Autor: Ing. Hugo E. Reyes H
1. INTRODUCCION
En esta oportunidad estaremos abordando los principios básicos de polarización por componentes de secuencia cero de los elementos direccionales de protección contra fallas a Tierra de los relés 67N. En la publicación https://www.electricaltopics.info/2021/04/abc-de-los-reles-direccionales-de.html tratamos acerca de las características fundamentales y aplicaciones de los relés direccionales de sobre-corriente contra fallas de fases (67P), aprendimos que estos relés protegen a los sistemas de potencia contra todos los diferentes tipos de fallas entre fases y entre fase(s) y Tierra. Sin embargo, como veremos en el desarrollo de este articulo los relés direccionales de sobre-corriente de fallas a tierra (67N) poseen una gran ventaja debido al mayor grado de sensibilidad para la detección y despeje de fallas a tierra, comparados con los relés direccionales de sobre-corrientes de fases (67P). La principal razón es que los relés de fallas a tierras típicamente son ajustados a un rango de entre 10% al 20% del ajuste de los relés de protección de sobre-corrientes direccionales, o no direccionales, de fallas de fase.
Los relés direccionales de fallas a tierra basan su funcionamiento en las cantidades de secuencia cero (corrientes o tensiones), las cuales están presentes en las redes eléctricas cuando existe una falla a tierra o un desbalance. Estas cantidades de secuencia cero son fácilmente detectables (ver artículo: https://www.electricaltopics.info/2021/02/metodos-de-deteccion-de-fallas-tierra.html).
La corriente residual, igual a tres veces la corriente de secuencia cero (3. I0), se obtiene de diferentes formas: a) por medio de la conexión de neutro a tierra de una conexión en Estrella de transformadores de corrientes (CTs); b) colocando un transformador de corriente (CT) entre la conexión del neutro a Tierra del lado en Estrella de un Transformador de Potencia; y finalmente, c) pasando los conductores de fases de un circuito (A-B-C) a través de un transformador de corriente toroidal.
El voltaje residual, igual a tres veces la tensión de secuencia cero (3. V0), se obtiene en el lado secundario de tres transformadores de voltajes (VTs) en conexión Delta Abierta. Para una explicación más detallada consultar la publicación: https://www.electricaltopics.info/2021/02/metodos-de-deteccion-de-fallas-tierra.html.
2. FUNDAMENTOS DE LOS RELES DIRECCIONALES DE FALLAS A TIERRA
Durante una falla a tierra en un sistema de potencia se manifiestan las tres componentes simétricas: las componentes de secuencia positiva, negativa y cero. Las componentes de secuencia positiva son influenciadas adversamente por la carga por lo cual son descartadas como cantidad de polarización del elemento direccional de fallas a tierra. Sin embargo, las componentes de secuencia cero y la de secuencia negativa son independientes de la carga, así que pueden ser utilizadas como elementos de referencias para las unidades direccionales de fallas a tierra. Las componentes de secuencia negativa solo pueden ser utilizadas por los relés digitales, más no así por relés electromecánicos.
Al igual que los relés direccionales de fases (67P), los relés direccionales de fallas a Tierra (67N) tienen un elemento capaz de determinar la dirección de la corriente de falla a tierra (32N), mediante la comparación de los ángulos de fases entre la corriente de operación de falla a Tierra y la magnitud de polarización Qpol (corriente o voltaje, o ambos) del relé 67N, ver la Figura 1.
En los relés direccionales de falla a tierra (67N) se consideran como magnitudes de polarización las siguientes variables:
Cualquiera sea la magnitud de polarización o de referencia seleccionada (3.V0, y/o, 3. I0), el elemento de operación (Iop) será siempre la corriente 3.I0. Ver la Tabla 1.
ELEMENTO DE OPERACIÓN (Iop) |
ELEMENTO DE POLARIZACION (Qpol) |
3.I0 |
3.V0 |
3.I0 |
3.I0 |
Tabla 1
Es útil indicar que, en la práctica, la polarización por la corriente del Neutro de un Transformador de Potencia es ampliamente utilizada cuando la corriente de falla a tierra es mayor a cientos de amperios. Por otra parte, el método de polarización por tensión residual puede ser utilizado siempre que en el punto de ubicación del relé 67N la tensión de secuencia cero pueda estar disponible.
En el diagrama de la Figura 2 se puede observar que la corriente residual 3.I0 adelanta al voltaje residual 3.V0 en un ángulo superior a 90º, esta relación se mantiene para todos los tipos de fallas a tierra. Asimismo, girando en 180º el voltaje residual es igual a -3.V0, se obtiene ahora que la corriente 3.I0 atrasa al voltaje residual -3.V0 en un ángulo menor a 90º, lo cual es una condición deseada para aplicar la ecuación del Torque del Relé Direccional de Falla a Tierra (67N), y así el relé podrá operar en la región de máximo Torque, en la forma que se aplica tradicionalmente en los relés direccionales de Fases (67P) según la conocida ecuación:
En la Figura 3 se muestra, en forma vectorial, dos posibles formas mediante las cuales el elemento direccional de falla a tierra se puede polarizar.
Figura 3 Relaciones de 3.I0 vs. 3.V0
A diferencia del elemento direccional de los relés de protección de fases (67P), que basa su referencia en el voltaje de la fase no involucrada en la falla, el elemento direccional de los relés de protección de fallas a tierra (67N) utiliza como referencia la tensión de la fase en falla para determinar la dirección de la falla a tierra.
De acuerdo con la Figura 3 se pueden derivar dos esquemas para que un relé direccional de tierra (67N) opere a un ángulo de torque máximo ҨMT0 menor a 90º. Ver el resumen en Tabla 2.
VOLTAGE (VPOL) |
CORRIENTE (IOP) |
3.V0 |
- 3.I0 |
- 3.V0 |
3.I0 |
Tabla 2 VPOL vs. IOP
De acuerdo a lo mostrado en la Figura 3 y la Tabla 2 en ambos casos la corriente de operación 3.I0 atrasa el voltaje de polarización por el ángulo de impedancia de secuencia cero (Ҩ0). Y el torque del relé 67N se expresa como:
El Torque T32V es positivo para fallas a tierra “hacia delante” (Forward) de la ubicación del relé y es negativo para fallas a tierra “hacia atrás” (Reverse).
La máxima sensibilidad del relé 67N (Torque Máximo) se obtiene cuando el voltaje residual y la corriente residual estén en fase. Típicamente, el ángulo seleccionado de Torque Máximo (ҨMT0) es igual a 60º ya que es el valor promedio del ángulo de impedancia de secuencia cero de las líneas a ser protegidas. En la Figura 4 siguiente se puede apreciar el diagrama fasorial de un relé direccional de falla a tierra. En el diagrama “MTL” representa a la línea de torque máximo.
En la Figura 5 siguiente se presenta un diagrama típico de conexión de un relé direccional de falla a tierra cuya magnitud de polarización es la tensión residual (- 3.V0).
De acuerdo con las marcas de polaridad del relé 67N la tensión residual “vista” por el mismo es -3.V0, mientras que la corriente de operación “vista” por el relé es 3.I0. Como nota importante es de resaltar que el lado secundario de los CTs y de los VTs , conectados a las respectivas entradas de la unidad 67N, están puestas a tierra en el mismo punto, en el panel o gabinete de protecciones. Si los lados secundarios (CTs y s VTs) son puestos a tierra en dos puntos distantes, por ejemplo en el panel de protecciones así como en el patio de la subestación, esto causaría, en casos de una falla a tierra, una corriente circulante entre ambos puntos de tierra originándose el riesgo de una incorrecta operación del relé 67N.
4. POLARIZACION DEL RELE 67N POR CORRIENTE RESIDUAL
En este método el elemento direccional de un relé de fallas a tierra (67N) utiliza la componente de corriente de secuencia cero como cantidad de referencia para comparar la diferencia angular entre la corriente residual de operación (3.I0), en la línea o elemento protegido, con la corriente residual de polarización (3.I0) que retorna por el neutro del transformador de potencia del circuito. Esta diferencia angular sólo tiene dos valores posibles:
a) Cuando ambas corrientes residuales están en fase o desplazadas a 0º (Forward), en tal condición el relé 67N opera al torque máximo.
b) Cuando ambas corrientes residuales están desplazadas 180º (Reverse), acá el relé 67N queda bloqueado para operar.
La siguiente ecuación (3) representa el Torque de un relé direccional de tierra polarizado por la corriente de secuencia cero.
El Torque T32I es positivo para fallas a tierra “hacia delante” de la ubicación del relé y negativo para fallas a tierra “hacia atrás”.
En la Figura 6 siguiente se presenta un diagrama típico de conexión de un relé direccional de falla a tierra cuya magnitud de polarización es la corriente residual (- 3.I0).
Figura 6 Diagrama de Conexión de Relé 67N Polarizado por 3.I0
En la figura anterior se muestra el esquema de conexiones del relé direccional de tierra (67N), la corriente de operación (3.I0L), proveniente del neutro de los CTs instalados en la salida de la línea eléctrica (feeder), entra por la marca de polaridad del canal de entrada de la corriente de operación del relé.
Asimismo, la corriente de polarización (3.I0T), que fluye desde el CT instalado en el neutro del transformador de potencia, entra por la marca de polaridad del canal de entrada de la corriente de polarización del relé 67N.
5. POLARIZACION DUAL DE SECUENCIA CERO DEL RELE 67N
Este método combina el uso de la polaridad por tensiones residual y de corriente residual en los relés de fallas a tierra 67N. Por lo tanto, el esquema dual aporta una mayor flexibilidad que la aplicación independiente de cada una de las variables residuales.
La ventaja de la polarización dual la podemos visualizar con la siguiente situación: cuando ocurre una falla a tierra en un punto remoto, muy alejado de la ubicación del relé 67N, es probable que la magnitud de tensión de secuencia cero “vista” por el relé descienda por debajo del límite mínimo permitido, en esta circunstancia el Torque producido por el relé 67N no es suficiente para superar el valor de arranque de operación. Bajo este escenario, si el relé 67N está configurado para operar con polarización dual, la corriente de secuencia cero “vista” por el relé se encargaría de producir el Torque de Arranque y así despejar la falla.
Por el contrario, ante una falla a tierra si la fuente de polarización de corriente de secuencia cero no responde, por alguna razón, se cuenta con la fuente de polarización del voltaje de secuencia para el relé desarrolle el Torque de Arranque y se despeje la falla.
REFERENCIAS
1. FUNDAMENTALS OF POWER SYSTEM PROTECTION – SECOND EDITION, Y.G. PAITHANKAR, S.R. BHIDE
2. PROTECTIVE RELAYING PRINCIPLES AND APPLICATIONS - THIRD EDITION. J. LEWIS BLACKBURN, THOMAS J. DOMIN.
3. PROTECTIVE RELAYING THEORY AND APPLICATIONS – SECOND EDITION. WALTER A. ELMORE