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C.IV: Protección de distancia Sistemas de protección de alimentadores, líneas y cables de AT, EAT y MT Curso: Introducción a los Sistemas Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia IIE-Fing-UdelaR Facultad de Ingeniería - UDELAR (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 1 / 50

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C.IV: Protección de distanciaSistemas de protección de alimentadores, líneas y

cables de AT, EAT y MT

Curso: Introducción a los Sistemas Protección de Sistemas Eléctricos dePotencia

IIE-Fing-UdelaR

Facultad de Ingeniería - UDELAR

(IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 1 / 50

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Indice

1 Introducción

2 Diagrama de impedancia

3 Medida de la impedancia:

4 Implementación

5 Protección de distancia : Zona de operación

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Protección de distanciaINTRODUCCIÓN

Las protecciones de distancia se utilizan, generalmente, para proteger laslíneas de trasmisión, así como las líneas de distribución interconectada comotambién en las líneas radiales.Actúan como la protección principal para las líneas aéreas, cables y ademásproporcionan respaldo a los equipamientos adyacentes, como barras,transformadores y otras líneas o cables.Las protecciones de distancia son más rápidas y selectivas que lasprotecciones de sobrecorriente. También son menos susceptibles a loscambios en la impedancia y condiciones del sistema.

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Protección de distanciaFUNDAMENTOS DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA:

Dado que la impedancia de una línea es proporcional a su longitud, para lamedida de la distancia es conveniente utilizar protecciones que sean capacesde medir la impedancia de la línea en una determinada ubicación del sistemade potencia.Este tipo de protección se denomina protección de distancia y está designadapara operar para faltas que ocurran entre la ubicación de la protección y unpunto determinado (ajuste).

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Protección de distanciaMEDIDA DE LA DISTANCIA:

La protección de la distancia se basa la medida de la relación entre la tensióny corriente medidas en el punto de ubicación de la protección.La impedancia de secuencia positiva medida se compara con la impedanciaréplica de la línea. Si la impedancia medida es menor a la impedanciaajustada, se considera que la falta es interna a la zona y la protección opera.

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Protección de distanciaPRINCIPIO DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA:

7

>Crur

1 el^\ p3Ji'tslo

t'l'E

f 8ur3IJ

IqEJ¡8etsJESJ

I aelt\oH

qll,rrlou

:r e$)uozuo3

rd o]EeJqsIqpue]ue315U3

3qJ

1J3S

[1 Jo3Uel

tElg

OZ

ecuupedurl 1nu¡ Jo luerueJnseeru 'eldrcur¡d uorlcelo.ld eJuulsrql 1.g arn8r¿

-srp € rpr,l\ qfuel eurl eW lo ob00I ¡o 8uryes qcueJ uoqcelord e 'lueurernseeru u lou puuuo4elnclBc B uo peseg,(¡¡ensn $ qclrld\'ecuepedur ouq eqlJo,cu¡ncc¿ur eql prrB sJoile¡3 'sroue Surmseeru ruog 3u41nseJ 'lueureJnsueur ocuslsm eql ur serc€Jnccuur ol en¡1

'Eerrrruqc uorssrrusrr€ü ¡euErs ro luerudmbe Iuuorlrppp ,,(r¡e uo puedep 01 el€qlou seop eJoJeJerll uortrcelord eq1 puu permber sr uo4€rrrJoJur JerIurU ou uorsrJep uoncel-ord crseq sFR Jod 'uorlucol i(e1er eql lu lueJmc puu e8e1lo,r peJnsueu eql qlrd\ uorsrcepuorlcelord e rIcBeJ rr€c urroJ 1se¡úurs slr ur uorlcqord ecuulsrp eql luql ser¡durr s¡q¿

're>leerq-lrncJlc eql q penssr pu€urruoc dul u prre pelcelepsl lln€J IBuJolq uu 'ecuupeduu euq les erp rr€ql Jell€rus sr ecuepedurr llnuJ peJnwetueqlJI 'ecu€pedun eurl u^\oDI eql qlp\ pereduroc ueq sI ecuepedrur 1¡n€J pems€sru eql

'(1'g ernSg) uortecol ,fu¡er eqt lu tuermc pue e8el¡olUncJrc-uoqs peJnseeru eql tuo.4 ecuepedrur lIn€J eql seurruJelep uopcelord ecrrulsrql

¡decuo3 I'I'g

uollJalord oJu8lslp Jo slBluoluBpunt I't

suorleclldde pue uor]eredo ¡o epolu'slql uo peseg 'uollcelord ecuulslp

'uorlceloJd ecu€]srp IecrJerunrr Joeqt qlI1K IBep 'uelep q 'III1K sreldBqc SulmoIIoJ eqtol uorlcnpo4ur IBroueS e epr^ord IIIIY\ retdeqc slqJ

:-tr-J

uollBrado Jo eponl E

El relé de distancia está conectado a la línea a través de los transformadoresde medida. Suponemos que ocurre una falta a una distancia nZLΩ desde elrelé. Dado que la tensión en el lugar de la falta es: VF = 0V , la tensión en elrelé es: VR = IRnZL.Es decir: VR

IR= IRnZL

IR= nZL

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Protección de distanciaMEDIDA DE LA DISTANCIA:

Esto implica que la protección de distancia puede llegar a la decisión deoperar solo con las medidas de tensión y corriente medidas en la ubicacióndel relé (locales).

MEDIDA DE LA IMPEDANCIA:Las protecciones están conectadas a los transformadores de corriente ytensión, por lo cual las protecciones miden impedancias secundarias, lascuales resultan de la siguiente fórmula:Zsec =

Iprim/Isec

Uprim/Usec.Zprim

Los ajustes de los relés son realizados en valores de impedanciasecundarias.

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Protección de distanciaMEDIDA DE LA DISTANCIA:

DISTANCIA A LA FALTA:

ES ZS

xZL

UM

IL

(1-x)ZL

N

M

Rele dedistancia

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Protección de distanciaMEDIDA DE LA DISTANCIA:

Según el tipo de falta se deben utilizar diferentes expresiones paradeterminar la distancia:Falta trifásica FFF :

UAM

IAL.

1z1L

= x

UBM

IBL.

1z1L

= x

UCM

ICL.

1z1L

= x

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Protección de distanciaMEDIDA DE LA DISTANCIA:

Falta fase-fase FF :

UBM − UCM

IBL − ICL.

1z1L

= x

UCM − UAM

ICL − IAL.

1z1L

= x

UAM − UBM

IAL − IBL.

1z1L

= x

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Protección de distanciaMEDIDA DE LA DISTANCIA:

Falta fase-tierra F+T :

UAM

IAL + k0IRESL

.1

z1L= x

UBM

IBL + k0IRESL

.1

z1L= x

UCM

ICL + k0IRESL

.1

z1L= x

k0 =z0L − z1L

3z1L

IRESL = 3I0L

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Protección de distanciaMEDIDA DE LA DISTANCIA:

Falta fase-tierra F+T con resistencia de falta :

UAM

IAL + k0IRESL

= xz1L + RI

IAL + k0IRESL

I = IAL + k0IRESL

Zmed = xz1L + RIFI

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Protección de distanciaMEDIDA DE LA DISTANCIA:

Falta fase-tierra F+T con resistencia de falta :

UAM

IAL + k0IRESL

= xz1L + RI

IAL + k0IRESL

I = IAL + k0IRESL

Zmed = xz1L + RIFI

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Protección de distanciaMEDIDA DE LA DISTANCIA:

Se muestra la impedancia Z = V/I para diferentes valores de RF ycondiciones de carga.

fu (l"II

'F.RF

'.R L

b. Voltage and Current Phasorsa Impedance Plane

Figure 4: AG Apparent Impedance Overreach with R.. and Load Flow Out (0 = 300)

Figure 5 illustrates under- and overreaching of the Z = V II approach for different ~ andload flow conditions. The relay reach is set to r.ZlL' where r = 0.85. The Z = VIIapproach underreaches for incoming load (IF leads I), and overreaches for load out (IF lags I).

Im(V/I)20

/ m=O.850=.60 ./

v(1)In

0:LJ.Juz<1:f-u<I:LJ.Jcx:

I //

~

10 k 6=0.

: 1 5=+30.;:! 5=+60 .

Re(V/I)G6+ -+ LOAD OUT6- -+ LOAD IN

-5-5 0 2010

RESIST ANCE [Q sec.]

5

/

(V~mlT)

IF-R F

,

'.R -.L

Re(+)

a Impedance Plane b. Voltage and Current Phasors

Figure 4: AG Apparent Impedance Overreach with R.. and Load Flow Out (0 = 300)

Figure 5 illustrates under- and overreaching of the Z = V II approach for different ~ andload flow conditions. The relay reach is set to r.ZlL' where r = 0.85. The Z = VIIapproach underreaches for incoming load (IF leads I), and overreaches for load out (IF lags I).

Im(V/I)20

m::0,85

v(1)tn

0:LJ.J 10u 0 .z =<1:f-u« -'~ N 8::+60 .

a Re(V/I)8+ -+ LOAD OUT8- -+ LOAD IN

-5-so 10 20

RESIST ANCE [..\2 sec.]

FAUL T RESIST ANCE LEGEND'

x RF=O..\2 .RF::10..\2 .RF::25..Q ~ RF::50..Q PRI.

Figure 5: AG Apparent Impedance Method Performance Depends on RF and 0

5(IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 14 / 50

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Protección de distanciaDIAGRAMA DE IMPEDANCIA:

El diagrama de impedancia es una herramienta esencial en el momento deevaluar el comportamiento de la protección de distancia. En ese diagrama serepresenta, en el plano complejo R-X, la característica del relé, la impedanciade carga y la impedancia de falta. En el diagrama, la relación de las tresimpedancias es un indicador del desempeño del relé.

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Protección de distanciaDIAGRAMA DE IMPEDANCIA:La línea es protegida por una protección de distancia, a instalar en G. Setoma G como el origen, pues es el punto de medida de la tensión, laimpedancia ZL se gráfica en el primer cuadrante y la impedancia ZS en eltercer cuadrante.

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Protección de distanciaDIAGRAMA DE IMPEDANCIA:

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA:

Las protecciones de distancia tradicionales comparan la impedancia de faltacon una impedancia réplica (ajustada) para determinar si la falta está dentro ofuera de la zona protegida.Las protecciones más comunes comparan la amplitud relativa o el ángulorelativo entre 2 o más señales de entrada para obtener la característica deoperación, las cuales pueden ser círculos o rectas en el diagrama R-X.

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA:

Los elementos de distancia que se basan en el principio de compararseñales, generalmente comparan las tensiones y corrientes en la ubicaciónde la protección.Hay muchos métodos disponibles, que dependen de la tecnología usada.Ellos varían desde los métodos usados en los relés electromecánicos comolos comparadores de fase ("induction cup") y los comparadores de amplitud("balaced-beam"), a los métodos usados en relés de estado sólido(comparadores con diodos y amplificadores operacionales), a los algoritmosusados en los relés numéricos.

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA:

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA:CARACTERÍSTICA DE OPERACIÓN UTILIZANDO COMPARADORESDE FASE:

Señal de polarización: Vpol = VSeñal de operación: Vop = IZ − V , Z=impedancia réplicaSi arg(Vpol ,Vop) > 90 opera (Z dentro de la zona protegida)

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA MHO SELF-POLARIZED:

La característica de operación más conocida es la característica MHO.Cuando se dibuja en el diagrama R-X, esta característica es un círculo cuyacircunferencia pasa por el origen.

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA MHO SELF-POLARIZED:

Esto demuestra que la característica de operación es direccional y opera parafaltas solo hacia adelante, en la dirección de la línea AB.Zn: determina el alcance de la zona.ϕ: es el ángulo característico de la protección, generalmente es el ángulo dela impedancia de la línea.

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA MHO SELF-POLARIZED:

Los relés que utilizan características de operación del tipo MHO"self-polarized", u otras características que utilizen la misma polarización,pueden fallar y no operar para faltas cercanas a la ubicación de la protección,cuando la tensión medida cae a valores cercanos a "cero".Para cubrir este tipo de falta se utilizan otras características de operación,como características MHO con "offset", características "cross-polarised",direccionales con tensión memorizada.

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA MHO CON OFFSET:

La características de operación MHO con "offset", además de operar parafaltas cercanas a la ubicación del relé, también opera para faltas en la barrade la estación.

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA MHO CROSS-POLARIZED:

Una forma de asegurar que una característica MHO responda correctamentepara falta con tensión cero, es polarizar con las tensiones sanas. Este métodose denomina "cross-polarized", y tiene la ventaja de mantener laspropiedades de la característica MHO.Utilizando la tensión memorizada, se mantiene la tensión pre-falta por variosciclos por lo cual este método es efectivo para faltas con tensión "cero".

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA MHO CROSS-POLARIZED:

\t 3 Ntode of Operation

Figure 3.7Combined circle- andstraight line characteristic

i.\\small\..-\¡\.

t t I/"Z, large

zs

In this regard the quadrilateral characterisücs introduced by static relays are ideal (fig-ure 3.9) [3.4]. The resistive reach can in this case be set independent ofthe zone reachin X-direction. Acceptable arc compensation can therefore be reached even with veryshort lines or cables.

26

aatla..l'!

II

Phase cr,,t

In analogThe sinusmeans oftored. Figis in both

The \,fI[cuit \ oltapick-up .,

resuli in 1

The Quai:posed oifrom an eLU.

Numeric¡R-r,a1ue r

comparecpossiLrne r

hereunder

For circleterion. Lru

rier-fi1ter i

3.1.5 Dir

On feederidentiir ro

that &re flr

The deterin the im1

Figure 3.8Cross polarised MHOcircle (for faults in for-ward (line) direction)

starting zone

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA MHO CROSS-POLARIZED:Se hace notar que aunque la característica de operación MHO"cross-polarized"se extienda en los cuadrantes de reactancia negativa, estono implica que la protección opera para faltas hacia atrás. Esto es así porquela característica es válida solo para corriente que fluyen de la fuente hacia lalínea. La zona hacia atrás solo permite disparo para corrientes capacitivas.

3 Mode of Operation

a) impedance diagram b) voltage diagrarn

Figure 3.85 Polarised MHo-circle, fault in the reverse direction

inverted. Accordingly, in the equations above the current must be applied with a nega-tive sign. As will be shown, this changes the relay characteristic. Faults in the reversedirection must therefore be represented in a separate diagram.l Note must also be takenthat the representation is chosen so that reverse faults appear in the third quadrant as istypical in the illustration of self-polarised characteristics. In relation to the short-circuitimpedance, the source impedance now appears in the opposite direction (figure 3.85).The polarised MHO-circle shrinks and is displaced from the origin by Zr.

Close-in faults in the reverse direction (Z * O) now appear outside the characteristicwith a large security margin and are therefore "seen" correctly. Even faults behindseries capacitors in the reverse direction, which appear as positive reactances are"seen" correctly, as long as X" < about kr.(\, + Xr) agunremains true.

The polarised MHO-circle accordingly has a good directional behaviour, similar to thedirection determination with healthy phase(s) voltages in the case of quadrilateral char-acteristics.

An additional advantage in comparison to the self-polarised MHO-circle is the incre-ment of the reach in R-direction (arc-compensation). The increase of the circle is how-ever dependant on the magnitude of the source impedance. As the source impedance

I Separate diagrams should actually also be used with self-polarised characteristics for faults in the fomard and reversedirections. This is however not done, because in this case the rclay characteristic does not chmge in the case of a cunentreversal.

t22

rl --L\lf \

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3.4,3 ][-

\,\i\.,

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;C i.'-É,:':

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA CUADRILATERAL:

La característica cuadrilateral permite ajustar el alcance hacia adelante y elalcance resistivo en forma independiente. Para la líneas cortas, estacaracterística permite una mejor cobertura resistiva que la característicaMHO.

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Protección de distanciaCARACTERÍSTICA CUADRILATERAL:

La característica de operación poligonal es más flexible para cobertura deresistencia de falta, tanto para fases como para tierra. Por esta razón, lasprotecciones de distancia tanto digitales como numéricas ofrecen este tipo decaracterística.

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Protección de distanciaIMPLEMENTACIÓN:

Los elementos de distancia pueden operar con alguna de las característicasde operación ya descritas. Actualmente, existen varios tipos de proteccionesde distancia, los cuales dependen de la velocidad de operación requerida, elcosto del equipamiento o la capacidad requerida en las proteccionesnuméricas.

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Protección de distanciaIMPLEMENTACIÓN:

Los tipos más comunes son:- con un único elemento de medida de la impedancia por cada fase.- con un elemento de arranque que detecta la fase o fases en falta. Los

elementos de arranque conmutan al único elemento o algoritmo demedida para medir la impedancia de falta apropiada.

- con elementos de medida de impedancia por cada bucle de impedanciay el alcance aumenta progresivamente a medida que se pasa el tiempode cada zona.

- con elementos de medida por cada bucle de medida, en cada zona. Esteesquema es el que ofrece el desempeño mejor, en términos de velocidady flexibilidad.

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Protección de distanciaTECNOLOGÍA:

TECNOLOGÍA:Con la tecnología electromecánica, cada elemento de medida tiene un reléseparado, por lo cual la protección de distancia termina ocupando un panelcompleto.Las protecciones de distancia con tecnología digital - numérica tienen laposibilidad de implementar todas las funciones en software.

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Protección de distanciaELEMENTOS DE ARRANQUE:

Las protecciones de tecnología electromecánica y estática muchas veces notiene elementos de medida de impedancia por fase. El costo y el tamaño quealcanza la implementación hacen que este tipo de esquema seaimpracticable.En las protecciones que se denominan protección conmutada, solo se tieneun elemento de medida, que trabaja junto con el elemento de arranque. Elelemento de arranque detecta la/las fase/fases en falta, de manera deconmutar las señales adecuadas al único elemento de medida.

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Protección de distanciaELEMENTOS DE ARRANQUE:

Hay varias técnicas diferentes que se utilizan como elementos de arranque,los más comunes están basados en:

- sobrecorriente. Se debe asegurar pueda operar para faltas en toda lazona protegida.

- subtensión- subimpedancia. Generalmente se utilizan en redes donde hay múltiples

aterramientos.

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Protección de distanciaELEMENTOS DE ARRANQUE:

En las protecciones numéricas se detecta la/las fase/fases en falta por unmétodo que se denomina selección de fase.Hay varias técnicas diferentes que se utilizan como selección de fase, como:

- comparando las corrientes (algoritmo "Delta"), que compara los valoresprefalta con los valores de falta de la corriente. Esto permite unadetección muy rápida de la/las fase/fases en falta.

- cambios en la magnitud de la tensión- cambios en la magnitud de la corriente

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Protección de distanciaDIRECCIONALIDAD:

La dirección de la falta puede determinarse por el ángulo relativo entre latensión de falta y la corriente de falta. Un requisito es que la protección midauna impedancia inductiva, donde la tensión siempre adelanta a la corriente.Esto es lo normal en los sistemas eléctricos de potencia.

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Protección de distancia

Faltas con cero tensión:Para faltas delante o detrás del transformador de tensión, la impedancia defalta se hace muy pequeña (teóricamente es cero), por lo cual tomar unadecisión en cuanto a la dirección es imposible.Esta zona donde no se puede tomar ninguna decisión en cuanto a ladirección, se denomina zona muerta. Para estas faltas, la solución radica enla utilización de una dirección pre-seleccionada. En algunos países se utillizauna pre-selección de dirección hacia adelante mientras que otros prefieren ladirección hacia atrás.

(IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 38 / 50

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Protección de distancia

Carga por la línea:En líneas de trasmisión largas, la determinación de la dirección estáinfluenciada por la corriente de carga pre-falta debido al ángulo entretensiones en ambos extremos de la línea.

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Protección de distanciaE7,T

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Protección de distancia

Cross-polarization:La polarización cross-polarization y la polarización por tensión memorizadase utilizan en las protecciones para líneas de trasmisión.El principio de cross-polarization utiliza las tensiones de fase sanas paradeterminar la dirección. En el caso de una falta trifásica, no hay tensionessanas disponibles. Para esta eventualidad, los relés modernos usan unatensión memorizada; la cual almacena la tensión de polarización previa a lafalta. Esto asegura que hay tensiones sanas disponibles para determinar ladirección de la falta.

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Protección de distanciaZONAS DE OPERACIÓN:

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Protección de distanciaPROTECCIÓN DE DISTANCIA ESCALONADA:

Definiciones:Subalcance (underreach) : es una forma de protección en la cual los relés no

operan en forma instantánea para faltas en el terminal remotodel equipo protegido.

Sobrealcance (overreach) : es una forma de protección en la cual los relésoperan en forma instantánea para faltas más allá del terminalremoto del equipo protegido.

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Protección de distanciaZONAS DE OPERACIÓN:

ZONA 1:El extremo remoto de las zonas de las protecciones de distancia no sepueden determinar en forma precisa, por lo cual no se tiene certeza sobre elalcance real (selectividad relativa). Estas incertidumbres son debidas a loserrores de los transformadores de medida, a los errores en el cálculo de laimpedancia, etc.Lo ideal es que todas la faltas en el equipo protegido sean despejadas enforma instantáneas. Por lo tanto, debido a los errores y para estar seguro deno sobrealcanzar el extremo remoto, se acepta una zona de subalcance:Zona 1.

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Protección de distanciaPROTECCIÓN DE DISTANCIA ESCALONADA:

AJUSTE ZONA 1:Generalmente se ajusta el alcance de Zona 1 entre el 80 % - 90 % de laimpedancia de la línea y opera en forma instantánea.La zona 1 no protege toda la línea de trasmisión, el área entre el final de lazona 1 y el extremo remoto no está protegido.

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Protección de distanciaPROTECCIÓN DE DISTANCIA ESCALONADA:

ZONA 2:Las protecciones de distancia están equipadas con otra zona, quesobrealcanza más allá del extremo remoto de la línea de trasmisión.Esta zona es conocida como Zona 2, y debe ser más lenta que la zona 1, demanera de permitir que la zona 1 de la línea adyacente opere. Estetiempo de coordinación, para la zona 2, es generalmente de orden de 0.3s a0.5s.

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Protección de distanciaPROTECCIÓN DE DISTANCIA ESCALONADA:

AJUSTE ZONA 2:Generalmente se ajusta el alcance de Zona 2 entre el 120 % - 150 % de laimpedancia de la línea. El ajuste de zona 2 de la línea protegida deber sermenor a los alcances de zona 1 de las líneas adyacentes. Si esto no secumple, hay faltas que compiten las dos zonas 2 y pueden conducir a queoperen las 2 líneas.La zona 2 también actúa como protección de respaldo de parte de las líneasadyacentes.

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Protección de distanciaPROTECCIÓN DE DISTANCIA ESCALONADA:

ZONA 3:De manera de tener una protección de respaldo para las líneas adyacentes,se habilita otra zona. Esta zona de protección se denomina, Zona 3.La zona 3 debe coordinar en tiempo y distancia con las zonas 2 de las líneasadyacentes.

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Protección de distanciaPROTECCIÓN DE DISTANCIA ESCALONADA:

AJUSTE ZONA 3:Generalmente se ajusta el alcance de Zona 3 entre el 120 % - 180 % de laimpedancia de la línea adyacente.La temporización de la zona 3, generalmente se ajusta en el orden de 0.9s -1.2s.

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Protección de distanciaPROTECCIÓN DE DISTANCIA ESCALONADA:

AJUSTE ZONA REVERSA (HACIA ATRÁS):En las protecciones numéricas se pueden tener otras zonas de manera detener funciones de protección adicionales.La zona 4 se puede ajustar para atrás de manera de dar un respaldo localpara faltas en la barra (hacia atrás).

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