicio, la proteccin

del sistema elctrico debe ser rpida en operacin y rpida en reconexin, adems, debe ser

selectiva para aislar solo la parte bajo falla y continuar con la transmisin de energa al

resto del sistema sin falla. Para cumplir con esta continuidad, los equipos de proteccin han

evolucionado a tal grado que las acciones correctivas de fallas en el sistema puedan ser

tratadas en tiempos muy pequeos, (desde dos ciclos hasta 40 ciclos en el peor de los

casos).

Uno de los equipo del sistema de proteccin es el relevador microprocesado, el cual posee

una gran cantidad de funciones que sirven para hacer ms eficiente la proteccin.

Los relevadores microprocesados de distancia, son relevadores que tienen distintas

funciones para proteccin y su funcin primordial es la liberacin de fallas al sensar

disturbios o una condicin de falla dentro de su zona de alcance. Uno de los problemas

ms frecuentes en la aplicacin de estos equipos es el clculo de las zonas de proteccin, en

especial en sistemas mallados o donde la diferencia de impedancias de lneas adyacentes es

muy grande.

2.2 Proteccin de lneas de transmisin

Las lneas de transmisin, son elementos del sistema de potencia que tienen mayor

complejidad para su proteccin, ya que tienen diferentes configuraciones de conexin en el

sistema y estn expuestas a mayores percances.

Las lneas de transmisin estn protegidas en el sistema por mnimo dos zonas de

proteccin, esto para prevenir el mal funcionamiento de algn elemento dentro del sistema

de proteccin primaria, a su vez, pueden ser protegidas por diferentes mtodos de

proteccin, unos de los cuales son, proteccin instantnea por sobrecorriente (50/51),

proteccin instantnea por sobrecorriente direccional (67/67N), proteccin por distancia

(21), proteccin diferencial (87), y proteccin por comparacin direccional (85).

La proteccin de distancia se utiliza de una manera ms general, porque esta detecta mejor

las fallas en una zona determinada de operacin e incluye la direccionalidad que sirve para

coordinar mejor dichas zonas [1].


5

2.3 Principio de operacin de la proteccin de distancia

El principio de operacin de la proteccin de distancia por medio de un relevador se

muestra en la figura (2.1) Si se considera que el relevador est ubicado en el punto K y que

sus bobinas reciben las seales de Vr, que es la tensin proporcional al producido por la

falla VF y de la corriente de falla Ir, que es proporcional a la corriente IF. La ecuacin (2.1)

representa la impedancia medida o "vista" por los relevadores de distancia (Zr). Durante los

cortocircuitos trifsicos, la impedancia medida Zr coincide con la impedancia de la seccin

de la lnea comprendida entre el punto de la ubicacin del relevador y del cortocircuito, esto

se cumple si no existen contribuciones de corriente en la seccin protegida por el relevador.

Figura 2.1.- Impedancia vista por el relevador de distancia ante una falla en el punto F.

En un sistema radial, la relacin de tensin - corriente que mide un relevador de distancia

ante una falla, es proporcional a la distancia fsica que existe entre la localizacin del

relevador y el punto de falla. En un sistema anillado, no siempre se cumple que la relacin

de tensin corriente, proporcione la distancia fsica aproximada al punto de falla, esto es debido a la contribucin de corriente de otras lneas que inciden en nodos ubicados entre el

relevador y la falla; en estos casos la referencia del punto donde ocurri la falla,

proporciona la informacin de la zona donde oper el relevador.

En la tarea de llevar a cabo la coordinacin de la operacin de relevadores se busca que

primero operen los relevadores que estn ms cerca de la falla elctricamente, que aqullos

ms alejados, logrndose obtener as la selectividad en la proteccin, que consiste en aislar

la mnima seccin posible de la red ante una falla [2,3].

Los relevadores de distancia se conectan en los secundarios de los transformadores de

corriente y de potencial, la impedancia Zr medida o "vista" por los relevadores se conoce

como impedancia secundaria. La impedancia medida en los primarios de estos aparatos se

conoce como impedancia primaria (Zp), dada por:


6

Donde

Vp = Tensin aplicada en el lado de alta tensin del transformador de potencial.

Ip = Corriente a travs del devanado primario del transformador de corriente.

La relacin entre Zr y Zp est dada por

Donde

RTC = Relacin de transformacin del transformador de corriente.

RTP = Relacin de transformacin del transformador de potencial.

2.3.1 Zonas de proteccin

La seleccin adecuada del alcance y los tiempos de disparo para las distintas zonas de

proteccin, permiten una coordinacin correcta entre los relevadores de distancia en un

sistema de potencia. La proteccin de distancia bsica considera a la zona 1 instantnea, y

una o ms zonas con retraso. Los relevadores a distancia digitales y numricos pueden

llegar a tener hasta 5 zonas, algunas para detectar condiciones de falla hacia atras. [2,3]

2.3.1.1 Ajustes de la zona 1

Los relevadores electromecnicos/estticos usualmente tienen un alcance hasta de un 80%

de la impedancia de la lnea protegida, para la proteccin instantnea de la zona 1. Para los

relevadores de distancia microprocesados el ajuste es del 80% y hasta un 85%. Resultando

un margen de seguridad del 15 al 20% para asegurar riesgos de sobrealcance de la zona 1,

debido a errores en los transformadores de corriente y de tensin, la falta de exactitud en la

impedancia de la lnea dados para el ajuste y errores del ajuste y medicin del relevador; de

lo contrario podra causar una prdida de selectividad con operaciones rpidas, para fallas

en lneas adyacentes al nodo remoto.


Para asegurar la cobertura total de la lnea con tolerancia para errores de fuente, el ajuste de

la zona 2 debe ser al menos del 120% de la impedancia de la lnea protegida. En muchas

aplicaciones, una prctica comn es ajustar la zona 2 igual a la seccin de la lnea protegida

zona 1 ms un 50% de la lnea adyacente ms corta.

Cuando esto es posible, se asegura que la efectividad mxima resultante del alcance de la

zona 2 no alcanzar ms all de la zona efectiva de la zona 1 que protege la lnea

adyacente, esto evita la necesidad de incrementar el tiempo de operacin de la zona 2.


7

El disparo de la zona 2 debe ser con un retardo de tiempo para asegurar la coordinacin con

los relevadores primarios que protegen las lneas adyacentes, normalmente se ajusta a 300

ms 18 a 20 ciclos.

Para completar la cobertura de una seccin de lnea, esta es realizada con una liberacin

rpida de fallas presentadas en el primer tramo del 80-85% de la lnea y algo ms lento para

fallas en el resto de la lnea o como respaldo para fallas que se presentan al inicio de las

lneas adyacentes al nodo remoto.


La zona 4 provee la proteccin de respaldo remota para todas las fallas en las lneas

adyacentes al nodo remoto, con un retardo de tiempo para discriminar con la proteccin de

la zona involucrada, ms el tiempo de apertura del interruptor de la lnea adyacente. La

zona 3 deber ser ajustada en al menos 1.2 veces la impedancia presentada al relevador para

un falla en el extremo remoto de las lneas adyacentes. En un sistema interconectado el

efecto infeed de la corriente de falla en el nodo remoto causar que la impedancia presentada al relevador sea mucho mayor que la impedancia actual a la falla y debe ser

tomado en cuenta cuando se ajusta la zona 4. En algunos sistemas las variaciones de

infeed en el nodo remoto pueden inhibir la aplicacin de la proteccin remota de la zona 4, sin embargo en sistemas radiales con alimentacin en un solo extremo estas dificultades

no se presentan.

2.3.1.4 Ajuste de alcance hacia atrs y de otras zonas

Los relevadores digitales o microprocesados pueden tener zonas de alcance adicionales que

pueden ser utilizados para funciones de proteccin. Por ejemplo, puede ser que las tres

primeras zonas sean ajustadas como se mencion anteriormente, la zona 3 y 5 podran ser

usadas como proteccin de respaldo para el bus local, mediante el alcance hacia atrs, con

un ajuste del orden de 25% del alcance de la zona 1. Alternativamente, una de las zonas de

proteccin hacia delante (tpicamente la zona 3) puede ser ajustada con un pequeo

desfasamiento hacia atrs con respecto al origen del plano complejo R/X, adems de su

configuracin hacia adelante [2,3].

2.4 Relevador tipo mho del SEL 421

Por medio de una corriente de polarizacin, puede sacarse del centro un crculo

caracterstico del relevador mho, de tal manera que ste encierre el origen del diagrama R-

X o bien que el origen est fuera del crculo.

La caracterstica de un relevador tipo mho es una circunferencia que cruza por el origen de

coordenadas. Este tipo de relevador no responde a fallas que se presentan en las lneas

situadas detrs del relevador, estos relevadores son considerados direccionales, porque solo

operan ante fallas que se presentan en la direccin de disparo del relevador. La condicin

de operacin est dada por la ecuacin 2.4.


8

Dnde:

Zr = Impedancia que detecta el relevador

Zar max = Impedancia mxima de alcance

r = Angulo de la impedancia de falla que detecta el relevador sm = Angulo de sensibilidad mxima.

Los parmetros de ajuste del relevador son el dimetro de la circunferencia Zar max y el

ngulo de mxima sensibilidad sm.

Estos relevadores se recomiendan para la proteccin de lneas largas de 110 y 220kV y su

caracterstica puede desplazarse con respecto al origen de coordenadas, de tal manera que

ste encierre el origen del diagrama R-X o bien que el origen est fuera del crculo,

mediante una corriente de polarizacin como lo indica la figura 2.2 [2,3].

Figura 2.2.- Caracterstica general de un relevador SEL 421 de los elementos mho.

2.5 Impedancia aparente vista por un relevador de distancia

En general la relacin tensin/corriente que miden los relevadores de distancia es conocida

como impedancia aparente vista por el relevador.

2.6 Impedancia vista por relevadores de distancia ante diferentes tipos de fallas

En la figura 2.3 se muestra un diagrama unifilar de un sistema trifsico, se considera que el

relevador "Rab" es una proteccin de distancia para proteger la lnea B2-B3 de la figura 2.3.

La estimacin de la impedancia de falla vista por los relevadores de distancia, se obtiene

considerando que existen tres unidades de relevadores que protegen fallas entre fases


9

alimentadas por la diferencia de tensiones y corrientes; y otras tres unidades de relevadores

que protegen las fallas de fase a tierra alimentadas por la tensin de fase y la corriente

compensada correspondiente.

Cabe mencionar que estas seis unidades de relevadores, se encuentran fsicamente dentro

de un solo equipo. [2,3]

Figura 2.3.- Diagrama unifilar de un sistema trifsico.

2.6.1 Falla de fase a fase

Se supone una falla ubicada entre las fases b-c en el punto F, el anlisis de esta falla se hace

utilizando componentes simtricas, la red resultante se muestra en la figura 2.4.

De la figura 2.3 se tiene que las tensiones en el punto de falla son:

Figura 2.4.- Conexin de las redes de secuencia para falla entre fases b y c

Utilizando la transformacin de componentes simtricas a componentes de fase, se obtiene

las tensiones de fase:


10

Y las corrientes de fase.

2.6.1.1 Falla bifsica entre fases b-c

Se supone que el relevador que protege estas fases est alimentado por las tensiones y

corrientes, tal como se muestra en la ecuacin (2.12).

Sustituyendo las ecuaciones (2.7), (2.8), (2.10) y (2.11) en (2.13) se obtiene:

Aplicando leyes de tensiones de Kirchhoff al circuito de la figura 2.4, se obtiene la

impedancia de secuencia positiva Z1F.

Adems, el relevador conectado entre las fases falladas, est representado por la ecuacin

(2.12), entonces se cumple la igualdad:

As el relevador de distancia Rbc que est alimentado por las diferencias de tensin y

corrientes de lnea, de las fases b-c, mide la impedancia de secuencia positiva de falla , cuando la falla ocurre entre esas fases.


11

2.6.1.2 Falla bifsica entre fases a-b

La diferencia de tensiones y corrientes de las fases a-b que alimentan al relevador Rab est

dado por:

Sustituyendo las ecuaciones (2.6), (2.7), (2.9) y (2.10) en la ecuacin (2.19).

Donde (2.20) es la impedancia de falla vista por el relevador Rab

2.6.1.3 Falla bifsica entre fases c-a.

El relevador Rca se alimenta de la diferencia de tensiones y corrientes como se muestra en

la ecuacin 2.21.

Sustituyendo las ecuaciones 2.6, 2.8, 2.9 y 2.11 en 2.21

Entonces la impedancia vista por el relevador Rca ante una falla entre las fases c-a est

dada por la ecuacin 2.23.

2.6.2 Falla bifsica a tierra


12

Se considera una falla de las fases b-c-g en un punto F de la figura 2.3. El circuito en

componentes simtricas que representa esta falla se muestra en la figura 2.5.

Figura 2.5.- Conexin de las redes de secuencia para la falla de doble lnea a tierra.

De la figura 2.5 se observa que las tensiones en el punto de falla son.

De la ecuacin (2.24) se puede concluir que para este tipo de falla el relevador conectado

entre las fases b-c, tambin medir la impedancia de secuencia positiva a la falla, como en

el caso de la falla entre las fases b-c, por la igualdad de y , en el punto de falla, como se observa en la figura 2.5.

2.6.3 Falla de fase a tierra

Finalmente, una falla monofsica en el punto F de la figura 2.3, es analizada utilizando

componentes simtricas, para obtener la conexin de las redes de secuencia, tal como se

muestra en la figura 2.6.


13

Figura 2.6.- Conexin de las redes de secuencia para la una falla de fase a tierra.

De la figura 2.6 se observa que en el punto de falla se tiene.

Se considera que = , por lo tanto las tensiones en el punto de falla son.

2.6.3.1 Falla de fase a tierra a-g.

De la ecuacin (2.6) se tiene que la tensin en el punto de falla EaF est dada por:

Sustituyendo las ecuaciones (2.28), (2.29), y (2.30) en (2.31), se tiene:

Como est definido en (2.32), EaF = 0, por lo tanto:


14

Donde sustituye a la suma de , sustituye a la suma de .

Por otro lado se propone que:

Por lo tanto al substituirlo en la ecuacin (2.34) se obtiene:

Donde m sustituye a

, finalmente la corriente compensada est dada por.

Donde y en la ecuacin (2.40), son impedancias de secuencia positiva y cero de la lnea protegida. El factor m se conoce como factor de compensacin. El cual compensa la

corriente de fase para tomar en cuenta el acoplamiento mutuo entre la fase fallada y las

fases sin falla. Por lo tanto, para medir correctamente la impedancia que mide el relevador

que protege la fase a y tierra, debe estar alimentado por:

2.6.3.2 Falla de fase a tierra b-g.

De la ecuacin (2.7), tenemos que:

De (2.43), y sustituyendo (2.30), (2.31) y (2.32), se tiene:

Como se defini en (2.43), por lo tanto


15

Donde sustituye la suma de sustituye la suma de las corrientes

. Adems, se considera que:

Y sustituyendo y despejando en la ecuacin 2.46 se obtiene que:

Donde m, sustituye a

Por lo tanto, la impedancia que mide el relevador para este tipo de falla:

2.6.3.3 Falla de fase a tierra c-g

De la ecuacin (2.8) esta dada por.

Sustituyendo y considerando como se defini en la ecuacin (2.31), se tiene.

Donde sustituye la suma de e sustituye la suima de las corrientes.


16

Nuevamente suponiendo que:

(2.58)

Sustituyendo y despejando en la ecuacin (2.57), se obtiene que.

Donde m sustituye a

Por lo tanto, la impedancia que mide el relevador para este tipo de falla.

2.6.4 Falla trifsica

El anlisis en componentes simtricas parea este tipo de falla, determina la ausencia de las

componentes de secuencia cero y secuencia negativa, tal como lo muestra la figura 2.7.

Figura 2.7.- Red de secuencia positiva para una falla trifsica.

Considerando que en el punto de falla.

De lo anterior se tiene que las cantidades de fase de las corrientes y tensiones son.


17

Por lo tanto, los relevadores de fase pueden ser analizados utilizando componentes simtricas como se muestra a continuacin.

Relevador

Relevador

Relevador

De las ecuaciones (2.67), (2.68) y (2.69) se concluye que todos los relevadores de fase

miden la impedancia de secuencia positiva para esta falla, correspondiente a la ubicacin

del relevador al punto de falla.

Lo que miden los relevadores de tierra en una condicin de falla trifsica a partir de un anlisis en componentes simtricas, se pueden obtener las ecuaciones (2.71),

(2.72) y (2.73).

Relevador

Como se define , por lo tanto

Relevador


18

Por lo tanto:

Relevador

Como se define , por lo tanto:

Se concluye que para una falla trifsica, los relevadores de fase a tierra miden exactamente

las impedancias de secuencia positiva, correspondiente a la impedancia que existe desde el

relevador al punto de falla.

PRUEBAS DE RELEVADORES DE DISTANCIA EMPLEANDO EL SIMULADOR REAL TIME PLAYBACK CAPTULO 3. CARACTERSTICAS DEL RELEVADOR SEL-421

19

CAPTULO 3

CARACTERSTICAS DEL RELEVADOR SEL- 421

3.1 Introduccin

El desarrollo de la tecnologa, ha permitido obtener mejores equipos de proteccin para

sistemas elctricos. Actualmente los relevadores son de suma importancia para mantener un

servicio de energa elctrica constante y de calidad, la aparicin de los relevadores

microprocesados ha permitido que un solo equipo tenga la capacidad de desarrollar diversas

funciones de proteccin, medicin y control, adems de tener un espacio ms reducido y el

ambiente es ms interactivo entre el operador y el relevador. Estas caractersticas

proporcionan gran ventaja ante los relevadores electrnicos y electromecnicos.

El relevador SEL-421 es un equipo de alta velocidad, diseado para la proteccin de lneas

de transmisin, es considerado un equipo de tipo multifuncional ya que cuenta con los

siguientes esquemas de proteccin como se muestra en la figura 3.1. [4]

Proteccin de distancia (21). Proteccin de sobrecorriente direccional (67). Proteccin por sobrecorriente instantneo (50). Proteccin por sobrecorriente con retardo de tiempo (51). Esquema de recierre automtico y manual (79). Supervisin de sincronismo (25).

Figura 3.1.- Esquema de proteccin de un relevador de distancia.


20

3.1.1 Proteccin de distancia (21)

El relevador de distancia calcula el cociente entre la tensin y la corriente, en su ubicacin

en el sistema de potencia. En las lneas de trasmisin la longitud de la misma es

proporcional a la impedancia. El esquema de proteccin de un relevador de distancia se

muestra en la figura 3.2.

z L

VR

I R

Sz S

R

Figura 3.2.- Esquema de proteccin de un relevador de distancia.

Se instalan donde se precisan tiempos instantneos de despeje de las fallas.

Ventajas de los relevadores de distancia sobre los relevadores de sobrecorriente:

Mayor zona de operacin instantnea

Mayor sensibilidad

Ms fciles de ajustar y coordinar

No son afectados por los cambios en la configuracin del sistema de potencia

La representacin de la lnea protegida por la proteccin de un relevador de distancia en un

plano R-X es como se muestra en la figura 3.3.

Figura 3.3.- Representacin de la lnea (plano R-X).


21

La zona de operacin de la proteccin a distancia en un plano R-X se puede ver en la figura

3.4.

X

R

Figura 3.4.- Zona de operacin de la proteccin a distancia.

Esquema bsico:

Comprende 3 zonas de operacin

Zona 1: 80% de la lnea, t=0 ms.

Zona 2: 120% de la lnea, t=0.3 0.6 s.

Zona 3: Mas del 120% de la lnea, t>1s.

La representacin de estas zonas en una lnea se puede ver en la figura 3.5.

S R A R BF

Z1

Z2

Z3

Z1

B

Z2

Z3

ZONA PROTEGIDA POR EL RELEVADOR A

ZONA PROTEGIDA POR EL RELEVADOR B

B

B

A

A

A

Figura 3.5.- Zonas de operacin del relevador de distancia.


22

3.1.2 Proteccin de sobrecorriente direccional (67)

Los elementos de sobrecorriente direccionales son aquellos que determinan la direccin del

flujo de potencia y/o corriente en una localizacin determinada de un sistema elctrico de

potencia; de esta forma, es posible mediante este relevador conocer la direccin de la

ubicacin de una falla.

Esta unidad direccional generalmente no se aplica sola, ms bien se emplea en combinacin

con otra unidad, tal que sta ltima detecte la falla y d la orden de operacin o de apertura

del interruptor ante la presencia de un valor de corriente superior a un valor mnimo

preestablecido. La unidad de proteccin detecta de la magnitud de la corriente

generalmente es un relevador de sobrecorriente de tiempo inverso (51), o instantneo (50) o

ambos (51/50).

Con la accin de ambos relevadores se consigue tener un comando de apertura del

interruptor (52) si la magnitud de la corriente de falla es mayor que un valor preestablecido

(pick-up) y la direccin del flujo es concordante con una direccin preestablecida en el

relevador direccional; de otra manera, no hay orden de apertura del interruptor aunque la

magnitud de la corriente circulante sea superior al valor pick-up del relevador de sobrecorriente, como se muestra en la figura 3.6.

Donde:

F: Falla

TT/CC: Transformadores de Corriente.

TT/PP: Transformadores de Potencial.

52: Interruptor.

51/52: Relevadores de sobrecorriente instantneo/tiempo inverso.

67: Proteccin de sobrecorriente direccional.

Figura 3.6.- Diagrama funcional y diagrama de control.


23

La unidad direccional requiere que se le alimente con tensin y corriente o corriente y

corriente, pero necesita que una de esas cantidades sea de referencia o polarizacin. Esta cantidad de referencia no debe cambiar de polaridad cualquiera sea la direccin del flujo de

la corriente detectada.

3.1.3 Proteccin por sobre corriente instantneo (50)

Los relevadores de sobrecorriente son los tipos ms simples de los relevadores de

proteccin. Como su nombre lo indica, y como todo elemento de proteccin visto hasta el

momento, tiene como finalidad operar cuando la corriente en la parte del sistema donde se

ubica alcanza valores superiores a un valor predeterminado o mnimo de operacin. Existen

dos tipos bsicos de relevadores de sobrecorriente: los de tipo de operacin instantnea y

los de tipo de operacin retardada.

Los relevadores de sobrecorriente instantneos operan sin retardo cuando la corriente

excede de un valor preestablecido; sin embargo, el tiempo de operacin de estos tipos de

relevadores pueden variar significativamente (desde 0.016 a 0.1 seg.)

3.1.4 Proteccin por sobre corriente con retardo de tiempo (51)

Como se vi anteriormente los relevadores de sobrecorriente son los tipos ms simples de

los relevadores de proteccin. Como su nombre lo indica, y como todo elemento de

proteccin visto hasta el momento, tiene como finalidad operar cuando la corriente en la

parte del sistema donde se ubica alcanza valores superiores a un valor predeterminado o

mnimo de operacin.

Los relevadores de sobrecorriente con retardo poseen caractersticas de operacin, tal que el

tiempo vara inversamente con la magnitud de la corriente que detecta.

3.1.5 Esquema de recierre automtico y manual (79)

El Relevador SEL-421 de recierre automtico y las funciones de comprobacin de

sincronismo proporcionan control completo de un solo interruptor y dos interruptores de

esquemas de recierre. La funcin de recierre automtico se acomoda tanto a un solo polo y

tres polos de recierre. Se puede configurar el SEL-421 para un total de dos de un solo

polo y cuatro de tres polos de disparo de recierre. Los disparos de un solo polo, tienen

un tiempo muerto comn, mientras que los disparos de tres polos tienen sus

propios tiempos muertos.

Se puede designar interruptores primario y de respaldo de un circuito en una configuracin

de circuito de dos interruptores, el recierre del relevador SEL-421, puede cambiar

dinmicamente las designaciones del interruptor primario y de respaldo, basado en la

configuracin y las condiciones de funcionamiento. Se puede programar la lgica de

recierre automtico para realizar un disparo de alta velocidad de recierre tripolar.


24

Esta alta velocidad de disparo de tres polos reemplaza a uno de los cuatro tiempos de

demora de tres polos disparos. No hay diferencia entre un disparo de alta velocidad de tres

polos de recierre y un tiro de retraso de tres polos de recierre automtico, simplemente

seleccionar el intervalo de tiempo libre en consecuencia.

3.1.6 Supervisin de sincronismo (25)

El SEL-421 para verificar el sincronismo la funcin utiliza una sola fase de tensiones de

entrada VS1, VS2 (tensiones de la fuente), y la referencia VP (polarizacin de tensin) para

proporcionar la verificacin de sincronismo para uno o dos interruptores de circuito. El

relevador determina cundo VS1 y VS2 estn dentro de las magnitudes de

tensin programables y frecuencia de deslizamiento en comparacin con el VP.

Adems, la funcin de sincronismo puede comprobar el uso del circuito ajustable a horarios

de cierre automtico y las frecuencias de deslizamiento medido compensando el clculo

de diferencia de ngulo entre VS1 y VP (ms VS2 y VP). El relevador controla esta diferencia

de ngulo con el clculo en un sincronismo programable del ngulo.

3.2 Elementos de alta velocidad

La caracterstica ideal de un relevador es que opere instantneamente al detectar una falla,

por tanto la rapidez de sus procesos determinar el tiempo de respuesta ante una falla. La

figura 3.7 muestra el diagrama a bloques de un relevador de distancia. [4]

Figura 3.7.- Diagrama de bloques de un relevador de distancia.

El filtro analgico pasa bajos, corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de las frecuencias ms bajas y atenuar las frecuencias ms altas. El filtro

requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, as todas las frecuencias se

pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarn presentes las que el filtro

permita pasar.

La conversin analgica-digital, se encarga de convertir seales analgicas a tipos de seales digitales, con el fin de facilitar el proceso y la codificacin de estas

seales, que son ms inmunes a las perturbaciones y prdida de informacin por

eventos aleatorios como el ruido.


25

El filtro digital es un sistema que, dependiendo de las variaciones de las seales de entrada en el tiempo y amplitud, se realiza un procesamiento matemtico sobre

dicha seal.

La magnitud e impedancia son los resultados obtenidos al procesar las dos seales de entrada.

PRUEBAS DE RELEVADORES DE DISTANCIA EMPLEANDO EL SIMULADOR REAL TIME PLAYBACK CAPTULO 4. USO DE SOFTWARE COMERCIAL PARA EL MODELADO DEL SISTEMA ELCTRICO DE POTENCIA

26

CAPTULO 4 USO DE SOFTWARE COMERCIAL PARA EL MODELADO DEL SISTEMA

ELCTRICO DE POTENCIA 4.1 Introduccin

En este captulo se explicar la informacin tcnica, as como las caractersticas de cada

una de las herramientas informticas utilizadas en este proyecto, que son el

PSCAD/EMTCD y el Real Time Playback (RTP), siendo el primero para realizar el

modelado del sistema elctrico y la generacin de seales en el formato COMTRADE para que posteriormente el software RTP, pueda reproducir estas seales de forma digital y

ser enviadas a travs de un enlace con el equipo RTP para que este equipo realice la

reproduccin de estas mismas seales pero en forma analgica.

4.2 PSCAD/EMTDC

PSCAD/EMTDC es una herramienta de simulacin para el anlisis de sistemas de energa

elctrica, con capacidad para modelar redes no lineales, sistemas de control y equipos de

electrnica de potencia.

EMTDC (Electromagnetic Transients Including DC) es el software de simulacin y est

especialmente diseado para simular respuestas instantneas en el dominio del tiempo, es

decir, transitorios electromagnticos. Su capacidad de simulacin tiene una interfaz grfica,

conocida como PSCAD (Power Systems CAD). CAD permite al usuario disear

grficamente el circuito elctrico, simularlo, analizar los resultados y manejar los datos en

un entorno grfico totalmente integrado.

Entre sus caractersticas, destacan las siguientes:

Tiene mltiples aplicaciones en el campo de la ingeniera elctrica, especialmente con el clculo de transitorios electromagnticos.

Trabaja con valores instantneos.

Dispone de un entorno grfico intuitivo y de fcil manejo.

Tiene una estructura modular en el diseo y anlisis de sistemas.

Dispone de una librera propia de componentes avanzados.

Tiene capacidad de personalizacin, tanto del entorno grfico como de los componentes diseados.

Tiene capacidad de importar datos desde archivos de texto.

Soporta modelos escritos en Fortran, C y C++.

Presenta capacidad de integracin con el programa comercial MATLAB/Simulink.

Posee herramientas de optimizacin de resultados.

El tamao del sistema a disear por PSCAD solo se ve limitado por las caractersticas del ordenador donde se est simulando.

Soporta plataformas UNIX y Microsoft Windows NT/95/98/ME/2000/XP.


27

PSCAD/EMTDC requiere de un compilador Fortran para construir y disear proyectos.

Con PSCAD/EMTDC V4 se proporciona el compilador EFCS GNU Fortran 77 de libre

adquisicin, pero se recomienda utilizar los compiladores Fortran 90, Digital Fortran 5.0 o

Compaq Visual Fortran 6.x, sobre todo este ltimo, si se precisa simular sistemas de ms de

200 nodos, tal y como se aprecia en la tabla 4.1.

Tabla 4.1.- Limitaciones del compilador Fortran 77 frente a los compiladores Fortran 90.

Concepto

Compilador

GCS/GNU

Fortran 77

Compiladores

Fortran 90

Subsistemas 10 Ilimitado

Nodos 200 Ilimitado

Ramas 2000 Ilimitado

Transformadores 70 Ilimitado

Lneas de transporte 50 Ilimitado

Lneas de transporte

(dominio de la

frecuencia)

20 Ilimitado

Canales de salida 500 Ilimitado

Entre los casos tpicos de aplicacin del software PSCAD/EMTDC se encuentran: los

estudios de redes de corriente alterna compuestas por mquinas rotativas, turbinas,

transformadores, lneas de transmisin, cables subterrneos y cargas; coordinacin de

protecciones; efectos de saturacin de transformadores; coordinacin del aislamiento en

transformadores, interruptores y pararrayos; estudios de resonancia sub-sncrona (SSR) en

redes integradas por mquinas y sistemas HVDC; evaluacin del diseo de filtros y anlisis

de armnicos; diseo y coordinacin de sistemas de control; generacin distribuida,

investigaciones sobre los efectos de los motores diesel y los aerogeneradores en redes

elctricas; fallas asimtricas, sistemas integrados, grandes cargas industriales, etctera [5].

4.3 Simulacin de fallas

Para llevar a cabo la simulacin de fallas con ayuda del software PSCAD/EMTDC, es

necesario modelar el sistema elctrico de potencia. Una forma simple es representar una

fuente de 13.8 kV trifsica, seguido de un trasformador 13.8/230 kV conexin /Y, en serie con dos lneas de transmisin con cierta impedancia debida a la longitud que stas

tienen, en medio de estas lneas se puede simular una falla y en el extremo de la lnea se

puede simular una carga con un factor de potencia de 0.9 (-) y un consumo de 500 MVA, o

bien 150 MW y 72.6 MVAR por fase, como se muestra en la figura 4.1.


28

Figura 4.1.- Circuito bsico para la representacin de una lnea de transmisin.

4.3.1 Procedimiento para representar una red en el PSCAD/EMTDC

a) Crear un nuevo proyecto, en el men File-New-Case, se podr crear una nueva rea de trabajo la cual aparecer con el nombre noname, el cual para cambiarlo se procede a dar clic derecho sobre el archivo nuevo y dar clic en Save As y asignarle

un nombre y guardarlo como se muestra en las figuras 4.2 a), b).

Figura 4.2.- a) guardar archivo como, b) asignacin de nombre y directorio del archivo principal.

b) Ya guardado el archivo principal se procede a armar sistema elctrico, los elementos o iconos para representar la red, se encuentran en la parte izquierda del

rea de trabajo como se muestras en la figura 4.3.


29

Figura 4.3.- Ubicacin de los elementos usados para el armado del circuito principal.

c) Conectar cada uno de los elementos del circuito, los smbolos de los elementos estn en los submens ubicados en la parte izquierda la pantalla del programa como

se muestra en la figura 4.4 y pegarlos en la ventana del rea de trabajo en donde se

armar el circuito, como se indica en la figura 4.5.

Figura 4.4.- Copiado de los elementos usados para el armado del circuito principal.

Figura 4.5.- Elementos enviados al rea de trabajo usados para el armado del circuito principal.


30

d) Definir los parmetros de cada uno de los elementos utilizados en el circuito, esto se realiza haciendo doble clic sobre ellos, esto desplegar una ventana en la cual se

proporcionan los parmetros de inters para cada elemento, como se muestra a

continuacin en la figura 4.6.

Figura 4.6.- Cuadro de parmetros.

e) Se incluyen los elementos para realizar la medicin o monitoreo de las variables elctricas, por ejemplo, un elemento para la medicin de las intensidades de

corriente de las lneas y otro elemento para las mediciones de tensin en las fases,

mostrados en la figura 4.7.

Figura 4.7.- Elementos usados para las mediciones en el circuito principal.

f) Unir los elementos con lneas a cada uno de los elementos en su forma correspondiente, tomando en cuenta tambin a los elementos de medicin y su

forma de conexin como se indica en la figura 4.8.


31

Figura 4.8.- Armado del circuito principal.

g) Posteriormente, para obtener las seales que van a ser procesadas por el relevador al igual que en un sistema elctrico de potencia, se requiere de los transformadores de

instrumento, TCs y TPs como se muestra en la figura 4.9.

a) b)

Figura 4.9.- Transformadores de instrumento: a) TC, b) TP.

La conexin de estos elementos se debe de realizar con ayuda de un Data label asignndole el nombre de la variable de corriente Is para los TCs y el nombre de la variable de la tensin Ea para los TPs, como se indica a continuacin en la figura 4.10.

Figura 4.10.- Conexin de los transformadores de instrumento.

Los parmetros de los transformadores de instrumento que se le asignan a sus

propiedades, se determinan mediante la capacidad de carga mxima del conductor

de 400kV que es de 500MVA.


32

Donde la corriente mxima de carga es.

Por lo tanto, el TC se selecciona de 1000: 5, ya que la relacin se escoge para este

caso con un valor ms prximo al resultado de la corriente de carga mxima, ya

que este solo excede un 1% de su capacidad nominal y se puede justificar su

correcta operacin.

Para el caso del Transformador de potencial, normalmente en su secundario

mantienen aproximadamente 69.3V de lnea a neutro 120V de lnea a lnea, por lo

tanto, si se tiene una tensin en el sistema de 400kV.

Donde, aTP es la relacin de transformacin del Transformador de Potencial (TP)

Para la relacin de transformacin del TP se elige un valor de 3500 ya que este es el

valor inmediato superior que garantiza un correcto funcionamiento para el proceso

de seales del relevador.

h) Para poder observar el comportamiento de las seales de falla en el lado secundario de los transformadores de instrumento, se hace por medio de una grfica de

representacin, haciendo clic con el botn de la derecha en la barra de ttulo del

cuadro recin creado, aparece el men de configuracin, donde se har clic sobre

Add Analog Graph de forma que se aade una grfica de representacin. Se aaden tantas grficas como veces se repita este proceso, como se ve en la figura

4.11.

i) Para visualizar el comportamiento de las variables elctricas, por medio de grficas, haciendo clic con el botn de la derecha, en la barra de ttulo del cuadro recin

creado, aparece el men de configuracin, donde se har clic sobre Add Analog Graph, de forma que se aade una grfica. Se aaden tantas grficas como veces se repita este proceso.


33

Figura 4.11.- Graph Frame con dos grficos.

Se agregan las curvas por medio de la asignacin de variables y el elemento

Output Channel unindolos mediante un elemento Wire, hacia las salidas del lado secundario de los transformadores de instrumento, como se muestra en la

figura 4.12.

Figura 4.12.- Graph Frame con seales de salida.

j) Para enviar las variables a las grficas recin creadas se hace clic con el botn derecho sobre el Output Channel con lo que aparece el men mostrado en figura 4.13, y se hace clic sobre Add as curve.


34

Figura 4.13.- Men de configuracin del Output Channel.

k) Compilar el archivo con el fin de verificar si las conexiones en el circuito fueron bien hechas, esto con ayuda del botn RUN de la barra de herramientas

RUNTIME, ubicado en la parte superior izquierda de la pantalla, mostrada en la

figura 4.14.

Figura 4.14.- Botn RUN.

4.4 Guardado de seales de falla

Para guardar las seales generadas en el PSCAD/EMTDC, es necesario utilizar dentro del

mismo programa un convertidor de datos de seales, para generar archivos o datos de salida

con formato CONTRADE, para esto se requiere conectar dentro del mismo circuito y con

ayuda de la referencia de una etiqueta de seales, conectado a una lnea con tres referencias

de datos para la corriente del lado secundario de los TCs (A1, A2 y A3) y tres referencias de datos para la tensin del lado secundario de los TPs (A4, A5 y A6), conectadas a las terminales del grabador de seales, marcadas con las mismas referencias como se muestra

en la figura 4.15.


35

Figura 4.15.- Conexin del convertidor de datos.

Asimismo se procede a dar doble clic sobre este para configurar los parmetros con los

cuales se deben realizar las simulaciones, considerando la frecuencia, el tiempo de

intervalos para el grabado, el formato de los datos de salida, as como la configuracin

principal del nmero de canales analgicos de 16 bits y las variables y tipos de variables de

cada uno de estos canales, como se muestra en la figura 4.16.

Figura 4.16.- Configuracin del convertidor de datos.


36

Posteriormente, se tiene que configurar el tiempo de grabado de seales, esto se logra

conectando una etiqueta de tiempo llamada Real constant para el tiempo en el que se iniciar el grabado de las seales en la terminal Start del grabador de seales y otra etiqueta de tiempo en la que se indica en qu momento se terminar de grabar esta seal en

la terminal End, as como se indica en la figura 4.17.

Figura 4.17.- Conexin de las etiquetas de tiempo al grabador de seales.

Dando doble clic sobre las etiquetas de tiempo, aparecer una ventana en la cual se puede

configurar el tiempo de inicio y final del grabador de seales como se indica en la figura

4.18, en estas ventanas de las etiquetas de tiempo se asignaron de 0.75 al inicio y 0.95 en el

tiempo de paro de la grabacin de las variables de tensin y de corriente para este caso

particular, ya que lo que interesa que resalte es el instante donde se produce la falla.

Figura 4.18.- Asignacin de parmetros para las etiquetas de tiempo.

Por ltimo compilar el archivo nuevamente con el fin de verificar si las nuevas conexiones

en el circuito fueron bien hechas, esto con ayuda del botn RUN de la barra de

herramientas RUNTIME, as mismo automticamente el grabador de seales generar un

archivo de formato COMTRADE con el nombre del archivo proporcionado y la extensin

.pbk, el cual muestra los resultados grficos de la simulacin que sern reproducidos por el programa del Real Time Playback (RTP).

4.5 Real Time Playback (RTP)

Es un mdulo formado de un software y un equipo para la reproduccin de seales

analgicas, el software es un conjunto de herramientas computacionales basado en las

pruebas tiles para evaluar el desempeo de un sistema de proteccin, sistemas de control y

supervisin.


37

El RTP est especficamente diseado para aprovechar el poder del software de simulacin

PSCAD/EMTCD, aunque tambin puede generar una forma de onda arbitraria.

Cualquier forma de onda generada por PSCAD/EMTCD puede ser utilizado para la prueba

de proteccin, control o sistema de medicin con el RTP.

Adems, el RTP puede generar formas de onda a partir de datos COMTRADE o archivos

mediante el programa de RTP ESTADO. El RTP cuenta con una interfaz grfica avanzada

para la visualizacin y el control de formas de onda, sincronizacin GPS de reloj para las

pruebas de punta a punta, por ejemplo en las lneas de transmisin y un modo de

reproduccin por lotes de pruebas automatizadas. El RTP es un completo paquete de

herramientas, fcil de usar, muy verstil y puede producir una serie ilimitada de formas de

onda para probar los equipos elctricos [6].

4.6 Establecimiento de comunicacin con el equipo Real Time Playback (RTP) y una PC.

La configuracin y comunicacin entre una computadora y el equipo denominado Real Time Playback (RTP) se logra conectando fsicamente el equipo RTP con ayuda de un cable serial-USB, con RS-232, a un puerto USB de la computadora, en su defecto si la PC

cuenta con puerto COM, utilizar un cable serial-serial con arreglo RS-232 [6].

Se procede a encender el quipo RTP, el cual indicar con una seal de luz color verde.

En la PC se va a la direccin Men Inicio-Accesorios-Comunicaciones, se da clic en el

botn de la Hyper Terminal y se crea un archivo con un nombre RTP para identificar el nombre de la conexin, posteriormente se da clic en el botn aceptar, como se indica en la figura 4.19.

Figura 4.19.- Configurado de una nueva conexin para Hyper Terminal.

A continuacin, aparece la siguiente ventana de la figura 4.20, se elige la opcin del puerto

activo donde se realiz la conexin fsica del equipo RTP (en este caso COM6), y se da clic

en el botn aceptar.


38

Figura 4.20.- Seleccin del puerto activo.

A continuacin, se ajustan los datos de los comandos como se indica en la ventana de la

figura 4.21, dando un valor de bits por segundo de 9600 ya que as lo indica el manual del

RTP.

Figura 4.21.- Propiedades del puerto COM6.

Para continuar la comunicacin se da un clic en el botn aceptar y automticamente se procede a crear la comunicacin con el equipo RTP y se obtiene una respuesta desde el

equipo ya comunicado como se muestra en la figura 4.22.

Figura 4.22.- Respuesta de comunicacin del equipo.

Esta respuesta obtenida a travs de la comunicacin con la Hyper Terminal, es un men de configuracin para el equipo RTP y con ayuda de este men, se puede visualizar el

estado la ltima configuracin con la que cuenta el equipo, as mismo, tiene dos opciones


39

para configurar el modo de operacin de dicho equipo y por ltimo una opcin para

modificar el nombre de la configuracin.

Para llevar a cabo la configuracin del equipo RTP, se procede a presionar la tecla con el

nmero 2 y despus la tecla Enter, esto es para seleccionar el modo de operacin y a continuacin se vuelve a presionar la tecla con el nmero 2y otra vez la tecla Enter para seleccionar el modo Standalone (autnomo), el programa pedir una confirmacin para guardar los nuevos parmetros establecidos y para continuar se presiona la tecla

Enter, esta secuencia modifica los parmetros que tena anteriormente el equipo RTP y para ver la nueva configuracin se procede a presionarla tecla con el nmero 1 y se muestran los parmetros actuales del RTP, como se muestra en la figura 4.23.

Figura 4.23.- Nuevos parmetros asignados.

Se continua con la comunicacin entre el equipo RTP y el RTP Software buscando el

Estado de conexin rea local tal como se muestra en la figura 4.24.

Figura 4.24.- Estado de conexin de rea local.

Para ajustar los Parmetros de Conexin de rea local se da clic en Propiedades como se muestra en la figura 4.25.


40

Figura 4.25.- Propiedades de conexin de rea local

Posteriormente se da doble clic en Protocolo internet y se asignan las direcciones IP, el manual indica un amplio rango de IPs, pero las que se utilizaron y que hacen funcionar correctamente el enlace entre el equipo RTP y RTP Software, son las que se muestran en la

figura 4.26.

Figura 4.26.- Asignacin de direcciones IP.

Para dar de alta y que sean reconocidas las direcciones IP por la PC, se requiere modificar

en esta direccin C:\WINDOWS\system32\drivers\etc las ltimas dos lneas como se muestra en la figura 4.27, agregando la direccin IP y el nombre con la que es identificada,

se guardan los cambios y se cierra.


41

Figura 4.27.- Ventana de ajustes de IP e identificacin.

Llegando a este punto se ha logrado la comunicacin entre el equipo RTP y una PC.

4.7 Reproduccin de seales en el equipo Real Time Playback

La reproduccin de seales con el equipo RTP se logra, abriendo el programa Play en Men Inicio-Programas-RTP-Play y se introduce la siguiente direccin IP (asignada en

el manual como una IP no ruteable), como se muestra en la figura 4.28.

Figura 4.28.- Ventana de colocacin de la direccin IP.

El programa confirmar la conexin con la direccin IP como se puede ver en la figura

4.29.

Figura 4.29.- Ventana de confirmacin de conexin.

Una vez que se tiene confirmada la conexin, se cargan las seales guardadas en formato

COMTRADE del PSCAD/EMTCD con extensin pbk, como se muestra en la figura 4.30.


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Figura 4.30.- Direccin de seales guardadas.

Posteriormente se obtienen los resultados de las seales como se muestra en la figura 4.31.

Figura 4.31.- Seales reproducidas de tensin y corriente.

A continuacin se modifican las escalas de las seales de tensin y corriente para obtener

seales con magnitudes inferiores a valores pico de 10 volts. Si el valor pico supera en

magnitud los 10 volts, aparece una bandera como una seal saturada.


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Para el caso de prueba a los relevadores, en particular el caso del relevador SEL-424, solo

admite el valor pico mximo de 3.3 volts en un caso de lmite extremo.

Para representar una corriente de 5 amperes RMS obtenida de los secundarios de los TCs, la tensin de alimentacin en valor RMS debe ser de 66.6 mV, es por ello, que se propone

una ganancia de 75.075, como se ve en la figura 4.32, este valor se obtuvo conforme al

cociente de los 5 amperes y los 66.6 mV.

Por otro lado, para representar la tensin de fase a neutro de 66 V RMS obtenida de los

secundarios de los TPs, debe ser una tensin RMS de 446 mV, es por ello que se propone una ganancia de 147.944, como se ve en la figura 4.32, este valor se obtuvo conforme al

cociente de los 66 volts y los 446 mV.

Figura 4.32.- Ajuste de valores de escalas.

Para reproducir las seales se da clic en el botn , despus se presiona el botn ,

como se ve en la figura 4.33.

Figura 4.33.- Reproduccin de seales.


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Por ltimo se da clic en el botn Arm para correr la reproduccin y clic en el botn stop para detenerla, como se ve en las figuras 4.34 y 4.35.

Figura 4.34.- Control para la reproduccin de seales.

Figura 4.35.- Control para el paro de reproduccin de seales.

Una vez cargadas las seales en el equipo RTP se contina con la reproduccin de seales

analgicas (en las salidas Analog Outputs) presionando el botn Manual Start, como se muestra en la figura 4.36.

Figura 4.36.- Reproduccin de seales por el equipo RTP.

Para comprobar que las seales reproducidas por el equipo RTP no exceden de los lmites

de tensin previamente mencionados, se coloca un Osciloscopio a la salida Analog Outputs, como se muestra en la figura 4.37.


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Figura 4.37.- Seales vistas por el osciloscopio.

PRUEBAS DE RELEVADORES DE DISTANCIA EMPLEANDO EL SIMULADOR REAL TIME PLAYBACK CAPTULO 5. PRUEBAS AL RELEVADOR SEL-421 CON EQUIPO REAL TIME PLAYBACK

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CAPTULO 5

PRUEBAS AL RELEVADOR SEL-421 CON EQUIPO REAL TIME PLAYBACK

5.1 Introduccin

En este captulo se describe la secuencia necesaria para poner bajo prueba al relevador

SEL-421, desde el equipo Real Time Playback, esto a partir del establecimiento de comunicacin entre el relevador SEL-421 y una PC, y realizar la propuesta de ajustes al

relevador SEL-421.

5.2 Establecimiento de comunicacin del relevador SEL-421 con una PC.

Existen diferentes mtodos para establecer comunicacin a partir de una PC y un relevador

SEL-421 estos son:

Mtodo Va LAN (Red de rea local) Mtodo Telnet Mtodo va SELCard Mtodo Cable Serial-Serial Mtodo SCADA.

En el desarrollo de estas pruebas se usa el mtodo cable Serial-Serial, sin embargo debido a

que en la mayora de las veces se usa una computadora porttil, estas no cuentan con la

conexin serie, por tanto se necesita una adaptador Serial-USB, como el que se muestra en

la figura 5.1.

Figura 5.1.- Cable adaptador SerialUSB.

5.2.1 Configuracin del cable de comunicacin Serial-USB

Conectar el cable Serial-USB a uno de los puertos de la computadora, en ese momento la

PC mostrar una leyenda de Nuevo Hardware encontrado

Nota: Instalar el cable antes de conectarlo al relevador.

Insertar el disco de instalacin del cable adaptador Serial-USB (que acompaa al cable

adaptador en el empaque de distribucin) en su respectiva unidad, posteriormente, la

pantalla muestra la ventana que se ve en la figura 5.2.


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Figura 5.2.- Ventana de instalacin de nuevo hardware.

Elegir la opcin Instalar automticamente el software (Recomendado) y a continuacin dar clic en Siguiente, como se muestra en la figura 5.3.

Figura 5.3.- Ventana de advertencia por la instalacin del hardware.


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Elegir la opcin de Continuar y dar clic en la opcin Finalizar, aparecer en la barra de tareas un globo con la leyenda Su hardware est listo para usarse.

En el men de Inicio dirigirse a la opcin Mi PC y con un clic derecho elegir la opcin Propiedades, aparecer una ventana como se muestra en la figura 5.4.

Figura 5.4.- Ventana de Propiedades del sistema.

Al dar clic en la pestaa Hardware y elegir la opcin Administrador de dispositivos, aparecer una ventana como se muestra en la figura 5.5.

Figura 5.5.- Ventana de Administrados de dispositivos.


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Se da doble clic en Puertos (COM LPT) y posteriormente doble clic en Serial USB (COMX), aparecer una ventana como la que se muestra en la figura 5.6.

Figura 5.6.- Ventanas de Propiedades del cable Serial-USB.

En el panel frontal del relevador SEL-421 se hacen las siguientes operaciones para obtener

los parmetros de ajustes que se introdujo en la ventana de la figura 5.6.

- Oprimir la tecla

- Dirigirse al men SET/SHOW y oprimir

- Elegir la opcin PORT y oprimir nuevamente.

- Elegir la opcin COMMUNICATIONS SETTINGS Y OPRIMIR

En la pantalla mostrara las especificaciones como se muestra en la figura 5.7.


50

Figura 5.7.- Parmetros de comunicacin del relevador SEL-421.

Ya que se tiene el cable Serial-USB ajustado a los parmetros obtenidos del relevador SEL-

421, se procede a obtener la comunicacin por medio del Software AcSELerator QuickSet.

Se dirige a la direccin Men Inicio Programas - SEL Aplications - AcSELerator QuickSet y aparecer una ventana como se muestra en la figura 5.8.

Figura 5.8.- Ventana principal de presentacin del software AcSELerator QuickSet.

En el men Comunications elegir la opcin Parameters, y aparecer una ventana como se muestra en la figura 5.9.


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Figura 5.9.- Ventana de ajuste de los parmetros de comunicaciones.

En la opcin Device se elige el puerto de comunicaciones que sea el mismo al mostrado en la figura 5.6.

Se dar clic en OK

Si la conexin y la configuracin son correctas, en la parte inferior izquierda aparecer la

leyenda Connected, como se ve en la figura 5.10.

Figura 5.10.- Barra de estado de las comunicaciones.

Para probar la conexin se pueden leer los datos de tiempo real del relevador, con un clic

sobre el icono en la parte de la barra de iconos, si la comunicacin es correcta,

aparecer la ventana de la figura 5.11.


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Figura 5.11.- Ventana de datos ledos directamente del relevador.

Si se requiere leer las ltimas configuraciones que tiene el relevador, se da un clic sobre el

icono en la barra de iconos de la pantalla principal donde aparecer una ventana como

se ve en la figura 5.12, y se da clic en OK.

Figura 5.12.- Ventana de ajustes que se desean leer directamente del relevador.

Se mostraran las configuraciones con las que cuenta el relevador en ese momento.


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5.3 Ajustes propuestos para la proteccin de distancia del relevador SEL-421.

El relevador SEL-421 es un equipo microprocesado de proteccin que sensa las magnitudes

de tensin y corriente dadas por los transformadores de instrumento (transformadores de

corriente y transformadores de potencial), en base a estos valores se calcula la impedancia

de la falla y la compara con la impedancia de ajuste programada previamente en su

memoria interna, si la impedancia calculada es menor a la impedancia de ajuste enva una

seal de disparo al interruptor para que este libere la falla.

El hecho de que el relevador sea microprocesado, representa una ventaja ante los

relevadores electromecnicos, ya que no sufren desgastes mecnicos debidos al

movimiento de sus componentes internos. Con los estticos representan tambin una

ventaja, ya que dentro de un microprocesado se pueden programar ms funciones y se

reducen espacios.

El relevador SEL-421 es un equipo que opera bajo el esquema de relevador de distancia

tipo admitancia o Mho. Esta caracterstica es inherentemente direccin y solo para fallas

hacia adelante.

Para ajustar la proteccin del relevador SEL-421, se propone configurar los ajustes de la

proteccin de la lnea de transmisin propuesta en el circuito de la figura 5.13.

Figura 5.13.- Diagrama de un sistema elctrico de potencia

Los datos de impedancia de la lnea de transmisin propuesta en /m son:

Impedancia secuencia cero (Z0)

Impedancia secuencia positiva (Z1)

Los datos de impedancia de la lnea de transmisin propuesta en se obtienen multiplicando la impedancia de la lnea de transmisin en /m por la longitud de la lnea de transmisin, en este caso 100 km, los resultados son:

Impedancia secuencia cero (Z0)

Impedancia secuencia positiva (Z1)


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Los datos de relacin de transformacin de los transformadores de instrumento son:

Transformador de corriente 1000/5

Transformador de potencial 3500/1

Como se mencion anteriormente, el relevador SEL-421, requiere de la ayuda del software

AcSELerator QuikSet, para poder ajustar los parmetros requeridos para el funcionamiento

y operacin del relevador.

Para el desarrollo de un nuevo ajuste de parmetros para el relevador SEL-421, se abre un

nuevo archivo en la barra de mens File New, aparecer una ventana y se selecciona el modelo del relevador SEL-421, sus 3 primeros dgitos 007 y se da clic en aceptar, como se muestra en la figura 5.14.

Figura 5.14.- Ventana de seleccin de modelo de relevador.

Aparece una ventana donde se ingresan los datos de placa del relevador SEL-421, en el cual

se tiene la informacin como se ve en la figura 5.15, estn localizada en la parte posterior

del mismo.

Figura 5.15.- Ventana de ingreso de datos de placa del relevador SEL-421.


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Una vez entablada la comunicacin previamente mencionada, se procede a ajustar el

relevador SEL-421 mediante este software, se empieza modificado los ajustes globales

General Global Settings que son los principales pasos que se deben realizar al comenzar a ajustar el relevador SEL-421.

En este men se establece la identificacin que tendr el relevador Relay Identifier, as como la ubicacin del mismo Station Identifier. Tambin se seala cuantos interruptores se desea manipular Number of Breaker in Scheme, as como el nombre propuesto para el interruptor Breaker 1 Identifier. Se define la frecuencia de operacin del sistema al que se conectar el relevador Nominal System Frequency, la rotacin de las fases System Phase Rotation y la forma en que mostrar la fecha Date Format, como se muestra en la figura 5.16. [7]

Figura 5.16.- Ajustes del men General Global Settings

Otro ajuste a modificar es la ecuacin de condicin de falla FAULT Fault Condition Equation, el ajuste de este bloque es como se muestra en la figura 5.16, la ecuacin es:

M1P OR Z1G OR M2P OR Z2G OR M4P OR Z4G # FALLA


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Dnde:

M1P.-Elemento de distancia de fase tipo mho de la zona 1.

Z1G.-Elemento de distancia de tierra de la zona 1.

M2P.-Elemento de distancia de fase tipo mho de la zona 2. (Se activa con retardo de 18

ciclos).

Z2G.- Elemento de distancia de tierra de la zona 2 (Se activa con un retardo de 18ciclos).

M3P.-Elemento de distancia de fase tipo mho de la zona 4. (Se ajusta a 30 ciclos).

Z3G.- Elemento de distancia de tierra de la zona 4 (Se ajusta a 30 ciclos).

La ecuacin de disparo incondicional debe ser escrita con operadores lgicos en este caso

se utiliza el operador OR, ya que cualquiera de estos bits que sea activado ser interpretado como una falla, por lo que el relevador actuar y mandar una seal de disparo.

Cuando la falla se presenta dentro de la primera zona, el relevador operar con el operador

M1P o Z1G.

Si la falla llega a presentarse ms all de la primera zona, el relevador determinara la falla

dentro de la zona 2 de proteccin, por lo que M2P o Z2G se activarn, sin embargo stos

actuarn a un tiempo programado.

Cuando la falla se presenta detrs del relevador, ste clasificar la falla dentro de la zona 4

de proteccin, por lo que M4P o Z4G se activarn, pero operarn hasta que haya

transcurrido los ciclos programados en el ajuste (para efectos de ste ejemplo se ajustarn

30 ciclos de retardo). La zona cuatro generalmente se utiliza como de bloqueo, ya que el

relevador al sensar magnitudes en la direccin opuesta a la programada no debe operar, sin

embargo, para fines de este ejemplo, se programa la zona cuatro como de disparo, para

determinar si el relevador reconoce la zona cuatro y opera dentro de ella y sobre sus lmites.


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Line configuration Configuracin de la lnea.

Figura 5.17.- Despliegue del men de parmetros de configuracin de la lnea.

La figura 5.17 muestra los ajustes de los parmetros en la configuracin de la lnea como

son los siguientes:

CTRW, Es el ajuste de la relacin de transformacin de transformadores de corriente a utilizar, en este caso se selecciona a partir un estudio de corto circuito, que los

transformadores de instrumento a utilizar son de 1010: 5 para Transformador de corriente y

3500: 1 para Transformador de potencia.

Estos valores se determinan mediante la capacidad de carga mxima del conductor de

400kV que es de 500MVA.


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Donde la corriente mxima de carga es.

Sustituyendo.

Por lo tanto, el TC se selecciona de 1000: 5, ya que la relacin se escoge al valor prximo

superior.

Para el caso del Transformador de potencial, normalmente en su secundario mantienen

aproximadamente 69.3V de lnea a neutro, o 120V de lnea a lnea, por lo tanto, si se tiene

una tensin en el sistema de 400kV.

En base al valor obtenido se selecciona la relacin inmediata superior, en este caso 3500.

Por lo tanto la pestaa CTRW se ajusta de la siguiente manera.

CTRX En este parmetro, se conectan los transformadores de corriente auxiliares u otro juego de transformadores, que en esta evaluacin no sern utilizados.

PTRY. Es el ajuste de la relacin de transformacin de los transformadores de potencial, que se conectan en las terminales VY en la parte trasera del relevador.

VNOMY. Este parmetro, es

Unlock-32

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