Protección de Distancia

La protección de distancia (definida por el número ANSI 21), es usada para proteger líneas de transmisión. Se encarga de medir constantemente la impedancia de carga de la línea, que puede ser expresada como UL/IL = ZL.

Es decir, la relación entre la tensión y la corriente vistas por el relé en su sitio de instalación. Si hay una falla, la medida de la impedancia será menor que la impedancia de carga y la protección operará. La ventaja de medir la impedancia es que esta depende de la longitud de la línea. De modo que, el relé es sensible a la distancia en que ocurren las fallas, y puede decidir cuándo disparar y cuando no.

Este principio de protección es independiente de la magnitud y variaciones de las corrientes de cortocircuito con la impedancia de la fuente. Pues la impedancia de línea es independiente de las variaciones de impedancia de la fuente. Con esta protección se logra un ajuste selectivo sin retardar tanto la protección, como en el caso de la protección de sobrecorriente simple. Y, funciona también para detectar corrientes de falla inferiores a la corriente máxima de carga (fallas de alta impedancia).

Zonas de Operación de la Protección de Distancia

En los relés de distancia se configuran varias zonas direccionales de operación. Estas zonas dependen del valor de la impedancia medida por el relé, y de la dirección en que el relé las mide. A cada una de esas zonas se les fija el tiempo de disparo más conveniente para lograr mayor selectividad del sistema de protección. De este modo, el tiempo de disparo de las zonas superiores es incrementado secuencialmente en un margen de escalonamiento de tiempos. Como se muestra en la siguiente Figura.

Esquema Escalonado de la Protección de Distancia
Esquema Escalonado de la Protección de Distancia. Fuente: © Ing. Leiry Chinchilla

Por lo general, la Zona 1 se diseña con operación instantánea entre el 50 % y el 100 % de la longitud de la línea. A esto se le denomina “Zona de Bajo Alcance“.

Mientras que, la Zona 2 se configura con operación temporizada, igual o mayor del 120 % de esa longitud. A esto se le denomina “Zona de Sobre-Alcance“. Con el objetivo de cubrir el margen de seguridad de la Zona 1, pero sin alcanzar el 80 % de la línea adyacente más corta. En algunas veces es necesario diseñar un margen de seguridad mayor para tener en cuenta el efecto de la impedancia mutua en líneas paralelas. Este margen se requiere por las tolerancias de las impedancias de línea, la imprecisión de los transformadores de instrumentación y de los sistemas de protección.

La Zona 3 generalmente se establece para medir impedancia hacia atrás de la línea protegida para que funcione como protección de respaldo remoto.

El resto de las Zonas que el relé tenga disponible se ajustan según los requerimientos de la aplicación. Comúnmente para funcionar como respaldo remoto de las líneas adyacentes.

Zona de Carga

En líneas largas con alta capacidad de carga, la impedancia de carga interfiere en la característica de disparo de la protección de distancia. Es decir, que el relé interprete la impedancia de carga como una falla y genere un disparo erróneo.

Para evitar el problema anterior durante el transporte de altas potencias, se puede ajustar un cono de carga. De esta forma, se excluyen reacciones desfavorables por sobrecarga en las características de disparo de la protección de distancia con límites de resistencia elevados.

Característica Poligonal de la Protección de Distancia

El polígono se define como un paralelogramo cortado por los ejes, R y X. Con un ángulo de inclinación φDist como se muestra en la siguiente Figura.

Característica Poligonal de la Protección de Distancia
Característica Poligonal de la Protección de Distancia. Fuente: Protección de distancia 7SA522 SIPROTEC, versión 4.00.04, Siemens AG, 2005.

El cono de carga puede recortar del polígono el sector de la impedancia de carga con los parámetros Rcarga y φcarga. Las secciones de los ejes R y X pueden ser ajustadas individualmente para cada zona. Los parámetros φDist, Rcarga y φcarga son comunes para todas las zonas. La característica direccional limita el rango del disparo a los cuadrantes deseados.

Por lo general, para la Zona 1 existe una sección ajustable α. Esto se usa para prevenir el sobre-alcance resultante de la variación de ángulo y/o cortocircuitos alimentados bilateralmente en una resistencia de falla.

Característica MHO de la Protección de Distancia

Para cada zona de distancia se define una curva característica MHO, que representa la característica de disparo para la correspondiente zona. La forma básica de la característica MHO para una sola zona se muestra en la siguiente Figura.

Característica Mho de la Protección de Distancia
Característica Mho de la Protección de Distancia. Fuente: Protección de distancia 7SA522 SIPROTEC, versión 4.00.04, Siemens AG, 2005.

Esta curva característica se define mediante su distancia diametral. Su alcance se determina mediante el origen de coordenadas y la longitud del diámetro como el valor de una impedancia Zr. Y, su ángulo de inclinación que corresponde normalmente al ángulo de la línea φDict.

El cono de carga puede recortar la curva característica MHO. Esto se observa en la sección de impedancia con carga normal con los parámetros Rcarga y φcarga. El alcance se define con la impedancia Zr, y puede ser ajustado para cada zona individualmente. Los parámetros φDist, Rcarga y φcarga son comunes para todas las zonas.

Esquemas de Teleprotección Tipo Comando

La protección de distancia utiliza diferentes esquemas de teleprotección. Estos esquemas tienen el objetivo de lograr una desconexión selectiva y sin retardo para cualquier falla en el 100% del tramo de la línea.

La configuración temporizada e independiente de las zonas del relé de distancia no despejan las fallas selectiva e instantáneamente si no se usa teleprotección.

La teleprotección consiste en que el equipo de protección elabora intercambios de información con el extremo opuesto. Este intercambio se hace mediante vías de comunicación convencionales con relés de transmisión y recepción, o mediante una conexión de comunicación digital.

Los sistemas de telecomunicaciones más utilizados son los siguientes:

  • Hilo piloto.
  • Onda Portadora por Línea de Potencia (PLC: Power Line Carrier).
  • Microondas.
  • Fibra Óptica,

La Fibra Óptica es el sistema más fiable para enviar señales de disparo ante cualquier condición del sistema, porque sufre menos perturbaciones. Además, se usa con el OPGW (del inglés: Optical Ground Wire, fibra óptica concéntrica en el cable de guarda) para múltiples usos y servicios. Por lo que su empleo para señales de protección tiene un costo marginal.

Generalmente, la señal de telecomunicación no dispara el interruptor sin el criterio de la protección del extremo receptor. Excepto en el caso de transferencia de disparo directo. En consecuencia, las señales falsas que son enviadas durante condiciones normales no tendrán ninguna influencia en la seguridad del sistema.

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Clasificación de los Esquemas de Teleprotección

Los sistemas de protección de distancia utilizando telecomunicaciones pueden clasificarse dentro de las siguientes categorías:

  • Transferencia de disparo directo (DT: Direct Trip).
  • Transferencia de disparo permisivo por bajo alcance (PUTT: Permissive Underreaching Transfer Trip).
  • Transferencia de disparo directo por bajo alcance (DUTT: Direct Underreachning Transfer Trip).
  • Transferencia de disparo permisivo por sobrealcance (POTT: Permissive Overreaching Transfer Trip).
  • Bloqueo por comparación direccional (DCB: Directional Comparison Blocking).
  • Extremo con fuente débil (WEI: Weak End Infeed).
  • Función de eco (ECO).
  • Esquema de disparo híbrido.

En estos esquemas, las funciones básicas de la protección de distancia permanecen como respaldo de la zona que utiliza telecomunicación para comando de disparo (teledisparo). Es decir, si hay una falla en el sistema de comunicaciones, la protección de distancia operará en su función básica de zonas escalonadas.

Casos especiales de la protección de distancia

Cuando la línea protegida termina en un transformador, el alcance de la tercera zona se limita al 80 % de la impedancia del transformador. En caso de que se quiera sobre alcanzar el transformador, se deberá coordinar el tiempo de retardo con la protección aguas abajo del transformador.

Cuando una línea es energizada, la zona instantánea (Zona 1) normalmente cubre el 100 % de la línea por un corto tiempo. Después de ese tiempo, el alcance se reduce al 80% (a su configuración original). Esta función es llamada función de energización de la línea.

En líneas doble circuito, o entre líneas cercanas, se presenta un fenómeno conocido como acople mutuo de secuencia cero. Este fenómeno distorsiona la medida de los relés de distancia durante la aparición de una falla monofásica. Porque, la corriente de falla que circula por uno de los circuitos induce tensión y corriente a través del acople electromagnético con su circuito paralelo. En este caso, sólo el circuito de secuencia cero participa de manera importante. Las inducciones a través de los circuitos de secuencia positiva y negativa se suman y se anulan entre fases.

Los efectos en la protección de distancia pueden resultar en un sobrealcance de las Zonas 1 causando disparos indeseados. Ó en un bajo alcance de las Zonas 2, dañando los esquemas de teleprotección y respaldo previstos. Para superar esto, las protecciones de distancia están provistas con ajustes diferentes para el factor de compensación para fallas a tierra (<k0), el cual se emplea para considerar la impedancia de secuencia cero de la línea.

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Referencias Bibliográficas

Subestaciones de Alta y Extra Alta Tensión, Colombia: Ingenieros Consultores Mejía Villegas S.A., 2da edición, 1991, pp. 405-542.

Protección de distancia 7SA522 SIPROTEC, versión 4.00.04, Siemens AG, 2005.

¿Qué es la Protección de Distancia? | LinkedIn

Distance protection for transmission lines – SIPROTEC 7SA522 – Distance protection – Siemens global website

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