Protección de líneas de transmisión cortas-en la red de sub-transmisión de Electropaz

La empresa COOBE estaba integrada como monopolio de generación transmisión y distribución hasta el año 1996, a partir de este año todos los activos afectos a la distribución de energía eléctrica pasaron a formar parte del patrimonio de ELECTROPAZ. Esta ultima heredo los relés de impedancia con característica Mho para la protección de líneas de alta tensión.

El presente proyecto surge como una necesidad de solución a un problema real dentro del sistema de sub-transmisión en 69 kV de la empresa ELECTROPAZ, el cual comprende el anillo (Rim Circuit), del cual se conectan en derivación los transformadores de potencia en las subestaciones de distribución.

Las distancias entre las diferentes subestaciones varían entre los 4 a 7 kilómetros, por lo que están consideradas bajo el concepto de líneas de transmisión cortas en función de la longitud, pero este aspecto puede variar por la impedancia de la fuente a la línea "SIR" ("Source to line Impedance Ratio" por sus siglas en ingles), este parámetro caracteriza el tipo de líneas y a media que se incrementa esta relación se presentaran problemas relacionados a las llamadas líneas cortas, independientemente de su longitud.

Descripción del problema

El ajuste de los relés de impedancia es proporcional a la impedancia de las líneas, el caso de una falla resistiva se afecta la medición de su impedancia, presentando un valor resultante de resistencia mucho mayor al de la zona de protección del relé de característica mho actualmente utilizado .Esto implica que el relé no detecta la falla en la zona, aun si se encuentra en su correspondiente zona de operación, esta operación incorrecta con falta de disparo se debe a la característica inadecuada del relé.

A consecuencia de lo anterior se presenta la actuación en zona 2 de la protección de respaldo ubicado en la subestación remota, dando como resultado una disminución de selectividad y velocidad del sistema de protección. La falta de selectividad representa un una aislación adicional al tramo de línea afectado y la velocidad de despeje de la falla se incrementa en 0.3 segundos, esperándose daños mayores a los componentes de la falla.

2.1 Alcance

El presente proyecto pretende dar una solución al problema de subalcance de la primera zona de protección del relé de distancia que no presenta un comportamiento adecuado en su aplicación en líneas cortas bajo condiciones de falla resistiva como se menciono en el apartado anterior.

Las líneas previstas dentro de este estudio son las líneas de alta tensión en nivel de 69 kV que conforman un anillo entre la subestación Kenko y Alto Achachicala.

Formulación de la Hipótesis

Se considera que el cambio de la característica del relé brindara una solución al problema descrito, basando la nueva característica en unidad de reactancia y no así en impedancia como la actualmente utilizada..

Para verificar el comportamiento de la nueva característica a utilizar en el sistema de sub-transmisión, será necesario modelar el sistema y efectuar simulación mediante software Aspen Oneliner. El modelamiento del sistema de subtransmisión, permitirá analizar de una manera adecuada las alternativas de solución al problema descrito y elegir aquella que presente mejor desempaño.

4.- OBJETIVOS

4.1 Objetivo General

El presente proyecto tiene como objetivo principal desarrollar una solución al problema descrito, mediante el análisis de alternativas tales como modificación de la característica del relé de distancia o cambios en la coordinación de la protección con otro esquema. Todo, enmarcado en mejorar la confiabilidad del sistema eléctrico y que no represente un elevado costo de inversión.

4.2 Objetivos Específicos

• Tratar de adaptar el sistema de protección actual de manera que la modificación en el sistema de protección no implique un costo elevado de inversión.

• Mejorar la confiabilidad del sistema de sub-transmisión de la empresa de distribución y de esta manera mejorar la calidad del servicio al usuario.

• Presentar buena disposición para cuando se eleve el nivel de tensión en el futuro.

Justificación de la Investigación

5.1 Justificación Social.

El uso de energía eléctrica es de primera necesidad y aun más en áreas urbanas donde cualquier persona en la actividad que realice esta sujeta al uso de artefactos o equipos que faciliten la realización de su trabajo, e inclusive para su tiempo libre las actividades que se puedan realizar sin el uso de energía eléctrica son muy reducidas. Por lo que la interrupción de este servicio resulta en un perjuicio y molestia para cualquier los usuarios.

• Justificación Económica.

De cualquiera de las alternativas de solución al problema, se tiene presente que será necesario el realizar una adquisición de equipos en calidad de reemplazo para poder de esta forma adecuar el sistema de protección.

Tomando en cuenta el monto anual de la inversión aprobada por el ente regulador para la distribuidora el 2011 y realizando una aproximación de costos por el numero de relés, conectores y elementos asociados para implementar la modificación del actual esquema de protección, se tiene una relación de 2.4%, monto que a la vez representa el 0.38% del monto total del Plan de Inversión del periodo 2008-2011.

5.3 Justificación Académica.

El proyecto se refiere concretamente a un problema real de operaciones incorrectas de relé de distancia en el sistema de sub-transmisión y amerita realizar un estudio de alternativas de solución que mejore el sistema de protección actual.

Este estudio se justifica al tener disponibilidad de información teórica así como de fallas con operación incorrecta de relés de protección, datos actualizados de características de la red en estudio y software de simulación para la evaluación de las alternativas que serán asumidas como solución.

Marco Teórico de la Investigación

6.1 Protección de líneas de transmisión cortas.

6.2 Introducción

Para poder entender de manera sencilla la protección de líneas cortas empezaremos de modo general viendo el concepto de línea corta y cuales los parámetros que debe cumplir para estar dentro de esta clasificación y los problemas relacionados a este tipo de líneas y su protección mediante la protección de distancia y algunos esquemas útiles en la aplicación en este tipo de líneas.

6.3 Definición de línea Corta

Una línea corta es aquella que tiene entre su principio y final una distancia como indica su nombre relativamente pequeña, con una longitud menor a diez millas. Actualmente muchos de los problemas asociados a las llamadas líneas cortas se relacionan a la impedancia fuente a la línea

o SIR por sus siglas en ingles "Source to line Impedance Ratio");la cual al aumentar su magnitud incrementa la complejidad en el tratamiento de la línea, es en este sentido que una línea de diez kilómetros con un SIR bajo podrá considerarse como línea "larga" mientras una línea de 200 kilómetros con una relación de SIR de gran magnitud podrá presentar muchos de los problemas asociados a líneas "cortas".

Figura.1 Sistema de Potencia reducido.

De la Figura.1 al presentarse una falla en el punto F de la línea, el relé en su punto de ubicación tiene las lecturas de tensión y corriente y de esta forma este obtiene una lectura de la impedancia de falla también llamada impedancia aparente vista por el relé la cual será:

La relación entre la impedancia de falla referida al primario y la impedancia de falla referida al secundario viene expresada en la siguiente relación:

Para el sistema de la Figura.1, si se presenta un cortocircuito y asemejando la fuente a un valor de tensión y obteniendo un valor de impedancia de la fuente e impedancia de línea se puede reducir la representación del sistema a un circuito de la siguiente manera:

Figura.2 Circuito equivalente para el Sistema de la Figura.1

Sin tener en cuenta el valor de resistencia de falla, el valor de tensión medida por el relé es fácil de calcular, bastara con aplicar un divisor de tensión al circuito en la posición donde se ubica el relé, de esta manera la tensión será igual a:

Para fallas entre fases el voltaje Vs es fase-fase fuente ZS/ZL es la impedancia de secuencia positiva de la fuente a la línea, VR es el voltaje fase-fase del relé y IR es la corriente fase -fase del relé para fallas de fase.

Para fallas a tierra, V es el voltaje fase-neutro fuente y ZS/ZL es una composición que relaciona las impedancias positiva y de secuencia cero. VR es el voltaje fase-neutro del relé e IR es la corriente del relé para fallas de fase.

Para el caso en que se considere que la impedancia de la fuente pudiera estar en relación a la impedancia de cortocircuito del punto en el cual se conecta al sistema se pondrá utilizar la siguiente expresión:

6.4. Problema Asociado con líneas Cortas

El problema en la aplicación de líneas cortas, es el sobrealcance en la primera zona de protección, el cual puede ser causado por los siguientes factores:

– Falla de precisión de TC䳠y TP䳠o incremento de errores.

– SIR (Impedancia fuente a línea).

– Sensibilidad del relé.

– Problema relacionado a transitorios en TP䳮

– Velocidad de Operación lenta.

– Perdida de direccionalidad cuando se comprara (I*Z – V),el voltaje (V) resulta ser mayor que (I*Z).

– Los bajos valores de impedancia secundaria hacen difícil el uso de elementos de la zona 1.

– Sobrealcance en la Zona 1 cuando se utilizan elementos de medida CVT (Capacitor Voltage Transformer).

6.5 Esquemas típicos de protección de líneas Cortas.

6.5.1 Protección de distancia

Este tipo de protección se la realiza mediante el relé de distancia, el cual recibe valores de impedancia ,admitancia o reactancia vistas por el relé mediante relaciones entre tensiones e intensidades, estos parámetros son proporcionales a distancia según la filosofía de funcionamiento del relé y se lo denomina por el numero 21.

Este sistema de medida discrimina bien las fallas de las condiciones normales de funcionamiento del sistema o de fallas que se presentan en un área de acción en particular de aquellas que se produzcan en otra zona cualquiera y se debe tener en cuenta que en la mayoría son independientes del valor de corriente de cortocircuito. No obstante si puede ser afectado por la magnitud de intensidad inyectada al sistema en un punto situado entre el relé y la falla, esto puede producir que el relé vea una impedancia mayor a la que en realidad se presenta; siendo este el caso típico de líneas que tienen derivaciones; este fenómeno es muy importante al momento de definir las zonas de protección del relé de distancia.

Esta protección es aplicada como protección primaria y por ser versátiles han sustituido a los relés de sobreintensidades en líneas A.T. por ser más sencilla la parte de coordinación y ser sus ajustes menos sensibles por los cambios de generación y configuración del sistema.

Además que se obtiene mejores resultados en el aspecto de velocidad que con los relés de sobreintensidad, también permiten mayores cargas en las líneas y son menos afectados por penduleos de potencia.

i) Relé de Impedancia

Como indica su nombre este tipo de relé será sensible a los valores de impedancia, es importante mencionar que este tipo de relé no tiene característica direccional por lo cual será empleado siempre con un relé direccional (67) en forma adicional.

ii) Relé de Admitancia

El relé de admitancia es también conocido como Mho, este relé obtiene su característica a partir de un comparador de fase que compone dos señales, denominadas señal de operación y señal de polarización respectivamente.

Se puede apreciar que por las propias características del relé es direccional lo cual es una gran ventaja en el empleo de este relé por lo que no se usara un relé direccional adicional.

El inconveniente que presenta este tipo de relé es una vulnerabilidad a la resistencia del arco, en especial en su aplicación en líneas cortas donde dicho efecto tiene mayor importancia, por lo que se debe tener en cuenta el subalcance que implica.

iii) Relé de Reactancia

Este relé esta comprendido dentro de los relés de distancia y actúa por sensibilidad de reactancia del sistema.

Cuyo lugar geométrico estará definido como una recta por encima de la cual el relé no entrar en operación y por debajo de la recta cualquier valor será visto por el relé.

Los valores de operación de los relés de distancia que son expresiones de impedancia se recogen en forma de ecuaciones o formas de figuras geométricas, representados en un sistema de coordenadas R-X .El empleo de este diagrama nos ofrece la posibilidad de analizar y ver la respuesta del relé, por lo tanto en lugar de utilizar las características de voltaje, corriente y ángulo de desfase, utilizaremos solo dos características ya sean resistencia y reactancia o impedancia y ángulo de desfase.

La ubicación de cualquier punto del círculo mho en su representación en el plano R-X para unidades trifásicas, esta dada por:

En aplicaciones de líneas cortas se utiliza unidades de reactancia por tener mejores prestaciones que las que proporciona el relé de impedancia que en el pasado fue muy utilizado en líneas largas como cortas. Si se utiliza unidades de reactancia se las combina con unidades que le den la característica de direccionalidad, usualmente se tiene

Figura.3 Características de relés de distancia

Una unidad Mho en la tercera zona de protección que a su vez realiza control direccional para las otras zonas; lo que no ocurre en el empleo de unidades de impedancia las cuales deben contar con unidad direccional especifica para cada zona de protección.

El uso de relés estáticos nos da la posibilidad de obtener todas las características representadas e incluir las unidades tipo Mho que pueden presentan formas trapezoidales, lente y tomate que protegen contra actuaciones de características especiales de la red que no son fallas estrictamente como por ejemplo penduleos de potencia.

El relé de distancia puede contar por lo general con las siguientes zonas de protección:

Tabla 2.- zonas de operación longitudes en porcentaje y tiempos de temporización en relés de distancia

Como muestra la tabla la primera zona de protección "zona 1" se ajusta para disparo instantáneo, sin retardo de tiempo y sus se ajusta por lo general a 80-90% de la impedancia de la línea de transmisión.

La segunda zona de protección tendrá un ajuste por lo general de 120% de la impedancia de la línea y actuara con un retardo usualmente entre los 15 a 30 ciclos, dependiendo de la aplicación, este retardo previene de de apertura de la unidad local por fallas más halla de la terminal remota de la línea. Para el caso específico de líneas cortas los ajustes de la Zona 2 puede ser mayor al 200% de la línea en un incremento provechoso dependiendo de la protección.

Pese a que la integridad de la línea esta protegida con las denominadas Zona1y Zona 2 se emplea la zona 3, que se aplica como protección de respaldo para la Zona 2 o como respaldo remoto para terminales remotas.

Fig.4 Respaldo de línea larga a línea corta (Ref. IEEE Guide for Protective Relay. Pg 42)

La zona 4 muchas veces dejada inactiva o con un tiempo de operación muy grande es una medida de respaldo cuyo alcance llegaría a gran extensión del sistema en cuestión.

El problema de uso de relés de distancia en la aplicación de líneas cortas puede ser atribuido a los bajos voltajes aplicados a los relés de distancia por fallas a lo largo de la línea, más específicamente estos bajos voltajes son causados por un elevado SIR, característico en líneas cortas.

Los alcances de zonas para las líneas de dos terminales y multiterminales según las recomendaciones hechas en los esquemas de protección son:

Tabla 3.- Esquemas para líneas de dos terminales o multiterminales y canales de comunicación asociados al empleo de cada esquema.

A diferencia de las líneas medias y largas, la configuración del esquema de protección recomendado para la protección de líneas cortas de los relés de distancia es siempre con sistemas de comunicación asociado con esquemas de disparo en sobrealcance.

6.5.2 Protección con Hilo Piloto (Tele protección).

Este tipo de protección de relés proporciona rápida protección a bajo costo, además son insensibles a las variaciones de potencia y en relación a su relativa simplicidad y confiabilidad pueden ser una buena opción de protección. El sistema de Hilo Piloto consiste de un par de hilos instalados en una línea aérea o cable subterráneo, para fines de transmisión de señales requeridas por el sistema como ser las corrientes, tensiones, valores de fase, o algún otro. Un inconveniente de tal sistema es el hecho de estar expuesto a la permanente interferencia de la línea de transmisión, aspecto que se tiene un efecto más critico durante las fallas, por la presencia de inducción en los hilos.

Otras limitaciones de dicho son la longitud de los hilos piloto, así como el crecimiento de la resistencia de la línea visto por la protección por la adición de los hilos mencionados, dando predisposición a circuito abierto y la capacitancia en paralelo como un circuito pequeño de corriente alterna a través de los pilotos. La protección esta provista de valores limitantes para cada una de estas cantidades y cuando estas se vean excedidas, podrá dar lugar a malas operaciones por fallas externas y perdidas de sensibilidad en caso de falla interna. La intensidad de corriente por una falla externa a tierra usualmente no será la misma, razón por la cual la protección deberá ser lineal para corrientes que excedan el valor de máxima corriente de circulación de falla. El efecto inmediato durante las condiciones de falla se presenta en los pilotos en el nivel de voltaje no se puede mantener bajo y serán necesarios hilos piloto con grado de aislación elevado

Fig.5 Falla en línea y falla externa en sistema de esquema de Hilo Piloto con rele diferencial de línea.

Actualmente con la finalidad de evitar los efectos de interferencia y efectos de inducción, las complicaciones asociadas al empleo de un camino diferente para los hilos pilotos o la transmisión en señales moduladas en alta frecuencia, la opción más sencilla es el empleo de la fibra óptica como canal de comunicación.

Los relés por hilo piloto son tradicionalmente utilizados en aplicación de líneas cortas, por su fácil aplicación y tener una ventaja adicional al no necesitar voltaje de la fuente.

Para los esquemas pilotos una solución al problema de subalcance podría ser el colocar los elementos de distancia en sobrealcance más allá de los terminales remotos. Esto podría mejorar la cantidad de operación, mejorar la confiabilidad y la velocidad sobre los esquemas basados en impedancia.

Ninguno de los esquemas propuestos para los elementos de distancia para líneas cortas son ajustados menos que la impedancia de la línea es por ello que al utilizar esquemas pilotos los problemas de coordinación con los elementos adyacentes no sería un problema, ni la consideración del ajuste que restrinja la capacidad de transferir carga disponiendo a los elementos de distancia capacidad suficiente de manejar resistencias de arco e impedancias de fallas que comparadas con la línea pueden ser bastante considerables.

6.5.3 Protección Diferencial

Este tipo de protección se refiere a sistemas de protección analógica los cuales son:

i) Protección Diferencial Longitudinal

En esta protección se detecta las fallas cuando existe una diferencia entre las corrientes de entrada y salida de la línea. Evidentemente no se debe considerar como falla la diferencia de corrientes por causa de la corriente de carga de la línea. Para la Protección Diferencial Longitudinal se puede emplear Hilos Piloto o Fibra Óptica.

Fig.6 Protección diferencial de línea

ii) Esquema de Corriente Diferencial

En este tipo de esquemas se realiza una verdadera diferencia de medidas e idealmente el resultado debe ser cero o igual al cambio de carga en la línea (tapped) .En la practica este no es el caso por los errores en medida de los CT`s y corriente de carga en la línea. Este sistema envía información relacionada con cada fase y la magnitud de corriente en cada Terminal y esta información debe estar disponible en cada Terminal para evitar o prevenir la operación por falla externa, pero también puede operar por falla interna e incluso por cero-alimentación (Zero-infedd) en una o más terminales. Es por esta razón que este tipo de sistema necesita un medio de transporte de esta información de manera apropiada, segura y confiable.

Este tipo de esquema puede combinar las corrientes de cada Terminal en una señal compuesta y comparar esta señal a través de un sistema de comunicación para identificar si existe una falla en alguna sección de la línea. De otra forma podría adoptar los valores de corriente en cada fase y convertirlos en señal digital y transmitirlos mediante un sistema de transmisión de banda ancha a las otras terminales y de esta forma determinar una falla en alguna sección de la línea.

Este tipo de esquemas tiende a ser más sensible que los esquemas de distancia debido a que responden solo a la corriente , esta tendencia los hace más confiable pero a costo de la seguridad pues estarán más expuestos a fallas externas. Desde que estos esquemas de solo corriente no necesitan potencial para operar no son afectados por los penduleos de potencia o problemas relacionados a aumentos de potencial.

iii) Relé diferencial utilizando señalización por fibra óptica

Los relés de protección con corriente diferencial proporcionan el uso de unidad de protección para circuitos con múltiples terminales sin las restricciones asociadas a otro tipo de protección .El uso de esta protección asociada a la fibra óptica nos da la posibilidad de que cada uno de los relés al final de una línea pueda estar interconectado y de esta forma poder enviar información a los otros.

Fig.7 Esquema de protección diferencial con fibra Óptica para sistema con múltiple.

El principio básico de operación del sistema es tal que cada medida local de las corrientes de fase relé son enviadas a los otros relés .Cada uno de estos Relé s entonces calcula, para cada fase un resultado de la diferencia de las corrientes y también una predicción o tendencia de corriente, el cual es usado para restringir y acercar la medida del relé en la manera convencional para de preconcepción diferencial de la unidad de protección. Esta característica de predicción o tendencia es necesaria en este esquema debido a que estarán sujetos al funcionamiento de un transformador convencional de corriente los cuales están sujetos a errores por ingerencia de transitorios.

Estas cantidades son:

Si la magnitud de la diferencia de corrientes indica que una falla ha ocurrido, los relés dispararan su interruptor local.

Los relés continuamente también monitorean el trabajo del canal de comunicación y realizan una auto-prueba y diagnostico de sus operaciones. Los relés también están provistos con software para reconfigurarla protección entre dos y tres terminales, no requiere reemplazarlos. Además, la perdida de una simple conexión de comunicación solo degrada el trabajo del esquema ligeramente, debido a que los relés pueden reconocer esta situación y usar caminos alternativos de comunicación. Solo en el caso en el que todos los caminos al relé estuvieran deshabilitados hará que la falla se difiera a la protección de respaldo

iii) Protección por Comparación de Fase

En esta protección se mide el ángulo de fase de la corriente de entrada a la línea entre ambos extremos y se puede detectar la falla cuando existe un desfase de 180° que indica que la corriente no fluye por la línea sino que ambos extremos alimentan una falla. Para la Protección por Comparación de Fase se puede emplear Onda Portadora o Fibra óptica

Fig.8 Aplicación de Relés en esquema de comparación de fase(fuente IEEE Std.C37.113-1999.pg 46)

6.6 Efecto de la impedancia fuente a línea

El SIR es la relación entre la impedancia de la fuente detrás del relé de distancia y la impedancia de la línea que el relé esta protegiendo. Este valor será alto en el caso que se tenga impedancia de línea baja (líneas cortas), fuente débil detrás de la línea o una combinación de ambas .Un valor muy alto de SIR implica bajos voltajes en el punto de ubicación del relé y un alto valor de SIR podría tener implicar corrientes bajas si el valor de SIR fuera sujeto a un efecto de una fuente grande, lo que implicaría en una impedancia de bajo valor. En síntesis bajos voltajes y corrientes afectaran la velocidad, integridad direccional, estado de estabilidad y alcance transitorio.

En líneas cortas, la resistencia de Falla se puede comparar con la Impedancia de la línea y sabemos que la medida de su impedancia es afectada por dicha resistencia. Una manera de ponderar la Impedancia de la Línea es compararla con respecto a la Impedancia de la Fuente, ya que cuanto menor es la Impedancia de la Línea menor es la tensión que se obtiene al medir su impedancia, dificultándose su evaluación. Para analizar este aspecto se puede considerar el circuito de un sistema al cual se conecta una simple línea con un Relé que mide la Tensión y la Corriente en la línea.

Para muchas aplicaciones de líneas cortas la fuente es muy fuerte y las corrientes de falla elevadas, sin embargo para estos sistemas la sensibilidad de corriente del relé debe ser considerada.

Fig. 9 Con figuración del sistema de potencia, (b) variación del voltaje en el relé en relación a la impedancia fuente a línea. (Fuente libro Areva N e t w o r k P r o t e c t i o n & A u t o m a t i o n G u i d e Pg 174)

El posible sobre alcance de la primera zona de protección de la unidad de distancia debido a transitorios en los transformadores de corriente y voltaje es por lo general más probable en líneas cortas que en largas .No es la longitud lo que agrave el problema sino más bien la relación de impedancia fuente y la de las líneas. Para entender esto en la tabla.5 se presentan valores en por unidad de voltajes y IZ-V para el sistema de la figura al cual se aplica una falla al 85 % del alcance del relé.

Tabla.4 valores en p.u. de voltaje, IZ-V y relación de impedancia fuente a línea, extractado de la GER-3735 "Relaying short Lines"

Cabe señalar que la magnitud IZ-V es la cantidad con la que opera el relé de admitancia mho la cual se reduce demasiado al aumentar la relación de impedancia de fuente a línea.

Cuando estas señales son así de pequeñas, cualquiera de los errores en voltajes o corrientes puede ser sustancialmente relativo a los valores teóricos. La magnitud de los transitorios esta aproximadamente entre 0.15p.u. a 0.2p.u. en voltaje y tiene valores similares en líneas con elevado valor de impedancia de fuente a línea (aproximadamente mayor a 10).

El empleo de unidad de disparo directo por sobrecorriente en una línea corta es función de impedancia fuente así como de la impedancia de la línea, en la tabla.4 podemos ver el incremento de la impedancia de la fuente ante falla trifásica y las corrientes de falla en los extremos de línea.

Tabla .5 Incremento de la impedancia de la fuente ante falla trifásica, las corriente de falla en los extremos de línea., relación de impedancia de fuente a la impedancia de línea y la corriente de operación a un margen de ajuste a 125% (Fuente: GER 3537 "Relaying Short Lines").

De esta tabla.4 podemos apreciar que como la impedancia fuente sobre la impedancia de la línea se incrementa entonces el disparo directo por la unidad sobrecorriente es menos efectivo .Cuando la SIR es mayor a 4 (en el caso de líneas cortas), el disparo directo no se puede ajustar con el típico margen de 125%.así mismo cuando existe este incremento de SIR la tensión vista por el relé en el punto ubicación se reduce; esta poca veracidad del potencial de la fuente ante estos bajos voltajes pueden limitar la aplicación de la primera zona de protección de relés de disparo directo aplicados a líneas cortas.

Existen problemas asociados al emplear relés de distancia para protección de líneas cortas, los cuales pueden atribuirse a los bajos voltajes disponibles en los relés de distancia para fallas a lo largo de la línea, estos bajos voltajes causados por altos SIR mas que por una línea corta. Dichos bajos voltajes y corrientes afectan la velocidad, integridad direccional y el alcance transitorio y en régimen permanente de los relés de distancia.

Un valor elevado de SIR causa una lenta velocidad de operación de los relés y su lenta operación puede causar la perdida de la direccionalidad dependiendo de la duración de la memoria del circuito.

Un alto SIR de ser causado por una alta impedancia fuente mas que por bajas impedancias de líneas, podría conducir a bajas corrientes.

Una pequeña cantidad del vector de operación causada por IZ puede causar la operación del relé para fallas reversas si falla el circuito de memoria.

Para más bajos voltajes los errores de los TC"s y TP"s son mayores.

Para ciertas condiciones de falla el alcance del relé puede estar sujeto a subalcance y sobrealcance (complicaciones en el ajuste).

A continuación se presenta una tabla en la cual se calcula la impedancia de la fuente en función de la potencia base y la potencia de cortocircuito y la evaluación del SIR para el sistema en estudio en amos sentidos.

Tabla.6 Calculo del SIR en las líneas del sistema de subtransmisión de ELECTROPAZ tomando en cuenta ambos sentidos de dirección, según la ecuación (11).

Se puede advertir que el valor de SIR en todos los casos es mayor a 4, por lo cual se confirma que las líneas que conforman el sistema de subtransmisión son líneas cortas.

6.7 Efecto de la resistencia de Falla

La generación del arco se debe a la ionización del medio entre los contactos haciéndolo conductor, lo que facilita la circulación de corriente, pudiendo ser dos conductores o un conductor y un elemento referido a tierra. Ante un cortocircuito se presenta un arco eléctrico y se mantiene la circulación de corriente en el circuito de potencia.

El error de las unidades de medida de distancia de fases debida a la resistencia de falla es despreciable para lo cual la resistencia de falla es únicamente la resistencia del arco con valores muy bajos en líneas con separación entre conductores entre 3 a 10 metros y tensiones entre 138-380 kV no superan los 2 W; Ante una falla se tiene en consecuencia una resistencia de falla que en el caso de falla entre dos fases, el valor de esta será:

En presencia de una falla con resistencia de arco el ángulo de la componente resistiva aumenta y provoca que cambie el ángulo de falla, por lo que un relé con ángulo característico igual al de la línea subalcanzará en estas condiciones, ya que para una falla en el limite del alcance vera una impedancia mayor a la impedancia de la línea.

El arco eléctrico tiene características puramente resistivas, por lo tanto su representación en el plano R-X será paralela al eje R .Por lo tanto la impedancia vista por el relé será la impedancia de la línea más la resistencia del arco eléctrico.

Como podemos apreciar en la Figura.5 (a) el valor real visto por el relé en el momento de la falla en "F" será la suma vectorial de la impedancia de falla más la resistencia del arco, esta actuación será de subalcance siendo una falla en el punto "M" exterior al máximo alcance de Zf+Ra dentro la circunferencia de radio ZL, por lo que opera la unidad de fallas más lejanas.

Para la unidad Mho de la Figura.5 (b), observamos también un subalcance, este efecto de puede minimizar al variar el ángulo "f", esto se puede apreciar claramente en la Figura.5 (d).

Si observamos la Figura.5(c) podemos ver que las unidades de reactancia no presentan este efecto de subalcance. Para una aplicación en líneas cortas se debe tener en cuenta que la impedancia vista por el relé será mayor a la impedancia de la línea ZL por que el punto F será parte de la recta de la característica de alcance básico XL. Por esto es que siempre se la combina con una unidad Mho.

Este efecto de subalcance puede presentarse en fallas en los limites de la primera y segunda zona de protección de las unidades de distancia; debido a que un disparo de alta velocidad en la primera zona podría incurrir en un disparo diferido en la segunda zona o presentarse el mismo caso en los limites de la segunda y tercera zona, por lo que se presentaría un disparo diferido de tercera zona con retardo mayor al de la segunda zona.

Figura.10 Característica de unidades de distancia y su efecto por la resistencia del arco.

El valor de la Resistencia del Arco que haremos uso vendrá estimado de la fórmula de mayor aceptación que es la de Warrington extraída del libro "Protective Relays"

Page .164 Volumen II:

A manera de ejemplo para tener una idea mas clara de la utilización de dicha formula de aproximación, realizamos un cálculo para las condiciones más desfavorables de corriente de corto circuito luego de un análisis de flujo de carga y encontramos el mínimo valor de corriente de corto circuito en el Tap Chuquiaguillo.

Sabemos que la resistencia de falla para una falla fase-tierra estará dada por la suma de la resistencia del arco y la resistencia del punto de tierra de la estructura.

Se debe tener en cuenta que los resultados obtenidos, son representados en ohmios primarios los cuales según la relación de transformación de los instrumentos de medición, tendrán una representación menor en valor de ohmios secundarios.

Una forma de esta ecuación de forma más simple según el libro "Protección de los sistemas eléctricos de potencia" pag162:

Sabemos que la resistencia del arco se incrementa con su longitud y tiene una relación inversa con la corriente en el mismo. La caída de voltaje en el arco es independiente de la longitud de la línea o de la corriente de falla .Con un alto valor de S.I.R la caída de voltaje en el arco puede ser significativa en comparación con la caída de voltaje de la línea, lo cual puede derivar en la no operación del relé cuando la impedancia vista caiga fuera de la característica del relé. Según una publicación de GE (General Electric) GER 3199 "Aplication guide for the use of distance relay" presenta una aproximación para el voltaje del arco para fallas primarias de corriente en exceso de 1000 A:

Donde: kV = voltaje de la línea en kilovoltios.

Esta aproximación puede usarse para proporcionar un rango de respuesta esperada de un relé de distancia a la resistencia de arco en condición de falla. Como la relación de fuente a la línea se incrementa la caída de voltaje en el arco se vuelve significativa en relación al voltaje en el punto de ubicación del relé, con una relación de Zfuente /Zlinea de 100, el voltaje en el arco es mayor a cuatro veces la caída de voltaje en la línea por lo que la aparente impedancia del arco vista por el relé es cuatro veces mayor a la impedancia de la línea.

El efecto más significativo se presenta en líneas aéreas cortas y con corrientes de falla menores a 2000A, o si la línea protegida esta construida con postes de madera sin cables de tierra, para este ultimo caso la resistencia de falla a tierra disminuye su alcance falla a tierra de la característica mho de la zona 1,por lo que la mayoría de las fallas son detectadas en tiempo de la zona 2. Este problema se puede superar usualmente usando un relé con característica poligonal mho modificado (cross-polarised mho).