Protección de Conductor Roto y Sobrecorriente de Secuencia Negativa

comunicado de prensa

Marzo 2020
 Reconectador OSM de NOJA Power Instalado

Uno de los peores escenarios para el ingeniero de distribución representa la presencia de un conductor interrumpido en la red de media tensión. La gran mayoría de los elementos de protección de red están diseñados para operar cuando hay una excesiva corriente de fase, pero en el caso de un conductor seccionado, lo que preocupa es la ausencia de esta. Además de atenuar las luminarias o desconectar las cargas aguas abajo, los conductores interrumpidos pueden provocar incendios al no ser detectados por las técnicas convencionales de protección contra sobrecorriente o falla a tierra. Afortunadamente, comprender la física del escenario de conductores rotos no es demasiado difícil, y si bien las topologías de red de distribución de tres y cuatro hilos producen respuestas de red ligeramente diferentes, una comprensión sólida de estos conceptos ayudará a detectar y proteger contra este escenario de falla.

En primer lugar, vale la pena comprender la teoría de las componentes simétricas de Fortescue, que podemos emplear para mapear las corrientes de fase y los voltajes medidos a las componentes de secuencia positiva, negativa y cero. Este proceso de mapeo nos permite ignorar los desequilibrios entre fases durante las fallas, lo que facilita el proceso de análisis de fallas. Fundamentalmente, la mayoría de las técnicas de protección de corriente alterna (CA) utilizan este proceso de transformación para detectar fallas.




Donde:




Al ingresar los valores para cada medición fasorial, podemos derivar la magnitud y la fase de cada uno de los componentes de la secuencia. En un mundo ideal, en teoría, un alimentador de distribución saludable no debería presentar ningún desequilibrio y, por lo tanto, solo debería tener una corriente de secuencia positiva. Esto se podría confirmar al reemplazar un conjunto de fasores de corriente equilibrados en las ecuaciones y ver que el resultado es cero para cada ecuación, excepto para la de secuencia positiva.

En el mundo de la distribución eléctrica en Corriente Alterna (CA), las componentes simétricas no se limitan solo a las corrientes. Los voltajes e impedancias también se pueden representar en formato de componentes de secuencia, lo que simplifica enormemente el análisis de fallas. Un buen libro sobre el tema es https://www.bookdepository.com/Protection-Electrical-Networks-Christophe-Preve/9781905209064 , pero cuando consideramos el caso de conductores rotos, es importante tener en claro que:

  • Las fuentes de voltaje están limitadas a los elementos de secuencia positiva
  • Hay una impedancia de secuencia positiva, negativa y cero equivalentes para una red de distribución

Sistemas trifásicos de tres conductores

Al considerar el escenario de conductor roto, consideremos primero lo que sucede en un sistema de tres conductores.


Figura 1 – Un sistema de tres cables con un conductor roto en la fase A

Figura 1 – Un sistema de tres cables con un conductor roto en la fase A

Como primer paso en el análisis, vale la pena entender lo que significará el conductor interrumpido para cada una de las corrientes de fase. Con una discontinuidad en la fase A, como se muestra en la figura 1, eliminamos efectivamente el flujo de corriente a través de esta fase. A pesar de los esfuerzos de los generadores trifásicos para impulsar la corriente a través de las líneas, podemos suponer que no fluye corriente, dejándonos con un claro desequilibrio. Podemos representar el circuito de la siguiente manera:


Figura 2 – Un circuito de tres cables con un conductor roto en la fase A

Figura 2 – Un circuito de tres cables con un conductor roto en la fase A

Para el ingeniero de protecciones experimentado, la figura 2 describe el análisis de fallas de una falla fase-fase. En una falla fase-fase, la fase sin falla parecería tener una impedancia infinita comparándola a una falla entre los otros dos conductores. La única diferencia es que, en una falla fase-fase, solo consideramos la impedancia de línea, mientras que con un escenario de conductor roto consideramos la impedancia de carga. Según las fallas fase-fase, para el escenario de conductor roto en una línea trifásica, nuestro circuito equivalente se convierte en:


Figura 3 – Circuito Equivalente, Red de tres cables con un conductor roto

Figura 3 – Circuito Equivalente, Red de tres cables con un conductor roto

Lo anterior nos permite realizar las siguientes observaciones claves.

  1. Bajo un escenario de conductor roto, la corriente de secuencia positiva es la misma que la corriente de secuencia negativa. Cuando el conductor no está roto, es 100% de secuencia positiva y 0% de secuencia negativa.
  2. Las corrientes de secuencia positiva y negativa se calculan utilizando la misma impedancia.
  3. La carga aún puede ser lo suficientemente alta como para que i1 no supere el nivel de detección de sobrecorriente – lo cual es peligroso.

Los relés de protección digital modernos a menudo ofrecen protección de secuencia de fase negativa (NPS - Negative Phase Sequence) y protección de sobrecorriente. Para el caso de tres conductores, podemos ver que en el escenario de conductor roto la componente de secuencia de fase negativa esperada depende de la impedancia de la carga. Por lo tanto, la corriente real de secuencia negativa resultante depende de la topología de carga en el momento de la falla. Para efectos prácticos, podríamos considerar que, en teoría, una red debería exhibir una corriente de secuencia negativa muy baja en un estado sin fallas, por lo que podríamos usar esto como una razón para establecer el punto de operación para NPS bastante bajo. Esto puede funcionar en escenarios simples, pero cuando la segregación de las protección entre múltiples dispositivos presenta limitaciones, una falla fase a fase aguas abajo en la siguiente zona puede aparecer como una falla NPS en la zona aguas arriba, lo que lleva a una condición de conflicto entre NPS demasiado sensible en el dispositivo aguas arriba y la función de sobrecorriente convencional en el equipo de protección más cercano a la falla.

Cuando la información de impedancia es difícil de recopilar, podemos confiar en la relación i1 = i2 en un sistema trifásico durante una falla de conductor roto. Cuando se presenta un conductor roto, en un modelo teórico perfecto:





O expresado en porcentaje:





El código de protección ANSI asignado es 46BC (Conductor Roto), esta relación de secuencia negativa sobre positiva elimina la dependencia a la impedancia en la calculación. De esta manera, independientemente de la carga, tenemos sensibilidad a la condición de falla del conductor roto. Para detectar eficazmente discontinuidad debido a la interrupción de un conductor en una red trifásica, normal, sería inusual que en cualquier escenario, la relación de la corriente de secuencia negativa y la de secuencia positiva supere el 20%. Con frecuencia este es el punto de inicio de la configuración de esta característica en campo, para que en combinación con los elementos de sobrecorriente contemplen casos de discontinuidad de fase y proporcionen coordinación.

Sistemas trifásicos de cuatro conductores

Común en las topologías de red de América del Norte y la red de distribución de Baja Tensión (BT) en Australia, un Sistema trifásico de cuatro conductores ofrece un resultado ligeramente diferente cuando se consideran los efectos de una discontinuidad en una fase.





Al agregar el conductor neutro, introducimos una complicación en el cálculo, porque el neutro se convierte en un conductor de corriente durante condiciones desequilibradas. A menudo, esta es una consideración de diseño, que permite mantener continuidad del servicio a dos tercios de los clientes en el caso de BT, en caso que una sola fase se encuentre en falla. No obstante, al agregar el cuarto conductor reducimos nuestra relación de i2 sobre i1 en el escenario de conductor interrumpido. Con un conductor neutro en juego, introducimos el efecto de la impedancia de secuencia cero:


Figur4 – Circuito Equivalente para un conductor Roto en una red trifásica de cuatro conductores

Figur4 – Circuito Equivalente para un conductor Roto en una red trifásica de cuatro conductores

Nuevamente, nos enfrentamos a una red equivalente que es muy similar a la falla de Doble Línea a Tierra, excepto que estamos considerando las impedancias de carga en lugar de las impedancias de línea. Supongamos que las impedancias de la fuente son insignificantes en comparación con la carga, por lo que al simplificar tenemos:





La diferencia clave entre los sistemas de cuatro y tres cables es la inclusión de la secuencia cero en el cálculo resultante. Calculando para i1:





Además, asumiendo que i2 es negativo y reconociendo la topología como un divisor de corriente:





Para calcular la relación mínima del conductor roto en un sistema de cuatro conductores, necesitamos conocer la secuencia negativa y cero de la impedancia de la carga. Como regla general, hay más impedancia de secuencia cero que impedancia de secuencia negativa, haciendo que la relación | i2 / i1 | diferente de cero. No obstante, pero en ausencia de información de la impedancia de carga es conveniente evaluar empíricamente mediante datos en campo antes de aplicar la funcionalidad 46BC. Antes poner en práctica la evaluación empírica, considerando factores de sensibilidad se sugiere suficiente que la relación | i2 / i1 | sea configurada al 20% en redes de cuatro hilos. Sin embargo, esta configuración no haría es inmune la red a disparos no deseado en redes altamente desequilibradas.

"Si bien es un tema complejo de comprender, nuestra detección de Conductor roto es simple de configurar y solo requiere que se programe la relación entre las secuencias de secuencia positiva y negativa," declara El Director Ejecutivo del grupo NOJA Power, Neil O'Sullivan, “generalmente recomendamos 20%. Incluso puede configurarse como alarma en lugar de disparo para poner a prueba el concepto en su red.”

Conclusión

La detección de conductores interrumpidos en la red de distribución es un escenario que puede detectarse adecuadamente mediante el uso de la corriente de secuencia de fase negativa. Cuando se usa NPS solamente, es necesario el conocer la impedancia de secuencia negativa de la carga para el cálculo apropiado. Existe un caso especial para las redes de tres conductores, donde las secuencias de impedancia positiva y negativa de la carga se cancelan en un escenario de discontinuidad de una fase, permitiendo que las empresas eléctricas con redes de distribución con este tipo de configuración utilicen la protección ANSI 46 – Conductor Roto | i2 / i1| en ausencia de datos de la impedancia de carga.

Para los sistemas de 4 hilos, el cálculo es ligeramente más complejo, no obstante, se puede aproximar mediante datos empíricos que proporcionen visibilidad en el peligroso escenario de un conductor potencialmente interrumpido.

El sistema de Reconectadores OSM de NOJA Power está equipado con un conjunto completo de elementos de protección de Secuencia de Fase Negativa y Conductor Roto, lo que permite a las compañías prestadoras de servicio eléctrico capitalizar los beneficios a su base de activos existente y proporcionar sensibilidad a esta peligrosa categoría de falla. Para obtener más información, visite www.nojapower.es o póngase en contacto con su distribuidor local de NOJA Power.