WO2008099037A1 - Protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta - Google Patents

Protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta Download PDF

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Felipe Uriondo Arrue
José Ramón HERNÁNDEZ GONZÁLEZ
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Universidad Del Pais Vasco-Euskal Herriko Unibertsitatea
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Definitions

  • Activity Sector Directional unit to be used in protective equipment of the electric power system
  • the unit that determines the direction in which the fault has occurred is commonly called the directional unit and has a primary role in the quality of the protective equipment in which it is integrated.
  • the existing directional units base their operation on the decomposition of the voltages and intensities that appear in a short circuit in voltages and intensities of three sequence networks called direct, inverse and homopolar sequence respectively.
  • Directional units are classified according to the sequences they use to determine the direction in which the fault has occurred and there are thus directional homopolar sequence, reverse sequence directional and direct sequence directional.
  • the homopolar sequence units are used to determine the direction in which the single-phase and two-phase ground faults occur while the units of Reverse sequence are used for both single-phase and two-phase faults. Finally, to determine the direction in which the three-phase faults occur, the direct sequence directional is used.
  • the unit in question is a direct sequence unit that improves the traditional direct sequence unit used to determine the direction in which three-phase faults occur, improving their behavior in the case of three-phase faults and making it valid not only for three-phase faults, but For all kinds of fault.
  • V / is the direct sequence voltage where the unit is installed before the short circuit occurs.
  • the decision rule to determine the direction of the fault is:
  • the new unit presented is based on an unprecedented technique of the authors of the invention that demonstrates that the direct sequence can be broken down into four terms, two of which always have opposite directions - one of the terms goes from failure to unity. and another of the unit to the lack- and that, therefore, it is much more convenient to divide the power of direct sequence and to consider those two terms separately.
  • the unit presented uses the new power polarization whose originality and property appears in the patent application P200602716, also filed by the inventors.
  • this directional can be combined with that shown in the aforementioned application P200602716 to give rise to a single generalized directional that covers all types of fault with a single comparator using the maximum information that can be obtained in a short circuit.
  • the invention presented is a new direct sequence directional unit that significantly improves the response of the traditional direct sequence unit by breaking down the power into addends that are treated separately by extracting as much information as possible from the direct sequence quantities.
  • It consists of a directional unit to be used in an Electric Power System that, when a short circuit occurs, uses the direct sequence power that circulates through the point where the unit is located and that consumed by the line to determine the direction where is the short circuit? To do this, it calculates a scalar value from the pre-tension voltage (V /), the variation in tension with respect to the prefalta (AV 1 ), the variation in intensity with respect to the prefalta ( ⁇ Ii), the direct sequence impedance of the line (Z L i), the maximum offset between healthy voltages at both ends of the line ( ⁇ ) and the values set by the user ( ⁇ , ⁇ ) compared to two preset references (K F , K R ), also set by the user, to determine the direction of the fault.
  • the scalar value is calculated using the following expression:
  • the decision rule to determine the direction of the fault is:
  • the present invention recommends a power line protection to determine the direction in which a fault occurs, characterized in that it consists of a directional unit that receives the magnitudes of the direct sequence voltage (V 1 ) power line, voltage of direct sequence existing before the fault occurs (V ⁇ p ), direct sequence intensity (I 1 ), direct sequence intensity existing before the fault occurs (I 1 1 "), the directional unit consisting of:
  • a power calculator module consisting of means for
  • a 2 calculate the direct sequence power consumed by the entire line (S L1 ) due to the fault, according to the following expression: I 2 where Z L1 is the impedance of the direct sequence power line;
  • a decision module consisting of means to:
  • S L i is the direct sequence power of the line and 7 is the percentage of that power that we want to include in the unit.
  • K ⁇ K F the fault has occurred in the forward direction K> KR the fault has occurred in the rearward direction activating its corresponding output.
  • the system consists of counting circuits, one that counts the samples during which the "forward" output is kept activated and another that counts the samples during which the "backward” output is activated, activating the output of the counting circuits when the accumulated number of samples is such that the time during which the response has been maintained is greater than that corresponding to a predetermined timing (threshold value).
  • It is also characterized in that it consists of a counter circuit that, during a preset time, blocks the activation of the output in the "forward" direction so as not to allow flow changes due to the actions of some associated switches of the system to give rise to undue actions of the unity.
  • a) a memory circuit that stores the voltage and current values present at the time before the short circuit occurs.
  • the starting of the unit does not occur if the direct sequence intensity variation does not exceed a threshold set by the user.
  • This unit has the following enhanced features compared to the traditional direct sequence unit:
  • FIG. 1 An electrical line of an electrical power system is shown in Figure 1.
  • the power line is located between substations "A" and "B".
  • This figure shows the normal operating situation of the line, with load circulating from one end to the other.
  • the direction of power circulation from one end to the other is fixed by the ends of the arrows.
  • the load as shown in the figure, circulates from "A" to "B".
  • Figure 2 shows the situation that occurs when the fault takes place in front of the protection.
  • the figure shows that the component 3- ⁇ V, -AI 1 circulates from the fault towards the sources while the component S'V ⁇ ' ⁇ I, circulates from the sources towards the short circuit.
  • Figure 3 shows the situation that occurs when the fault is behind the protection.
  • the figure shows that the direct sequence components continue to circulate the same as in the previous case: 3- ⁇ V, 1 AI 1 circulates from the short circuit to the sources while 3-V, p - ⁇ I * circulates from the sources to the short circuit.
  • the two addends change direction when they are measured from the point where the unit is located.
  • Figure 4 shows the stages in which the performance of the protective equipment and the relations with the measuring transformers and the switch of Figures 1, 2 and 3 are divided.
  • Figure 5 shows the polarization and operation signals of the direct sequence power polarized comparator on which the operation of the unit is based when the fault occurs "behind" the protection:
  • Figure 6 shows the polarization and operation signals of the direct sequence power polarized comparator on which the operation of the unit is based when the fault occurs "in front" of the protection:
  • FIG. 3 shows the three zones in which the response of the unit is divided according to the value of K, where K is the output of the direct sequence comparator:
  • Figure 8 shows the unit, that is, its implementation.
  • the memory circuit is included for clarity although it is an independent unit that is used in several applications. It also includes the circuit that confirms that the output is adequate by checking that it is maintained for a certain number of samples.
  • Figure 9 shows the direct, inverse and homopolar sequence networks connected in such a way that they reflect the existing relationships between voltages and intensities of the different sequences when there is an open fault - that is, with zero fault resistance - in the phase R to ground for a fault "in front" of the protection at a certain distance "p" (as much for one) of substation A.
  • Figure 10 shows the direct, inverse and homopolar sequence networks connected in such a way that they reflect the relationships between voltages and intensities of the different sequences when there is a frank fault - that is, with zero fault resistance - in the phase R earthed for a fault at a point immediately before the location of the protection.
  • Figure 1 shows two line protections (9) and (10) which, through the current measurement transformers (5) and (6) and the voltage measurement transformers (7) and (8) , which reduce the voltages and intensities to normalized low voltage values, monitor the voltages and intensities of the line between substations A and B.
  • Figure 4 shows the way in which the protections of both ends operate from the voltages and intensities reduced to values normalized by the measuring transformers. These voltages and intensities are filtered analogically eliminating the high frequency components. The filtered voltages and intensities are sampled and, from these values, the voltage and current phasors are obtained that are used by the different protection units that, by means of the appropriate logic, activate the protection outputs that open or close the line switches
  • the new theory about the powers put into play in a short-circuit in a three-phase line demonstrates that, when a short circuit occurs, the power can be expressed based on the voltages and intensities of three circuits called the direct sequence network, reverse sequence network and homopolar sequence network through the expression:
  • ⁇ V variation of the direct sequence voltage due to the short circuit.
  • ⁇ I? variation of the conjugate direct sequence intensity due to the short circuit.
  • V 2 reverse sequence voltage during short circuit.
  • V 0 reverse sequence voltage during short circuit.
  • V 2 -I 2 reverse sequence power returned by the short circuit (S2).
  • V 0 -V 0 homopolar sequence power returned by the short circuit (SO).
  • K F ⁇ ⁇ K R the unit does not output, it is the "no decision" zone.
  • the unit is set using parameters Z L1 , 7, ⁇ , ⁇ , K F and K R according to the following basic rules:
  • Z L1 100% of the direct sequence impedance of the line being protected by the unit must be entered.
  • ⁇ can be adjusted between 0 and 100. It is also a percentage. It represents the percentage of the power supplied by the source to the short circuit that we want to intervene in the unit.
  • ⁇ it is the maximum lag that can exist between the tensions of the two ends of the protected line in normal operation. It corresponds to the gap between the tensions of the two ends in a situation of maximum load (adjustment in degrees).
  • K F and K R they can be adjusted between 0 and 1, provided that K R > K F.
  • the 0.5 is the midpoint, the closer to zero, the more easily the unit gives a blocking output or, what is the same, indicates backward fault.
  • the fault detector When the short circuit occurs, the fault detector is activated and the FD input - which is the output of the fault detection unit - takes the true logical value (vide figure 8). The unit is also enabled, so the DIRE setting also has true logical value. Finally, the current variation exceeds the threshold set by 5OD since the direct sequence intensity variation is greater than 0.5A. Since all three inputs are active, the power calculation module and the element that contains the comparator are simultaneously enabled. The memory circuit supplies the voltage and current values before the short circuit occurs and the power calculation module calculates from the fault values and pre-sets the following quantities:
  • the fault detector measures an increase in homopolar and inverse intensities and activates its output.
  • the power calculator module calculates the following values:

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, que emplea la potencia de secuencia directa. Para ello calcula un valor escalar a partir de la tensión de prefalta (V1F), la variación de tensión respecto a la prefalta (ΔV1), la variación de la intensidad respecto a la prefalta (ΔI1,), la impedancia de secuencia directa de la línea (ZLi), el máximo desfase entre tensiones sanas en ambos extremos de línea (&thetav;) y los valores ajustados por el usuario (γ, δ) que se compara con dos referencias prefijadas (KF, KR), también fijadas por el usuario, para determinar la dirección de la falta. El valor escalar se calcula mediante la siguiente expresión: La regla de decisión para determinar la dirección de la falta es: • Si &kappav;<KF la falta se ha producido hacia delante. • Si &kappav;> KR la falta se ha producido hacia atrás.

Description

"PROTECCIÓN DE LÍNEA ELÉCTRICA PARA DETERMINAR EL SENTIDO EN EL QUE SE PRODUCE UNA FALTA"
SECTOR DE LA TÉCNICA
Área: Ingeniería Eléctrica
Disciplina: Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia
Sector de Actividad: Unidad direccional para ser empleada en equipos de protección del sistema eléctrico de potencia
Para un equipo de protección responsable de actuar ante los cortocircuitos que se producen en una determinada línea eléctrica es imprescindible determinar, cuando se produce un cortocircuito, si éste ha tenido lugar en la dirección de la línea que está cubriendo (falta hacia delante) o en la dirección contraria en una línea contigua (falta detrás).
La unidad que determina la dirección en la que se ha producido la falta se denomina comúnmente unidad direccional y tiene un papel primordial en la calidad del equipo de protección en el que se integra.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Las unidades direccionales existentes basan su funcionamiento en la descomposición de las tensiones e intensidades que aparecen en un cortocircuito en tensiones e intensidades de tres redes de secuencia denominadas secuencia directa, inversa y homopolar respectivamente.
Las unidades direccionales se clasifican en función de las secuencias que emplean para determinar cuál es la dirección en la que se ha producido la falta y existen así direccionales de secuencia homopolar, direccionales de secuencia inversa y direccionales de secuencia directa.
Las unidades de secuencia homopolar se emplean para determinar la dirección en la que se producen las faltas monofásicas y bifásicas a tierra mientras que las unidades de secuencia inversa se emplean tanto para faltas monofásicas como bifásicas. Por último, para determinar la dirección en la que se producen las faltas trifásicas se emplea el direccional de secuencia directa.
La unidad que nos ocupa es una unidad de secuencia directa que mejora la unidad de secuencia directa tradicional empleada para determinar la dirección en la que se producen las faltas trifásicas mejorando su comportamiento ante faltas trifásicas y haciendo que sea válida no sólo para faltas trifásicas, sino para todo tipo de falta.
La técnica tradicional empleada en el direccional de secuencia directa se basa en el cálculo de la siguiente expresión:
χ = -Re{vi p-i;-lZ - θL1 }
Donde:
• V/ es la tensión de secuencia directa donde está instalada la unidad antes de producirse el cortocircuito.
• I]*es la intensidad de falta de secuencia directa conjugada donde está instalada la unidad.
• θ|_i es el ángulo de la impedancia directa de la línea.
La regla de decisión para determinar la dirección de la falta es:
• Si χ>0 la falta se ha producido en la dirección hacia delante.
• Si χ<0 la falta se ha producido en la dirección hacia atrás.
La nueva unidad que se presenta se apoya en una técnica inédita de los autores de la invención que demuestra que la secuencia directa puede ser descompuesta en cuatro términos dos de los cuáles tienen siempre direcciones contrarias -uno de los términos va de la falta a la unidad y otro de la unidad a la falta- y que, por lo tanto, es mucho más conveniente dividir la potencia de secuencia directa y considerar esos dos términos por separado. Además de la nueva técnica sobre las potencias puestas en juego en el cortocircuito, la unidad que se presenta emplea la nueva polarización por potencia cuya originalidad y propiedad aparece en la solicitud de patente P200602716, presentada asimismo por los inventores. Por último, este direccional se puede combinar con el mostrado en la citada solicitud P200602716 para dar lugar a un único direccional generalizado que abarca todos los tipos de falta con un único comparador empleando el máximo de información que se puede obtener en un cortocircuito.
En posteriores apartados se mostrara que el direccional de secuencia directa que se viene empleando adolece de un problema importante que el nuevo direccional que se presenta no padece.
La documentación más importante para conocer al detalle cuál es el estado del arte es la que citamos a continuación:
(1) U.S. Patent No. 5,808,845 - System for preventing sympathetic tripping in a Power System.
(2) EP 0 769 836 A2 - A Directional Element.
(3) U.S. Patent No. 5,349,490 - Negative sequence directional element for a relay useful in protecting power transmission lines.
(4) U.S. Patent No. 5,365,396 - Negative sequence directional element for a relay useful in protecting power transmission lines.
(5) CA 2 108 443 - Negative Sequence Directional Element For a Relay Useful In
Protecting Power Transmission
(6) G.E. Alexander, Joe Mooney and William Tyska, Joe, "Advanced Application Guidelines for Ground Fault Protection", 28<h Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA, October 2002.
(7) Jeff Roberts, Demetrious Tziouvaras, Gabriel Benmouyal et al, "The effect of
Multiprinciple Line Protection on Dependability and Security", Schweitzer Engineering Laboratories Technical Papers, Pullman, WA 2001. -A-
(8) Bogdan Kasztenny, Dave Sharples, Bruce Campbell and Marzio Pozzuoli, "Fast Ground Directional Overcurrent Protection - Limitations and Solutions", 27"1 Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA, October 2000.
(9) Elmo Price, "Sequence Coordination Study AN-55L-00", Substation Automation and Protection División, ABB Application Note, March 2000.
(10) G. Benmouyal and J. Roberts, "Superimposed Quantities: Their True Nature and Their Application in Relays", 2(fh Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA, October 1999.
(11) J.L. Blackbum, "Protective Relaying: Principies and Application", Second Edition, Marcel Dekker Inc. New York, 1998.
(12) Bill Fleming, "Negative Sequence Impedance Directional Element", Schweitzer Engineering Laboratories Technical Papers, Pullman, WA 1998.
(13) Joe Mooney and Jackie Peer, "Application Guidelines for Ground Fault Protection", 24lh Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA, October 1997.
(14) Jeff Roberts and Edmund O. Schweitzer III, "Limits to the Sensitivity of Ground Directional and Distance Protection", 1997 Spring Meeting ofthe Pennsylvania Electric Association Relay Committee, Allentown, Pennsylvania, May 1997.
(15) Armando Guzman, Jeff Roberts and Daquing Hou, "New Ground Directional Elements Opérate Reliably For Changing System Conditions", 51st Annual
Georgia Tech Protective Relaying Conference, Atlanta, Georgia, April 1997.
(16) P.M. Anderson, "Analysis of Faulted Power Systems", IEEE-Press - Power Engineering Series, 1995.
(17) P.G. McLaren, G. W. Swift et Al, "A New Directional Element for Numerical Distance Relays", IEEE-PES Summer Meeting, San Francisco, CA, JuIy 28,
1994, Paper No. 94 SM 429-1 PWRD. (18) Jeff Roberts and Armando Guzman, "Directional Element Design and Evaluation", 21st Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA, October 1994.
(19) Karl Zimmerman and Joe Mooney, "Comparing Ground Directional Element Performance Using Field Data", 20"1 Annual Western Protective Relay
Conference, Spokane, WA, October 1993.
(20) G.E. Alexander and J.G. Andrichak, "Ground Distance Relaying: Problems and Principies", 19"1 Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA, October 1991.
(21) IEEE Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines. IEEE standard, January 2000.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Preámbulo
La invención que se presenta es una nueva unidad direccional de secuencia directa que mejora notablemente la respuesta de la unidad de secuencia directa tradicional al descomponer la potencia en sumandos que son tratados separadamente extrayendo el máximo de información posible de las magnitudes de secuencia directa.
Explicación de la invención
Consiste en una unidad direccional para ser empleada en un Sistema Eléctrico de Potencia que, cuando se produce un cortocircuito, emplea la potencia de secuencia directa que circula por el punto en el que está situada la unidad y la consumida por la línea para determinar la dirección en que se encuentra el cortocircuito. Para ello calcula un valor escalar a partir de la tensión de prefalta (V/), la variación de tensión respecto a la prefalta (AV1), la variación de la intensidad respecto a la prefalta (ΔIi), la impedancia de secuencia directa de la línea (ZLi), el máximo desfase entre tensiones sanas en ambos extremos de línea (θ) y los valores ajustados por el usuario (γ, δ) que se compara con dos referencias prefijadas (KF, KR), también fijadas por el usuario, para determinar la dirección de la falta. El valor escalar se calcula mediante la siguiente expresión:
Figure imgf000008_0001
La regla de decisión para determinar la dirección de la falta es:
• Si κ<KF la falta se ha producido en la dirección hacia delante.
• Si κ> KR la falta se ha producido en la dirección hacia atrás.
El presente invento preconiza una protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, que se caracteriza porque consta de una unidad direccional que recibe las magnitudes de la línea eléctrica de tensión de secuencia directa (V1), tensión de secuencia directa existente antes de producirse la falta (V \p), intensidad de secuencia directa (I1), intensidad de secuencia directa existente antes de producirse la falta (I1 1"), constando la unidad direccional de:
a) un módulo calculador de potencias que consta de medios para
a]) calcular la potencia de secuencia directa suministrada por la fuente al cortocircuito (SFi) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión: siendo AI1 * la conjugada del incremento de la intensidad de secuencia
Figure imgf000008_0003
-I1 1");
a2) calcular la potencia de secuencia directa consumida por la totalidad de la línea (SL1) debido a la falta, de acuerdo con la siguiente expresión:
Figure imgf000008_0004
I2 siendo ZL1 la impedancia de la línea eléctrica de secuencia directa;
a3) calcular la potencia de secuencia directa (S1) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión:
S1 = AV1-Ai; siendo ΔVi la conjugada del incremento de la tensión de secuencia directa(ΔVi= V1- V,p);
b) un módulo de decisión que consta de medios para:
bi) determinar una señal de polarización que responde a la expresión:
POLARIZACIÓN
Figure imgf000009_0001
donde SLi es la potencia de secuencia directa de la línea y 7 es el porcentaje de esa potencia que deseamos incluir en la unidad.
b2) determinar una señal de operación que responde a la expresión:
S0P = γ-ΔV, -Δi; -δ-V,p-Δi;-ejθ - κ-SPOL = S- κ-SPOL donde S1 = ΔV^ΔI* y SF1 = VP-ΔI* son las potencias de secuencia directa suministradas y consumidas por el cortocircuito respectivamente y K es el valor frontera elegido por el usuario, siendo K=KF para faltas delante y K=KR el valor frontera para faltas detrás;
b3) determinar la parte real (Re) del producto de la señal de operación por el conjugado de la señal de polarización, de acuerdo con la expresión: Re\SθPERACION '^POLARIZACIÓN /
b4) decidir que el sentido de la falta se ha producido "delante" del sistema cuando la parte real (Re) es negativo y "detrás" cuando la parte real es positiva, lo que formalmente se expresa:
// / w / \* \ < 0 -> Falta delante
Re((γ.S, -δ.s,F -κ.(γ.su)Mr SL,) )> 0 → Fa!ta detrás
También se caracteriza porque deducida de Rejsop SP0L }< 0 la expresión
Figure imgf000009_0002
y fijados la K como valor frontera KF para faltas delante y el valor frontera KR para faltas detrás, dispone el módulo de decisión de medios direccionales para decidir que si: K < KF la falta se ha producido en sentido hacia delante K > KR la falta se ha producido en sentido hacia detrás activándose su correspondiente salida.
También se caracteriza porque el sistema consta de circuitos contadores, uno que cuenta las muestras durante las que se mantiene la salida "hacia delante" activada y otro que cuenta las muestras durante las que se mantiene la salida "hacia detrás" activada, activándose la salida de los circuitos contadores cuando el número de muestras acumulado es tal que el tiempo durante el cuál se ha mantenido la respuesta es superior al correspondiente a una temporización (valor umbral) predeterminada.
También se caracteriza porque consta de un circuito contador que, durante un tiempo prefijado, bloquea la activación de la salida en sentido "delante" para no permitir que cambios de flujo debidos a actuaciones de unos interruptores asociados del sistema den lugar a actuaciones indebidas de la unidad.
También se caracteriza porque consta de un módulo de adaptación de señal que consta de:
a) un circuito de memoria que almacena los valores de tensión e intensidad presentes en el momento anterior a producirse el cortocircuito.
b) dos Testadores que calculan la variación de tensión e intensidad entre la situación de prefalta y falta.
También se caracteriza porque el arranque de la unidad no se produce si la variación de intensidad de secuencia directa no supera un umbral prefijado por el usuario.
Esta unidad tiene las siguientes características mejoradas frente a la unidad de secuencia directa tradicional:
• Ninguna de las magnitudes que intervienen en la expresión incluye la intensidad de carga que introduce un sesgo o error en la medida de la direccionalidad. • Se emplean tanto las tensiones como las intensidades de falta y prefalta con lo que la información que se utiliza es la máxima que se puede obtener en un cortocircuito de la secuencia directa.
• El nivel de señal que se obtiene es muy superior al de la unidad direccional de secuencia directa tradicional.
• Se puede emplear para todo tipo de faltas, tanto monofásicas, como bifásicas (puras y a tierra) como a trifásicas.
• Es compatible con las unidades de secuencia homopolar e inversa pudiendo sumarse efectos para obtener una única unidad direccional generalizada.
Breve descripción del contenido de las Figuras
En la Figura 1 se muestra una línea eléctrica de un sistema eléctrico de potencia. La línea eléctrica está situada entre las subestaciones "A" y "B". En esta figura se presenta la situación de funcionamiento normal de la línea, con carga circulando de un extremo al otro. El sentido de circulación de la potencia de uno a otro extremo viene fijado por los extremos de las flechas. En este ejemplo hemos supuesto que la carga, tal y como se aprecia en la figura, circula de "A" hacia "B".
En la Figura 2 se presenta la situación que se produce cuando la falta tiene lugar delante de la protección. En la figura se aprecia que la componente 3-ΔV, -AI1 circula desde la falta hacia las fuentes mientras que la componente S'V^ 'ΔI, circula desde las fuentes hacia el cortocircuito.
En la Figura 3 se presenta la situación que se produce cuando la falta se encuentra detrás de la protección. En la figura se aprecia que las componentes de secuencia directa siguen circulando igual que en el caso anterior: 3-ΔV, 1AI1 circula desde el cortocircuito hacia las fuentes mientras que 3-V,p -ΔI* circula desde las fuentes hacia el cortocircuito. Como la situación de la falta respecto a la unidad ha cambiado, los dos sumandos cambian de sentido cuando son medidos desde el punto donde está sita la unidad. En la Figura 4 se muestran las etapas en las que se divide la actuación del equipo de protección y las relaciones con los transformadores de medida y el interruptor de las figuras 1, 2 y 3.
En la Figura 5 se muestran las señales de polarización y operación del comparador polarizado por potencia de secuencia directa en el que se basa el funcionamiento de la unidad cuando la falta se produce "detrás" de la protección:
Re(Sop.SpoL)*>0→ Falta detrás
En la Figura 6 se muestran las señales de polarización y operación del comparador polarizado por potencia de secuencia directa en el que se basa el funcionamiento de la unidad cuando la falta se produce "delante" de la protección:
Re(Sop.SpoL)*<0-> Falta delante
En la Figura 7 aparecen las tres zonas en las que se divide la respuesta de la unidad en función del valor de K, siendo K la salida del comparador de secuencia directa:
Figure imgf000012_0001
En la Figura 8 se muestra la unidad, esto es, la implementación de la misma. Se incluye por claridad el circuito de memoria aunque es una unidad independiente que se emplea en varias aplicaciones. Asimismo se incluye el circuito que confirma que la salida es adecuada mediante la comprobación de que se mantiene durante un determinado número de muestras.
En la Figura 9 se presentan las redes de secuencia directa, inversa y homopolar conectadas de modo que reflejen las relaciones existentes entre tensiones e intensidades de las distintas secuencias cuando se produce una falta franca -esto es, con resistencia de falta nula- en la fase R a tierra para una falta "delante" de la protección a una determinada distancia "p" (en tanto por uno) de la subestación A. En la Figura 10 se presentan las redes de secuencia directa, inversa y homopolar conectadas de modo que reflejen las relaciones existentes entre tensiones e intensidades de las distintas secuencias cuando se produce una falta franca -esto es, con resistencia de falta nula- en la fase R a tierra para una falta en un punto inmediatamente anterior al de ubicación de la protección.
Descripción detallada de la invención
En la Figura 1 se muestran dos protecciones de línea (9) y (10) que, a través de los transformadores de medida de intensidad (5) y (6) y de los transformadores de medida de tensión (7) y (8), que reducen las tensiones e intensidades a valores de baja tensión normalizados, monitorizan las tensiones e intensidades de la línea situada entre las subestaciones A y B.
En la Figura 4 se muestra la forma en que operan las protecciones de ambos extremos a partir de las tensiones e intensidades reducidas a valores normalizados por los transformadores de medida. Estas tensiones e intensidades se filtran analógicamente eliminando las componentes de alta frecuencia. Las tensiones e intensidades filtradas se muestrean y, a partir de estos valores, se obtienen los fasores de tensión e intensidad que son empleados por las distintas unidades de protección que, mediante la lógica apropiada, activan las salidas de la protección que abren o cierran los interruptores de línea.
Retornando a la Figura 1, en condiciones de funcionamiento normal los interruptores que se encuentran en ambos extremos de línea (3) y (4) se encuentran cerrados y la potencia que transporta la línea va desde una fuente (1) a la otra (2) a través de ella. La potencia activa y reactiva transportadas por la línea pueden calcularse en cada extremo mediante las expresiones que aparecen en la figura 1 correspondiente a la situación normal.
Cuando se produce un cortocircuito -Figuras 2 y 3- las protecciones de ambos extremos (9) y (10) lo detectan y dan orden de apertura a los interruptores (3) y (4) aislando el cortocircuito. En una red normal la energía tiene caminos alternativos que permiten que la energía siga circulando de A hacia B, con lo que la continuidad de servicio queda garantizada. En general, la potencia aparente compleja que circula por un punto de una línea trifásica puede calcularse a partir de las tensiones e intensidades de las tres fases (R, S y T) mediante la expresión:
ST0TAL = vR-rR + vs-i; + vτ-i;
La nueva teoría sobre las potencias puestas en juego en un cortocircuito en una línea trifásica demuestra que, cuando se produce un cortocircuito, la potencia se puede expresar en función de las tensiones e intensidades de tres circuitos denominados red de secuencia directa, red de secuencia inversa y red de secuencia homopolar mediante la expresión:
STOTAL = 3-(v,p-lf* + ΔV, -If* + V,p-Δi; + ΔV, -AlJ + V2-I2 + V0-I0)
Donde el significado de las variables, todas ellas referidas al punto donde está la unidad, es el siguiente:
• V,p : tensión de secuencia directa antes de producirse el cortocircuito.
• If : intensidad de secuencia directa conjugada antes de producirse el cortocircuito.
ΔV, : variación de la tensión de secuencia directa debida al cortocircuito.
ΔI? : variación de la intensidad de secuencia directa conjugada debida al cortocircuito.
V2 : tensión de secuencia inversa durante el cortocircuito.
• I2 : intensidad de secuencia inversa conjugada.
V0 : tensión de secuencia inversa durante el cortocircuito.
I0 : intensidad de secuencia inversa conjugada. Y el significado físico de los términos, en conformidad a la nueva teoría, es el siguiente:
• V,p -If : flujo de carga en el instante anterior a producirse el cortocircuito.
• ΔV, -Ip : variación en el flujo de carga debida al cortocircuito.
• V,p -ΔI* : potencia suministrada por la fuente al cortocircuito.
• ΔV, -ΔI, : potencia de secuencia directa devuelta por el cortocircuito.
• V2 -I2 : potencia de secuencia inversa devuelta por el cortocircuito (S2).
• V0 -V0 : potencia de secuencia homopolar devuelta por el cortocircuito (SO).
La aplicación de estas expresiones en cada extremo de la línea en situación de falta da lugar a las situaciones descritas en la Figura 2 para "Faltas Delante" y la Figura 3 para "Falta Detrás". Si comparamos ambas situaciones vemos que para la protección sita en el extremo B no se aprecia ninguna diferencia ya que todos los términos en los que podemos descomponer la potencia mantienen su dirección.
En la unidad que nos ocupa sólo se han empleado la potencia simétrica y no los términos de potencia de secuencia homopolar e inversa por lo que los términos a tener en cuenta son los siguientes:
Ss1METRiCA = 3-(V1' -If + AV1 -lf + V,p -Δi; + ΔV, -Ai; )
Ahora bien, los términos asociados a la corriente que circula por la línea antes de producirse el cortocircuito (IiP) dependen del flujo de carga existente en el instante en que se produce la falta y no están en absoluto ligados al punto donde se produce el cortocircuito por lo que no pueden ser empleados. Debido a ello sólo podemos emplear:
SS,MÉ™CΛ-FΛLTΛ = 3-(VI P -ΔI; + ΔV1 -ΔI; )
Analizando las Figura 2 y 3 se aprecia que el primer sumando se dirige desde la fuente hacia el cortocircuito y que el segundo tiene justo la dirección opuesta, esto es, va desde el cortocircuito hacia la fuente. Ambos términos son nulos cuando la línea se encuentra en funcionamiento normal por lo que podemos definir una señal para determinar la dirección de cortocircuito de la siguiente manera:
SDIREcαoN = 3-ΔV, -Δi; - 3-Vf -Δi; = 3-S1 - 3-SF1
Donde el signo negativo tiene en cuenta el hecho de que las dos componentes tienen sentidos opuestos.
Por otro lado, analizando las figuras 2 y 3 se aprecia que la potencia devuelta por el cortocircuito que circula a través de la protección sólo recorre la línea cuando la falta se produce "detrás" de la unidad ya que cuando la falta se produce delante la potencia devuelta por el cortocircuito que circula a través de la unidad es la consumida por la fuente y no por la línea. Teniendo esto en cuenta podemos tomar la potencia consumida por la línea cuando la falta se produce detrás como referencia para determinar la dirección en la que se ha producido el cortocircuito:
ς — %7 • ΛT I2 — 1-Q
°REFERENCIA ~~ J ^1Ll "xl I ~ J °LI
Heurísticamente podemos decir que las señales de referencia y dirección coincidirán cuando la falta se produce detrás y serán opuestas cuando la falta se produce delante. La aplicación de este criterio se materializa a través de un comparador cuya señal de polarización (referencia) es:
Figure imgf000016_0001
Y cuya señal de operación (actuación) es:
SOP = γ-ΔV, •Δi; -δ-V1 p-Δi;-ejθ - κ-SPOL = S- κ-SP0L
Los valores "7" y "δ" representan los porcentajes de la potencia puesta en juego por el cortocircuito y por la fuente respectivamente que deseamos emplear en el comparador. La representación gráfica de ambas señales se presenta genéricamente en la Figura 5 para las dos situaciones de interés. Cuando la falta se produce "detrás" -Figura 5- ambas señales están aproximadamente en fase y cuando la falta se produce "delante" -Figura 6- ambas están en contrafase. Debido a esto el coseno del ángulo que forman ambas señales será positivo cuando la falta se produce "detrás" y negativo cuando la falta se produce "delante", tal y como se muestra en las Figuras 5 y 6.
El criterio de actuación será, por tanto, el de un comparador coseno que responde a la siguiente ecuación:
< 0 -» Falta delante
Figure imgf000017_0001
j > 0→ Falta detrás
Para determinar la frontera para la cuál el comparador deja de dar una salida positiva y pasa a dar una salida negativa debemos de imponer la condición de que la salida del comparador sea nula. En ese punto se cumple que:
Re(S OP SroL ) = 0 → Re((S - κ-SPOL >S* POL ) = Re(s-SPOL ) - K- SPOL 2 = 0 → Re(s-SPOL ) = K- S 'POL
Figure imgf000017_0002
Esta última expresión es mucho más adecuada para ser implementada numéricamente por lo que la unidad calculará la expresión:
Figure imgf000017_0003
Siendo el significado de los términos de la expresión los explicados anteriormente. El valor calculado mediante la expresión se compara con dos valores límite tal y como se muestra en la Figura 7 y se determina la dirección de la falta con la siguiente regla de decisión:
• κ<KF: la falta se ha producido en dirección "hacia delante".
• κ>KR: la falta se ha producido en la dirección "hacia atrás".
KF< κ<KR: la unidad no da salida, es la zona "sin decisión". El ajuste de la unidad se realiza a través de los parámetros ZL1, 7, δ, θ, KF y KR de acuerdo a las siguientes reglas básicas:
ZL1: hay que introducir el 100% de la impedancia de secuencia directa de la línea que esta siendo protegida por la unidad.
7: se puede ajustar entre 1 y 100. Es un porcentaje. Representa el porcentaje de la potencia de secuencia directa devuelta por la falta que deseamos que intervenga en la unidad.
δ: se puede ajustar entre 0 y 100. Es también un porcentaje. Representa el porcentaje de la potencia suministrada por la fuente al cortocircuito que deseamos que intervenga en la unidad.
θ: es el máximo desfase que puede existir entre las tensiones de los dos extremos de la línea protegida en funcionamiento normal. Se corresponde con el desfase existente entre las tensiones de los dos extremos en situación de carga máxima (ajuste en grados).
KF y KR: se pueden ajustar entre el 0 y el 1, siempre cumpliéndose que KR>KF. El 0'5 es el punto medio, cuanto más cerca del cero, mayor facilidad de que la unidad dé una salida de bloqueo o, lo que es lo mismo, indique falta hacia atrás. Cuanto más cerca del 1 esté, mayor la facilidad de obtener una salida en dirección "delante". Asimismo, cuanto más cerca estén los dos valores menor será la zona de incertidumbre y cuanto más separados estén mayor la probabilidad de que la unidad no dé salida.
EJEMPLO DE REALIZA CION DE LA INVENCIÓN
Para analizar el comportamiento de la unidad partimos de un sistema como el mostrado en la Figura 1 -cuyo circuito equivalente para faltas "delante" se muestra en la Figura 9 y para faltas "detrás" en la Figura 10- donde se aprecia que el sistema considerado está compuesto por una línea con fuentes en ambos extremos. Los valores, en ohmios secundarios, de los distintos elementos que componen el sistema son los siguientes:
Figure imgf000018_0001
Extremo B ZBi = 0'414+4,273j ZB2 = 0'414+4'273j ZB0 = 4'244+14'417j
El valor de las fuentes en ambos extremos de la línea es EA = 67'78VL T 8o y EB = 70 '85V L -5.4° respectivamente, medidos en voltios secundarios. El valor calculado de la tensión de prefalta en el extremo A es VAP =67' 8VL T 1° y el valor de la intensidad de prefalta en ese extremo es de Up =1 '8AL 17'57°.
Aplicando los criterios de ajuste mostrados en el epígrafe anterior y conocidos los datos de la línea y del sistema seleccionamos los siguientes valores para el funcionamiento de la unidad:
Figure imgf000019_0001
Tratamos a continuación de ver el comportamiento de la unidad paso a paso en las dos situaciones consideradas. Comenzamos suponiendo que se produce una falta monofásica franca en la fase R a un 95% de la longitud de la línea midiendo desde el extremo A. Las tensiones e intensidades que aparecen en el punto del relé durante esa falta son las siguientes:
Figure imgf000020_0001
Al producirse el cortocircuito el detector de falta se activa y la entrada FD -que es la salida de la unidad detectora de falta- toma el valor lógico verdadero (vide figura 8). Asimismo la unidad está habilitada con lo que el ajuste DIRE también tiene valor lógico verdadero. Por último la variación de corriente supera el umbral fijado por 5OD ya que la variación de intensidad de secuencia directa es superior a 0'5A. Como las tres entradas están activas se habilitan simultáneamente el módulo de cálculo de potencias y el elemento que contiene al comparador. El circuito de memoria suministra los valores de la tensión y la intensidad antes de producirse el cortocircuito y el módulo de cálculo de potencias calcula a partir de los valores de falta y de prefalta las siguientes magnitudes:
Figure imgf000020_0002
Continuando con el esquema de la Figura 8, los valores calculados entran en el comparador y, con los ajustes seleccionados calcula la expresión:
κ = Re rΛV,-Λi; -5. « L -5.Q48
Como 5'042 es mucho menor que KF -cuyo valor es 0'4- al cabo de un número prefijado de muestras se activa la salida DIR_F indicando que se ha producido una falta "delante" de la protección. Por el contrario, como -5 '042 no es mayor que KR -cuyo valor es 0'6- Ia salida que indica que la falta se ha producido detrás no se activa.
El otro caso de interés es el que se da cuando la falta tiene lugar "detrás" de la protección. Si la falta (falta monofásica franca en la fase R) se produce en un punto inmediatamente "detrás" de la protección, el circuito a resolver será el planteado en la Figura 10.
La resolución del circuito representado en la Figura 10 conduce a los siguientes valores de tensión e intensidad:
Figure imgf000021_0001
Al producirse este cortocircuito en la línea, el detector de falta mide un aumento de las intensidades homopolar e inversa y activa su salida. La salida del detector de falta entra en la unidad (FD=verdadero) y al estar activada la unidad (DIRE=verdadero) y superarse el umbral 50D se activa el módulo calculador de potencias y también el elemento que contiene al comparador.
El módulo calculador de potencias calcula los siguientes valores:
Figure imgf000021_0002
Estos valores calculados entran en el comparador y el resultado de aplicar la expresión es el que se muestra a continuación:
Figure imgf000022_0001
Como 12' 1 es mucho mayor que KR -cuyo valor es 0'6- transcurrido el número de muestras prefijado se activa la salida DIR_R indicando que se ha producido una falta "hacia atrás". Inversamente como 12' 1 es mucho mayor que KF esta salida no se activa.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- Protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, caracterizado porque consta de una unidad direccional que recibe las magnitudes de la línea eléctrica de tensión de secuencia directa (Vi), tensión de secuencia directa existente antes de producirse la falta (ViP), intensidad de secuencia directa (Ii), intensidad de secuencia directa existente antes de producirse la falta (IiP), constando la unidad direccional de:
a) un módulo calculador de potencias que consta de medios para
2LI) calcular la potencia de secuencia directa suministrada por la fuente al cortocircuito (SFi) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión:
Figure imgf000023_0001
siendo AI1 * la conjugada del incremento de la intensidad de secuencia directa(ΔI)=Ii -I]P);
a2) calcular la potencia de secuencia directa consumida por la totalidad de la línea (Su) debido a la falta, de acuerdo con la siguiente expresión:
SL1 = ZL1-|ΔI, |2 siendo ZL1 la impedancia de la línea eléctrica de secuencia directa;
a3) calcular la potencia de secuencia directa (S1) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión: S1 = AV1-Ai; siendo AV1 * la conjugada del incremento de la tensión de secuencia directa(ΔVi= V1- V,p);
b) un módulo de decisión que consta de medios para:
bi) determinar una señal de polarización que responde a la expresión:
SPOl^RIZAClÓN = γ-ZL. - ΔI. 2 = Y-SL. donde SLi es la potencia de secuencia directa de la línea y γ es el porcentaje de esa potencia que deseamos incluir en la unidad.
b2) determinar una señal de operación que responde a la expresión:
SOP = γ-ΔV, •Δi; -δ-V,p-Δi;-ejβ - κ-SP0L = S- κ-SPOL donde S1 = ΔV, ΔI, y SF1 = V,p ΔI, son las potencias de secuencia directa suministradas y consumidas por el cortocircuito respectivamente y K es el valor frontera elegido por el usuario, siendo K=KF para faltas delante y K=KR el valor frontera para faltas detrás;
b3) determinar la parte real (Re) del producto de la señal de operación por el conjugado de la señal de polarización, de acuerdo con la expresión: ^e(SθPERACION '^POLARIZACIÓN j
b4) decidir que el sentido de la falta se ha producido "delante" del sistema cuando la parte real (Re) es negativo y "detrás" cuando la parte real es positiva, lo que formalmente se expresa:
(i r, <• „ i „ \\ ι r, ® → Falta delante Re (γ • S1 - δ-SIF - κ-(γ • SLI ))(γ • SLI
VU ' 1F U L1 ;Ar u
Figure imgf000024_0001
0 → Falta detrás
2.- Protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación anterior, caracterizado porque deducida de ReJS0P-Sp0L j< 0 la expresión
Figure imgf000024_0002
y fijados la K como valor frontera KF para faltas delante y el valor frontera KR para faltas detrás, dispone el módulo de decisión de medios direccionales para decidir que si: K < KF la falta se ha producido en sentido hacia delante K > KR la falta se ha producido en sentido hacia detrás activándose su correspondiente salida.
3.- Protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema consta de circuitos contadores, uno que cuenta las muestras durante las que se mantiene la salida "hacia delante" activada y otro que cuenta las muestras durante las que se mantiene la salida "hacia detrás" activada, activándose la salida de los circuitos contadores cuando el número de muestras acumulado es tal que el tiempo durante el cuál se ha mantenido la respuesta es superior al correspondiente a una temporización (valor umbral) predeterminada.
4.- Protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación 3, caracterizado porque consta de un circuito contador que, durante un tiempo prefijado, bloquea la activación de la salida en sentido "delante" para no permitir que cambios de flujo debidos a actuaciones de unos interruptores asociados del sistema den lugar a actuaciones indebidas de la unidad.
5.- Protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación 1, caracterizado porque consta de un módulo de adaptación de señal que consta de:
a) un circuito de memoria que almacena los valores de tensión e intensidad presentes en el momento anterior a producirse el cortocircuito.
b) dos Testadores que calculan la variación de tensión e intensidad entre la situación de prefalta y falta.
6.- Protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación 1 , caracterizado porque el arranque de la unidad no se produce si la variación de intensidad de secuencia directa no supera un umbral prefijado por el usuario.
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