Protección de alimentadores de distribución contra fallas simultáneas 2

Para solucionar problemas de coordinación cuando se presentan fallas simultáneas, se debe detectar la condición y acelerar el disparo de los relevadores de los alimentadores fallidos para conservar la coordinación correcta.

     La operación del interruptor casi instantánea garantiza la coordinación de los alimentadores fallidos con el relevador del lado de baja del transformador.

Por Héctor Lemus, Jorge Betanzos, Eliseo Alcázar, David Sánchez y Héctor Altuve.

Un pequeño retraso en el tiempo (típicamente de tres a seis ciclos) da seguridad para que la corriente de magnetización o carga fría que se pueda presentar en un corto tiempo por el trabajo de equipos en la red no afecte la operación de ambos esquemas alimentadores.

Existen dos tipos de esquemas contra las fallas simultáneas:

• Distribuido
• Centralizado

En los esquemas distribuidos, la lógica de protección contra fallas simultáneas está integrada en los relevadores de los alimentadores. En esquemas centralizados, puede estar integrada en el relevador del transformador o en un procesador lógico adicional.

En cualquier tipo de esquema, los dispositivos necesariamente deben tener la posibilidad de implementar lógica programable y tener comunicación entre ellos. La figura 7 muestra los dos métodos de comunicación entre los dispositivos utilizados en el esquema. El método (mostrado como inciso a) consiste en cablear el contacto de salida del relevador a la entrada digital del otro relé o procesador lógico.

Figura 7. Dos métodos de comunicación entre los dispositivos: a) Cableado del contacto de salida del relevador a entrada digital de otro dispositivo b) Comunicación digital directa entre los dispositivos a través de cable de cobre o fibra óptica

La ventaja de este método es que los relevadores de los diferentes fabricantes pueden utilizarse en este tipo de esquema sin equipo adicional.

El segundo método (inciso b) usa comunicación digital directa entre dispositivos mediante cable de cobre o fibra óptica. La ventaja de este método es que los relevadores y el procesador lógico pueden monitorear continuamente la condición del canal de comunicación y emitir una alarma en caso de problemas. Este método puede ser aplicado con relevadores de diferentes marcas por medio de un módulo de entradas y salidas instalado en el esquema.

Los relevadores de los alimentadores se comunican mediante alambrado de cobre o fibra óptica en un diagrama escalera, y cada relevador de los alimentadores se comunica con los dos relevadores de los alimentadores adyacentes. El esquema utiliza elementos de pickup o arranque de sobrecorriente de fases y neutro (51F/51N) como detectores de falla para identificar a los alimentadores fallidos.

Para una falla simultánea que involucra los circuitos 1 y 2, los detectores de falla o arranques 51P y/o 51N en los relevadores de los alimentadores 1 y 2 operan, y la compuerta OR1 se acierta. Cada relevador envía la salida igual a 1 a la compuerta OR del relé adyacente, y esta información se comunica secuencialmente a todos los relevadores de los alimentadores.

En los relés de los circuitos 1 y 2, la compuerta OR2 y la compuerta AND se aciertan para detectar una falla simultánea (la variable “1” se acierta o se hace presente). Después de un retardo de seguridad (temporizado), se acertará la variable temporizada por el retardo programado “1”; un tiempo típico de retardo será de 3 a 6 ciclos. El temporizador de reposición debe ser mayor que el tiempo total de liberación de la falla.

Un tiempo típico para esta reposición puede ser 9 ciclos. La afirmación de la variable temporizada “1” iniciará el disparo del interruptor correspondiente. La operación de interruptor casi instantánea garantiza la coordinación de los alimentadores fallidos con el relevador del lado de baja del transformador.

Los relevadores de los alimentadores fallidos también inician el recierre sobre los interruptores correspondientes. Dicho procedimiento se hace en forma secuencial, de modo que uno de los interruptores de los alimentadores fallidos recierra primero. Si es exitoso el cierre del primer alimentador, entonces proseguirá el segundo interruptor. Si la falla es de tipo permanente, el primer interruptor recierra y disparará nuevamente y enviará una señal de bloqueo del recierre al segundo alimentador para prevenir el cierre bajo falla de este interruptor.

El esquema de protección contra fallas simultáneas libera las fallas entre 3 y 6 ciclos, más el tiempo de operación del interruptor. El tiempo de liberación de la falla es comparable con el disparo del elemento instantáneo, incluso para las fallas ubicadas fuera del alcance del elemento (50) del relé.

Además, la lógica discrimina entre fallas individuales y simultáneas, y enviará una señal de alarma para fallas simultáneas. Esta señal de alarma ayuda al personal de operación a recuperar la carga y la continuidad en el servicio de forma rápida y segura.

Figura 8. Diagrama lógico de un esquema de protección distribuida contra fallas simultáneas usando comunicación directa relevador-relevador Figura 9. Diagrama lógico de un esquema de protección centralizada contra fallas simultáneas usando comunicación entre los dispositivos

La lógica del esquema distribuido a través de conexiones cableadas es similar a la lógica que se presenta en la figura 8. Este esquema requiere el cableado del contacto de salida de cada relevador de los alimentadores a las entradas digitales para todos los demás relevadores de los alimentadores. Este tipo de esquema es muy complejo y menos confiable que el de la figura 8. Además, los relevadores no pueden supervisar las condiciones del cableado de cobre.

El esquema distribuido para protección de fallas simultáneas es fácil de aplicar como una mejora a las instalaciones existentes. Cuando se manejan relevadores con posibilidad de programación de lógica, la implementación de este arreglo requiere solamente de cableado y programación del relevador.

La figura 9 muestra el diagrama lógico de un esquema centralizado para cuatro alimentadores que usan comunicación digital directa entre los dispositivos. Los relevadores de los alimentadores se comunican radialmente con el relevador del transformador o con un procesador lógico por medio de cobre o fibra óptica.

Para una falla simultánea que involucra a los alimentadores 1 y 2, los detectores de falla (51F/51N) y sus respectivas compuertas OR se aciertan. Cada relevador transmite la señal de transmisión TX1A al relevador del transformador, o procesador lógico, el cual recibe la señal de recepción en RXP1 y RXP2. Entonces, las compuertas OR1, OR2, AND1 y AND2 se aciertan en el relevador del transformador o en el procesador lógico. Después de un retardo de seguridad, se aciertan las variables de los temporizadores 1 (VAR1/Timer) y 2 (VAR2/Timer). El relevador del transformador, o el procesador lógico, transmitirá las señales de disparo (Trip1 y Trip2) hacia los relevadores de los alimentadores 1 y 2, provocando el disparo y el inicio del recierre automático de los interruptores de los alimentadores fallidos.

La lógica del esquema centralizado que utiliza conexiones cableadas es similar al esquema de la figura 9; sin embargo, es más complejo y menos confiable, debido a que dos hilos de cobre se interconectan entre cada relevador de los alimentadores y el relevador del transformador, o del procesador lógico. Adicionalmente, los relevadores no están supervisando la condición del cableado de cobre.

El esquema centralizado de protección contra fallas simultáneas concentra toda la información en un dispositivo. El dispositivo puede proveer un reporte del secuencial de eventos, lo que facilita el análisis cuando se presenta una falla que involucra a 2 o más alimentadores. Cuando el sistema utiliza un procesador lógico, puede ofrecer la disponibilidad de otras funciones lógicas adicionales, como el disparo rápido de bus (DRB) y la protección de falla interruptor (FI).

Experiencia operativa en campo
La tabla 1 resume los esquemas de protección contra fallas simultáneas operando en las divisiones de distribución Sureste y Jalisco, de la CFE.

Estos esquemas han funcionado correctamente durante las 46 fallas simultáneas que se han presentado en los alimentadores de distribución de ambas Divisiones. Las causas de las fallas son las siguientes:

• Fallas en líneas aéreas de doble circuito: 20
• Descargas atmosféricas: 19
• Fallas durante la operación de circuitos enlazados: 8

No se han tenido operaciones indeseadas por fallas que involucren solamente un alimentador, carga fría, arranques de la protección u otras condiciones de operación.

Figura 10. Diagrama unifilar de la Subestación Oaxaca Uno

Ejemplo de la operación durante una falla real
a) Análisis de operación del esquema. La Subestación Oaxaca Uno (figura 10), localizada en la Cd. de Oaxaca de Juárez, cuenta con dos transformadores de relación de transformación de 115/13.8 kV: el T1 de capacidad 12/16/20 MVA y el T2 de 18/24/30 MVA. Cada transformador alimenta 4 circuitos radiales. Esta Subestación utiliza un esquema centralizado de protección contra fallas simultáneas y comunicación digital directa entre los dispositivos.

Durante una fuerte tormenta con descargas atmosféricas, el 18 de mayo de 2009, ocurrió una falla simultánea temporal que involucró 2 fases en los alimentadores OAX-4010 y OAX-4020. La aportación de la corriente de falla fue de 2.001 amperes en el alimentador OAX-4010 y de 823 amperes en el OAX-4020. Las demandas previas a la falla fueron de 5.9 MVA en el alimentador OAX-4010, 6.8 MVA en el OAX-4020 y 28.9 MVA en el transformador.

Figura 11. Reporte secuencial de eventos del relé del OAX-4010

Del reporte secuencial de eventos del relevador del alimentador OAX-4010 (figura 11), se deduce lo siguiente:

• El detector de falla de fase 51P opera a las 20:29:16.918 hrs
• El relevador del alimentador transmite la información de la detección de la falla (TMB1A asserted) hacia el procesador lógico a la misma hora (20:29:16.918 hrs)
• El relevador del alimentador recibe el comando de disparo (RMB1A asserted) del procesador lógico a las 20:29:17.051 horas
• El relevador de este alimentador envía la señal de disparo al interruptor correspondiente (TRIP asserted) a las 20:29:17.055 horas
• El interruptor abre (52A deasserted) a las 20:29:17.130 horas. El tiempo de operación del interruptor fue de 75 milisegundos
• (4.5 ciclos)
• El reporte secuencial de eventos del relevador del esquema OAX-4020 es idéntico al reporte mostrado en la figura 11

Figura 12. Reporte secuencial de eventos del procesador lógico

Del reporte secuencial de eventos del procesador lógico (figura 12), deducimos que el procesador:

• Recibe la información de la detección de falla del relevador del alimentador OAX-4010 (R1P1 asserted) a las 20:29:16.941 horas
• Recibe la información de la detección de falla del relevador del alimentador OAX-4020 (R1P2 asserted) a las 20:29:16.953 horas
• Se declara la falla simultánea con la operación de los alimentadores OAX-4010 (SV5 asserted) a las 20:29:16.953 horas y del alimentador OAX-4020 (SV6 asserted) a las 20:29:16.953 horas
• Envía señal de disparo al relevador del circuito OAX-4010 (T1P1 asserted) a las 20:29:17.053 horas cuando el temporizador termina (SV5T asserted). El ajuste del tiempo de pickup es de 100 milisegundos (6 ciclos)

Envía señal de disparo al relevador del circuito OAX-4020 (T1P2 asserted) a las 20:29:17.053 horas cuando el temporizador termina (SV6T asserted). El ajuste del tiempo de pickup es de 100 milisegundos (6 ciclos)

Figura 13. Oscilografía registrada en el relevador del alimentador OAX-4010

De la oscilografía registrada por el relevador del alimentador OAX-4010 (figura 13), se concluye lo siguiente:

• La falla inicia en el ciclo 3.0
• El detector de falla de fases (51P) opera en el ciclo 3.75
• El relevador del alimentador cierra su contacto (OUT1) en el ciclo 12
• El tiempo de operación del esquema fue de 9 ciclos
• El tiempo total de liberación de la falla fue de 13.5 ciclos (el tiempo de funcionamiento para la apertura del interruptor fue de 4.5 ciclos)
• La oscilografía registrada por el relé del alimentador OAX-4020 es casi idéntica a la oscilografía del esquema OAX-4010 mostrada en la figura 7

b) Análisis de costos. Para las fallas transitorias discutidas previamente, el esquema de protección contra fallas simultáneas evitará una falsa operación del interruptor del transformador y los interruptores de los alimentadores con falla cerrarán por acción del recierre programado.

Esta falla podría haber causado que el interruptor del transformador lado baja tensión disparara indeseablemente si en la Subestación Oaxaca Uno no existiera un esquema de protección contra fallas simultáneas. La mala operación del interruptor de respaldo pudo haber ocasionado la pérdida del servicio de los demás alimentadores del mismo bus. El personal de operación habría tenido que ir hasta la Subestación para cerrar manualmente el interruptor del transformador OAX-4010. Si suponemos una mala operación del interruptor del Transformador en esta falla, podemos determinar el costo de la energía que no se suministró. Cuando se presentara la pérdida de coordinación de protecciones por falla simultánea en ambos alimentadores, la carga total perdida del Transformador disparado habría sido de 28.9 MVA (27.455 MW, con un factor de potencia 0.95). Si el tiempo de servicio de restauración fuera igual a 1 hora, la cantidad de energía no suministrada sería de 27.455 kW/h. Si se asume un precio de la energía de 1.09 pesos por kW/h, el costo de la energía no vendida sería de 29.926.00 pesos. Si el costo del personal que se trasladaría a la Subestación es de 2 mil 600 pesos, la pérdida económica total resultante de una mala operación del interruptor del transformador sería de 32 mil 526 pesos. La pérdida económica real podría ser mayor si la empresa tuviera que pagar sanciones por la interrupción del servicio.

El esquema de protección contra fallas simultáneas evitará una falsa operación del interruptor del transformador y los interruptores de los alimentadores con falla cerrarán por acción del recierre programado.

De los resultados presentados, obtenemos lo siguiente:

• Las causas de las fallas simultáneas de dos o más alimentadores de distribución de tipo aéreo incluyen líneas multicircuito, líneas que comparten el mismo derecho de vía, maniobras u operaciones en enlaces de la red de media tensión y por tormentas eléctricas
• Las fallas simultáneas pueden causar una mala operación de los elementos de sobrecorriente de tiempo del relé del transformador del lado de baja tensión
• La protección contra fallas simultáneas previene la mala operación del interruptor del lado de baja tensión del transformador. Estos esquemas mejoran la calidad y continuidad del servicio, pues evitan interrupciones innecesarias en el suministro de energía eléctrica de los alimentadores que no registran falla
• En los esquemas distribuidos, la lógica de la protección contra fallas simultáneas reside en los relevadores de los alimentadores; en los sistemas centralizados, la lógica reside en el relevador del interruptor del lado de baja tensión del transformador o en un procesador de lógica (módulo de entradas y salidas)
• Las Divisiones Sureste y Jalisco cuentan con 20 esquemas de protección contra fallas simultáneas en operación; estos esquemas han liberado correctamente un total de 46 fallas simultáneas. Hasta ahora no se tienen registros de malas operaciones en dichos esquemas.

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Jorge Betanzos Manuel y Héctor E. Lemus Zavala,
Comisión Federal de Electricidad, Div. Sureste y Div. Jalisco, respectivamente.

Eliseo Alcázar Ramírez, David Sánchez Escobedo, y Héctor J. Altuve,
Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.