PROTECCIONES 101 50/51

Previo a comenzar a leer este blog quisiera, estimado lector, me ayude con sus comentarios y opiniones.

Para mayor referencia vease:

IEEE C37.91 (PROTECCION DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA)
IEEE C57.91 (VIDA UTIL DEL TRANSFORMADOR DE POTENCIA)
IEEE C37.110 (SELECCION DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE)
MANUAL SEL 587

PROTECCIÓN 50/51

También conocida como protección de sobre corriente, es decir, para un nivel de corriente excesivamente alto el rele "cuenta" cierto tiempo y luego envía una señal de disparo o alarma para proteger el sistema.

Esta es la protección mas elemental y básica, ciertas características:

• TIEMPO INVERSO (51)

figura 1

• Tolera la falla durante determinado tiempo
• El tiempo depende del tipo de curva
• existe una ecuación que describe el tiempo de operación. 
• La curva puede ser modificada mediante ciertos parámetros
• Parámetros:
• Ip: corriente de enganche, si la corriente vista por el rele es mayor a este valor comienza el conteo para emitir la señal de disparo
• td: dial de tiempo, factor de aceleración o frenado de la curva
• Curva: tipo de curva utilizada.
• cambiando el tipo de curva se puede ajustar la velocidad del disparo
• td y Ip también ajustan la velocidad de disparo, pero lo hacen de manera mas fina. 
• varios tipos, ANSI, IEC, IAC, etc.
• Incluso hay ciertos equipos que permiten ajustar una curva punto a punto.
• Son curvas normalizadas
• Ciertos fabricantes añaden un factor, para verificar este factor debe revisarse el manual del rele utilizado. 

• INSTANTANEA (50)

figura2

• no tolera falla
• es la mas rapida
• Parametros:
• Iins: enganche de instantanea, si el rele ve una corriente mayor a este comienza el coneto para emitir la señal de disparo
• tins: tiempo operativo.

NOTA: tins es un tiempo de operacion, td es un factor multiplicador

figura 3

En la figura 3 Iins es 2.5 pu y tins es 100ms, Ip es 1 pu td es 1. Es decir si la corriente vista por el rele es superior a 2.5 pu, el tiempo de operación es 100ms aproximadamente, pero si es mayor a 1 pu el tiempo de operación NO es 1 segundo.

CRITERIOS DE CALIBRACIÓN:

Para calibrar la protección 50/51 se necesita cierta información:

1. nivel máximo de carga (debe ser dado según un estudio de carga).
• si el máximo nivel de carga es 6.25 MVA a 13.8 KV, la corriente de carga sera 262 Amp
• mi nivel de enganche debe ser calibrado según una planificación, es decir si se estima que la carga no pasara de los 6.25 MVA (que es el caso de muchas fabricas) se podría ajustar el enganche a 1.1 o 1.15 veces la corriente de carga.
2. estudio de cortocircuito (nos dará el nivel mínimo y máximo de falla)
3. curva de daño del equipo a proteger (nos da una referencia para saber que tan "sensible" es nuestra protección)
• En caso de no tener la curva de daño del equipo, se puede usar la curva de daño del cable. 
4. para dar un mayor respaldo a la proteccion de fase, se usa la curva de neutro.

P.E.

Un transformador nunca es cargado a su capacidad nominal, normalmente se los carga a un 70 u 80%. Por lo tanto el ajuste de la curva 50/51 se puede hacer a la capacidad nominal del trafo en el lado de alta.

Para un trafo de 5/6.25 MVA 69/13.8 KV 

La Ip se ajusta a 6.25 MVA a 69 KV son 42 Amp, Ip=42 Amp

El dial de tiempo y el tipo de curva se ajusta según la curva de daño y la curva de protección aguas arriba.

CRITERIOS DE COORDINACIÓN:

figura 5

Hacer referencia a la figura 5 para el siguiente análisis, se asume que la fuente de potencia esta detrás de la barra 0 y las alimentadoras se conectan a la barra 1.

Cuando se habla de aguas arriba (upstream), se habla en dirección de la fuente, cuando se habla de aguas abajo (downstream), se habla en dirección a la carga.

Esta definición se vuelve ambigua cuando se habla de sistemas en anillo, pero por lo pronto solo se hará el análisis para un sistema radial.

Como se aprecia en la figura 5, cada interruptor de potencia (52) recibe comandos de cada rele (R), que a su vez toma lecturas de corriente del sistema de su respectivo transformador de corriente (CT).

La señal enviada desde el rele al interruptor se conoce como señal de disparo (TRIP).

Las curvas de protección  se muestran en la figura 6

figura 6

Para una falla (de cualquier tipo) en cada alimentador solo debe disparar el interruptor que corresponda, es decir para una falla en el alimentador 1 solo debe disparar el 52-1, no debe disparar ninguno de los alimentadores ni la barra principal.

Esto se logra variando los parámetros mencionados previamente, para obtener las curvas de protección mostradas en la figura 6, donde la curva R-0 es la mas lenta del sistema.

Mientras R-1, R-2, R-3 protegen su carga, R-0 protege la barra de alimentación.

Una falla en cualquiera de los alimentadores solo sera vista por el rele correspondiente y por el R-0, es decir para una falla en cualquier punto del sistema solo actúan 2 curvas a la vez por lo que no es necesario que haya una coordinación entre los alimentadores.

De este breve analisis podemos sacar ciertas observaciones importantes.

1. La curva R-0 debe ser mas lenta que los alimentadores.
1. R-0 da respaldo en caso de que cualquiera de los reles R-1, R-2, R-3 no operen.
2. No es necesario coordinar las curvas de R-1, R-2, R-3
1. cada alimentador tiene cierta sobrecarga permitida, la IpR-0 debe ser mayor a la suma de todas estas sobre cargas.
2. Esto se logra mediante un estudio de carga (para alimentadores existentes) y planificación (alimentadores nuevos). 
3. en el ejemplo de la figura 6 IpR-0 es 80 A, es decir, en caso de que los 3 alimentadores estén sobre cargados al máximo, al mismo tiempo, la corriente de carga es menor a 80 A.
3. La coordinación se debe hacer solo entre la curva mas lenta de los alimentadores y la curva de la fuente. 
4. Una noción util para la coordinación es que, entre mas cerca estoy de la fuente, mas alta debe estar mi curva 50/51, de igual modo, entre mas cerca estoy de la carga, mas abajo debe estar mi curva. 

•Curva neutro

Como se explicó previamente para calibrar la protección 51 se debe conocer el máximo nivel de sobré carga y ajustar la ip a un valor levemente mayor.

Dado que si disminuyo mi ip , con la intención de disminuir la velocidad de disparo, pierdo mi capacidad de suplir mi carga.

Es así que se usan varios tipos de respaldo de sobré corriente, aquí hablare de los 2 que he usado.

NOTA: los elementos descritos a continuación NO reemplazan al elemento de fase, sino que proveen un respaldo para reducir el tiempo de disparo bajo ciertas condiciones de falla.

•51N

En condiciones de operación normal la corriente que pasa por el neutro es muy pequeña (en relación a la de fase), de tal modo que puedo ajustar un elemento 51 que responda a mi corriente de neutro con una Ip menor a la de fase.

Cuando se reduce la Ip, se dice que la protección se hace mas sensible. 

Hay reles que requieren un CT de neutro (lo que implica mayor obra civil y espacio y tiempo de ejecución del proyecto pero ofrecen mayor precisión mejor protección ) y hay reles que simulan la señal de neutro ( que ahorra todo lo mencionado anteriormente sacrificando un poco la precisión )

Hay que tener en cuenta que este elemento 51N sólo responde a fallas de tierra, no a fallas de fase.

Ip neutro

Mi ajuste de neutro puede ser un valor más pequeño que el de fase, es práctica común expresar la ip como un fracción del de fase (50% del ajuste de fase p.e.) 

Td neutro 

El dial de tiempo de neutro debe garantizar que la curva neutro sea mas rápida que la curva fase.

Curva neutro

La curva de neutro, no necesariamente debe ser igual a la de fase, pero por simplicidad es recomendable que se calibré así.

51Q (secuencia negativa)  

Este elemento da respaldo para fallas de fase, es decir, cuando el elemento neutro no ve falla.

Se debe guardar especial cuidado en el ajuste del enganche Ip, dado que la relación de corriente de fase y corriente de secuencia negativa cambia según el tipo de falla.

Para ajustar la Ip-Q de este elemento se hace una coordinación de curvas como la explicada en la figura 6, con la ventaja de que esta Ip-Q puede ser ajustada a un valor menor a la máxima sobrecarga.

Ya obtenido este valor se vuelve un tema de leer el manual del rele, dado que cada fabricante tiene su propia manera de solicitar información.

El td y tipo de curva se ajustan de iguala manera.

Para mayor información véase  "NEGATIVE-SEQUENCE OVERCURRENT ELEMENT APLICATION AND COORDINATION IN DISTRIBUTION PROTECTION"