Concepto Básico: Sobre corriente Direccional

La generación distribuida en todo el mundo es una tendencia tecnológica emergente, que plantea un nuevo conjunto de desafíos para la industria de la energía. Con la posibilidad real del flujo de energía bidireccional y la erosión de la secuencia de Generación, Transmisión, Distribución, Venta al por menor convencional, el resultado inevitable es que las redes de distribución necesitan manejar la protección de la red en un escenario de flujo de energía tanto directo como inverso.

Si bien, la protección direccional no es un concepto nuevo, proporciona un grado significativo de complejidad adicional en comparación con los esquemas de protección tradicionales basados en la magnitud. Esta miniserie de artículos de revisión técnica cubrirá los conceptos físicos subyacentes para ayudar a los ingenieros y técnicos a comprender los conceptos detrás de la protección direccional y para qué aplicaciones son más adecuadas.

Sobre corriente Direccional

La sobre corriente direccional es nuestro primer elemento por examinar. Conceptualmente, este elemento proporciona la comprensión más sencilla de cálculos, resultados y pruebas, pero sin duda, es útil comprender los principios de cómo este elemento opera en campo.

La sobre corriente es normalmente aplicada para fallas que no incluyen una fuga a tierra. Esta clase de fallas incluyen: líneas aéreas que chocan entre sí (falla fase a fase), una rama que cae entre de las líneas o alguna conexión de cortocircuito entre las fases. Desde este punto de vista, la sobre corriente, no es la mejor protección para detectar fallas a tierra.

Filosóficamente, la sobre corriente direccional es el cálculo de la diferencia entre el ángulo de fase de la corriente y el ángulo de fase de la tensión.

Para simplificar, si los vectores de voltaje y corriente apuntan en la misma dirección, es probable que la falla sea hacia adelante. Si los vectores apuntan en direcciones opuestas, la falla es probablemente inversa.

La práctica típica de la industria para los relés es convertir las corrientes y voltajes medidos en fase en componentes de secuencia (voltajes y corrientes de secuencia positiva, negativa y cero). La dirección de sobre corriente se calcula sobre la diferencia entre el ángulo del voltaje de secuencia positiva y la corriente de secuencia positiva.

Exploremos un escenario de falla para comprender mejor. Considere la siguiente situación:

Tenemos una fuente a cada lado de esta red y dependiendo de la configuración, la falla puede ser directa o inversa desde la perspectiva del reconectador

En primer lugar, tomemos el caso más simple, cuando asumimos que el cable es una resistencia. Los vectores cualitativos para el voltaje y la corriente de secuencia positiva se encuentran en las figuras 2 y 3 a continuación.

A partir de este diagrama, consideraremos la falla A como una falla directa. El ángulo de la falla entre V1 e I1 sería de aproximadamente 0 grados. Para el caso contrario, para la falla inversa, la diferencia sería de aproximadamente 180 grados.

Comúnmente, el rango del ángulo de falla es de hasta 90 grados a cada lado en el "caso del más directo/inverso".

Si el ángulo característico del relé indicaba que la falla estaba adelantada desde -90 grados, cruzando por 0 hasta 90 grados, la falla se detectaría como directa, para cualquier otro ángulo esta será inversa.

Pero ¿por qué es importante un rango de ángulos tan grande para una falla directa?

La realidad, una red de distribución eléctrica no es puramente resistiva y la relación de cambio de ángulo entre el voltaje y la corriente depende de los componentes reactivos y resistivos de la red­ --- los valores de X y R.

Conceptualmente, cuando observamos el diagrama de vector de fallas, los valores resistivos están a lo largo del eje X y los valores reactivos están a lo largo del eje Y. Cuanta más reactancia (capacitiva o inductiva), más se alejan los vectores de la línea resistiva.

La razón por la que los ingenieros establecen un rango de operación es para detectar todos los casos para una falla directa, mientras que rechaza todos los casos inversos (o viceversa). Sujeto a la selección del cable y la red; la magnitud de X y R dependiendo de la distancia de falla desde el disyuntor, las lecturas de ángulos resultarán muy diferentes.

La tabla anterior describe algunos valores comparativos entre dos conductores de aluminio a manera de ejemplo. Uno tiene una sección transversal de 95mm2 y el otro de 240mm2. El valor interesante es la relación X/R, la cual establece que, para una longitud de línea determinada, se puede esperar una cierta cantidad de reactancia y resistencia.

Cuando la relación es inferior a 1, entre más largo es el cable, más resistivo. Es decir, cuanto más lejos esté la falla del disyuntor, más cerca a cero estará la diferencia de vectores de voltaje-corriente.

Cuando la relación es superior a 1, entre más largo sea el cable, más reactivo. Cuanto más lejos esté la falla del disyuntor, mayor será la diferencia entre el vector de voltaje y el vector de corriente.

En otras palabras, dependiendo del cable, la diferencia de vectores será divergente o convergente debido a la relación entre X y R. La Figura 5 muestra vectores de corriente cualitativos basados en la relación X/R.

La razón por la que la sobre corriente direccional tiene un "Ángulo característico del relé - RCA" o "Ángulo de torque" (término heredado), es para considerar la reactancia de su red. Se puede asumir que, si el ángulo directo se desplaza en función de la reactancia, entonces ocurrirá una desviación similar en la dirección opuesta. Por lo tanto, una configuración de sobre corriente direccional de 60 grados, por ejemplo, asume una red reactiva, con rangos operativos resultantes desde 150 grados, hacia abajo a través de 60 grados hasta -30 grados. Los casos inversos serían lo contrario.

"Las redes de distribución con una alta penetración de conexiones de energía solar renovable a menudo funcionan hacia atrás durante el día (flujo de energía hacia la subestación) y hacia adelante en la noche (flujo de energía desde de la subestación)", informa el Director Ejecutivo del Grupo NOJA Power, Neil O’Sullivan. "Este fenómeno se está volviendo cada vez más común y requiere la implementación de la protección direccional en todos los dispositivos de protección instalados en estos alimentadores para proporcionar una correcta detección de fallas y coordinación de protecciones".

En resumen, logramos exploramos algunos puntos clave:

• La sobre corriente direccional se determina mediante múltiples técnicas, pero la más común es a través de una comparación entre el ángulo del voltaje de secuencia positiva y los ángulos de la corriente de secuencia positiva.
• Si la red fuera puramente resistiva, una suposición razonable sería que las fallas hacia adelante tienen una diferencia vectorial de cero y las fallas inversas tienen una diferencia vectorial de 180 grados.
• La principal razón para el cambio de fase entre voltaje y corriente es la relación X/R en el sitio de la falla.
• Comúnmente, todas las redes tienen cierta reactancia y la razón de un ángulo característico del relé es tener en cuenta todos los casos de falla por sobre corriente, ya que la relación entre X y R varía a lo largo del alimentador protegido.
• Cuanto más resistiva es una red, más cerca está el RCA de cero grados. Cuanto más reactivo es, más cerca está el RCA de 90 grados.

El sistema del reconectador OSM NOJA Power se implementa en innumerables situaciones de protección direccional en todo el mundo.

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