INTRODUCCION (1) El principio más utilizado actualmente es el de distancia; en la práctica, los relés de distancia se utilizan en combinación con sistemas de comunicación para mejorar su selectividad en la protección de líneas de transmisión,, sin embargo, p g , una de sus principales limitaciones es su velocidad de operación. Para p preservar la estabilidad del sistema eléctrico de p potencia se requieren tiempos de liberación de fallas muy reducidos, del orden de unos pocos ciclos de frecuencia fundamental. Esto es particularmente importante en sistemas eléctricos débiles, como los que existen en los países de Latinoamérica Latinoamérica. Una alternativa de solución de estas limitaciones del principio de protección de distancia consiste en utilizar las componentes de alta frecuencia de las señales debidas a las ondas viajeras generadas por la falla como información para la función de protección. Esta es protección de onda viajera j la llamada p INTRODUCCION (2) Podemos observar que , en la estación transformadora de la foto foto, existen dos bobinas de onda portadora conectadas cada una en serie con la línea de alta tensión, montadas sobre dos fases , que p desde el p pórtico de entrada de línea,, con doble cadena suspenden de aisladores en V, para quitarle grados de libertad. Estas bobinas son dispositivos que tienen una impedancia d despreciable i bl a ffrecuencia i iindustrial, d t i l de d ttall fforma d de que no perturbe t b la transmisión de energía, pero debe ser relativamente alta para cualquier banda de frecuencia usada para comunicación por portadora. portadora Esta colocada en dos fases para tener una en funcionamiento y la otra como reserva ante cualquier q desperfecto. p Este sistema de comunicación vincula dos subestaciones (comunicación a distancia). Cabe aclarar que la frecuencia portadora , del orden de las 10 kHz, no entra a la barra. CARACTERISTICAS DE LA BOBINA DE ONDA PORTADORA Las líneas de transmisión también son utilizadas para la transmisión de señales de onda portadora entre 30kHz y 500kHz, para telecontrol, telefonía, tele protección, tele medición, etc., comúnmente llamado "sistema de onda portadora"(carrier). La bobina de onda portadora (también llamada bobina de bloqueo o trampa de onda) tiene la función de impedir que las señales de alta frecuencia sean derivadas en direcciones indeseables sin perjuicio de la transmisión de energía en la indeseables, frecuencia industrial. La a bob bobina a de bloqueo b oqueo es, por po lo o tanto, ta to, acop acoplada ada e en se serie e co con las as líneas de transmisión de alta tensión que deben ser dimensionadas para soportar la corriente nominal de la línea en la frecuencia industrial y las corrientes de cortocircuito a las cuales están sujetas las líneas de transmisión transmisión. PRINCIPALES COMPONENTES DE LA BOBINA DE BLOQUEO (1) Bobina Principal Dispositivos Dispositivo Algunos de sintonía de protección accesorios PRINCIPALES COMPONENTES DE LA BOBINA DE BLOQUEO (2) BOBINA PRINCIPAL (1) La bobina principal conduce la corriente nominal de la línea de transmisión y es proyectado para soportar la corriente máxima de cortocircuito. El arrollamiento consiste en perfiles de aluminio de sección rectangular de alta resistencia mecánica. Dependiendo de la corriente, uno o más perfiles son conectados en paralelo. paralelo Cada espira es separada por tro trozos os de fibra de vidrio. El arrollamiento es rígidamente inmovilizado por medio de crucetas de aluminio montadas en las extremidades del arrollamiento de la bobina principal y por uno o más tirantes aislados de fibra de vidrio. La bobina principal es de construcción robusta y liviana. Se trata de una estructura abierta, con aislamiento en aire, que resulta en excelentes propiedades p p de enfriamiento. Debido a esta construcción,, no ocurrirán grietas en la superficie de la bobina. Su baja capacidad propia implica una elevada frecuencia de auto resonancia, volviendo este proyecto particularmente adecuado para aplicaciones en alta frecuencia, tal como en sistemas de onda portadora. Estas importantes características aseguran un excelente desempeño, principalmente en la ocurrencia de un cortocircuito. Esto permite que se alcance una larga vida útil. BOBINA PRINCIPAL (2) DISPOSITIVO DE SINTONIA (1) El dispositivo de sintonía es montado en el tirante central localizado en el interior de la bobina principal. Es de fácil acceso y puede también ser fácilmente reemplazado en el caso de una eventual alteración de la faja j de operación, p , sin q que sea necesario remover la bobina de bloqueo. Todos los componentes del dispositivo de sintonía son escogidos para garantizar una excepcional confiabilidad operacional y una vida útil prolongada. El dispositivo de sintonía puede ser fijo o ajustable para sintonía simple simple, de doble frecuencia o de banda ancha. Todos los componentes son encapsulados con una triple capa resistente a la intemperie, protegiendo el dispositivo de sintonía de los constantes cambios climáticos y eventuales choques mecánicos. Los coeficientes de temperatura de los elementos del di dispositivo iti d de sintonía i t í son escogidos id d de fforma que se obtenga bt un alto grado de estabilidad en la sintonía. DISPOSITIVO DE SINTONIA (2) DISPOSITIVOS DE PROTECCION El dispositivo de protección es conectado en paralelo con la bobina principal y el dispositivo de sintonía, para evitar que la bobina de bloqueo sufra algún daño debido a una sobretensión b t ió transitoria. t it i L Las características t í ti d dell dispositivo de protección son escogidas para soportar elevadas sobretensiones transitorias, siendo que éste no d b empezar a actuar debe t d debido bid a lla ttensión ió que surge entre los terminales de la bobina de bloqueo en el caso de un cortocircuito, y tampoco debe permanecer en operación ió d después é d de lla respuesta a una sobretensión b ió momentánea entre los terminales de la bobina de bloqueo, q causada p por la corriente de cortocircuito. En las bobinas de bloqueo, son utilizados dispositivos de protección de óxido de zinc (ZnO), sin centelleador. ACCESORIOS (1) Rejilla de Protección anti Pájaros: Las rejillas de protección contra pájaros evitan la entrada de aves al i t i d interior de lla b bobina bi principal. i i l L La rejilla jill es h hecha h d de fib fibra d de vidrio id i con protección contra UV y resistente al calor . La presencia de la rejilla de protección contra pájaros no perjudica el enfriamiento de la bobina de bloqueo bloqueo. ACCESORIOS (2) C Conectores t d de lí línea (aluminio o bimetal) para conexión directa del conductor de alta tensión Anillos anticorona E caso de En d que no h haya ningún i ú requisito i it especial i l con relación l ió all nivel de descarga de corona, su instalación no es necesaria para tensiones nominales de hasta 245 kV. Si es necesario, los anillos anticorona ti son construidos t id d de ttubos b d de aluminio l i i .E En este t caso, ell diámetro total de la bobina de bloqueo es aumentado en 40 mm y la altura total de la bobina, en 2x100 mm. En el caso de montaje sobre pedestal la altura total es solamente aumentada en 100 mm pedestal, mm, pues el anillo anticorona inferior se proyecta sobre el pedestal. ANILLOS ANTICORONA FUNCIONAMIENTO DE LA ONDA PORTADORA DE CORRIENTE (1) E necesario Es i entender d llos d detalles ll d de lla transmisión i ió o recepción ió d de la onda portadora de la corriente para entender los principios básicos de funcionamiento de los relés. FUNCIONAMIENTO DE LA ONDA PORTADORA DE CORRIENTE (2) L protección La ió piloto il por onda d portadora d usa ell esquema d de bl bloqueo ya que no se puede garantizar que la señal de disparo llegue a la otra subestación (pues existirá corto en la línea). METODOS DE FUNCIONAMIENTO 1. Comparación direccional 2. Comparación de fases 3. Disparo transferido de subalcance 4. Disparo transferido permisivo de subalcance 5 5. Disparo trasferido permisivo de sobrealcance 1.Comparación 1 Comparación direccional 2 Comparación de fases 2.Comparación 3. Disparo transferido de subalcance 4.Disparo transferido permisivo de subalcance 5.Disparo transferido permisivo de sobrealcance EQUIPO DE ONDA PORTADORA COMPONENTES Los elementos constitutivos: el transmisor, la línea de transmisión, el circuito de acoplamiento p y el receptor. p CARACTERISTICAS DE LA LINEA DE TRANSMISION a. Impedancia característica de la línea Z= 120 Ln Línea = R 2*z b. Atenuación de La Donde:: Donde d, distancia entre dos hilos r, radio del conductor R, resistencia del cable coaxial d [W] r () TEORÍA SOBRE LAS ONDAS VIAJERAS (1) L lí Las líneas d de potencia t i son por supuesto t normalmente l t d dell titipo ttrifásica, ifá i sin i embargo, es mucho más simple entender los conceptos de onda viajera y métodos asociados considerando primero la propagación de la onda en líneas monofásicas monofásicas. En una línea de transmisión monofásica con parámetros distribuidos se pueden expresar ecuaciones de onda de voltaje y de corriente de la siguiente i i t fforma: Donde “x” es la posición a lo largo de la línea y; es conocida como la velocidad de propagación TEORÍA SOBRE LAS ONDAS VIAJERAS (2) es conocida como la impedancia característica. Las funciones representan las ondas viajeras en las direcciones hacia adelante y hacia atrás de x (lugar de la falla), respectivamente, y las ecuaciones 1 y 2 pueden por lo tanto ser escrita en los términos simples: TEORÍA SOBRE LAS ONDAS VIAJERAS (3) Donde Son las componentes de voltaje hacia delante y hacia atrás, respectivamente. Los valores de i+ y i- son similarmente las componentes de corriente hacia adelante y hacia atrás. Las componentes hacia adelante y hacia atrás son relacionadas mutuamente, como vista de las ecuaciones 1 hasta la 3, por la impedancia característica de la línea como sig sigue: e TEORÍA SOBRE LAS ONDAS VIAJERAS (4) D l análisis Del áli i anterior t i se ve que lla iimpedancia d i característica ( Z o ) es un numero real para una línea considerada sin perdidas y es evidente de las ecuaciones 4 que las componentes de corriente son simplemente una replica de sus voltajes correspondientes. Ellos también muestran q que,, mientras la forma de onda de voltaje y corriente hacia delante son del mismo signo, las formas de 3 onda de voltaje y corriente hacia atrás son de signo opuesto como lo ilustrado en la siguiente figura. TEORÍA SOBRE LAS ONDAS VIAJERAS (5) Propagación p g de ondas viajeras j en líneas monofásicas considerada sin perdidas. a) Formas de onda de voltaje y corriente transmitidas. b) Formas de onda de voltaje y corrientes reflejadas. COEFICIENTE DE REFLEXION (1) Las ondas viajeras sobre líneas de transmisión de longitudes sin perdidas consideradas homogéneas continúan ti ú propagándose á d a una velocidad l id d uniforme if cy no cambian en forma. Sin embargo, en puntos de discontinuidad tal como circuitos abiertos u otra terminación de la línea, parte de la onda incidente es reflejada hacia atrás a lo largo de la línea y parte es transmitida hacia adentro y mas allá de la discontinuidad. La onda cuando choca en la discontinuidad es a menudo llamada una onda incidente y las dos ondas a las cuales estas dará aumento son normalmente referidas como ondas reflejadas y transmitidas. COMPORTAMIENTO DE ONDA VIAJERA AL ALCANZAR UNA DISCONTINUIDAD EN UNA RED ELECTRICA COEFICIENTE DE REFLEXION (2) L ondas Las d viajeras i j que se generan ante t lla aparición i ió d de un di disturbio t bi en lla línea de transmisión se propagan por las líneas hasta que llegan a una discontinuidad (elementos en una subestación, unión de varias líneas etc.); en ese p punto nto las ondas se di dividen iden en una na onda reflejada y una na onda transmitida, donde la magnitud de cada una de esas ondas está dada por los coeficientes de reflexión (kR (kR)) y refracción (kT (kT)) los cuales son de la forma: Si d Za Siendo Z y Zb las l iimpedancias d i características t í ti d de cada d una d de llas líneas respectivamente. PRINCIPIO DE PROTECCION DE ONDA VIAJERA (1) Los frentes de ondas viajeras propagándose por una línea de transmisión experimentan una modificación en su contorno al atravesar una discontinuidad provocada por un cambio de i impedancia. d i E En lla fifigura siguiente i i t una onda d incidente propagándose por la línea 1 con impedancia característica Za alcanza la discontinuidad y continúa a través de la línea 2 con una impedancia Zb como una onda refractada f t d experimentando i t d una modificación difi ió en el contorno de la onda incidente (Vi) a kT kT*Vi. *Vi. PRINCIPIO DE PROTECCION DE ONDA VIAJERA (2) PRINCIPIO DE PROTECCION DE ONDA VIAJERA (3) En ell caso d E de que ambas b lí líneas sean idé idénticas ti ((Za (Z Z = Zb Za Zb)), Zb), ) ell contorno t de d lla onda viajera no se ve afectado, y no existe onda reflejada. Esta situación, Za = Zb es difícil que se presente en sistemas eléctricos de potencia reales. Así mismo las ondas viajeras iajeras q que e se propagan a tra través és de una na línea de transmisión homogénea se ven mínimamente afectadas en su contorno aún considerando pérdidas por atenuación. Por tanto, un frente de onda originado por una falla externa experimenta una modificación en su contorno al pasar por la discontinuidad que representa ell cambio bi d de lla iimpedancia d i característica í i entre llas lílíneas d de transmisión (Zb (Zb a Za Za)) A diferencia de esto, un frente de onda originado por una falla interna sólo es afectado por la atenuación propia de la línea. PRINCIPIO DE PROTECCION DE ONDA VIAJERA (4) C Cuando d una ffalla ll ocurre en una posición i ió d de lla lílínea a Df kiló kilómetros t de distancia del relevador, se generan ondas viajeras y se propagan a lo largo de a línea. Cuando la onda V1 es reflejada hacia atrás a la fuente G1 a través del relevador y ocurre una reflexión reflexión. La onda reflejada Vr1 regresara a lo largo de la línea hasta el punto de falla. Ahí en el punto de falla parte de esta es reflejada y otra parte es transmitida si la resistencia de falla no es cero cero. La onda reflejada Vr2 regresara a la barra 1 después de algún tiempo. Si podemos d obtener bt ell intervalo i t l de d tiempo ti t0 t0, entre t lla llllegada d d de lla onda Vr1 y la onda hacia atrás Vr2, entonces la distancia puede ser adquirida del tiempo t0 de la siguiente manera: PRINCIPIO DE PROTECCION DE ONDA VIAJERA (5) Con esta distancia Df Df,, es posible determinar si es una falla f ll d dentro t d de lla lílínea protegida t id o sii es una falla externa. Si es una falla interna el relevador debe mandar una señal de disparo del interruptor, y en caso que la falla sea externa el relevador no mandara q dicha señal. SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (1) La relación L l ió señalseñal ñ l-ruido id (SNR) d determina i lla potencia i d dell equipo i transmisor y es la diferencia entre el nivel de la señal recibida y el nivel de ruido o interferencia de la línea. Niveles de señal portadora portadora.. SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (2) Niveles de ruido de la transmisión para onda portadora: SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (3) El procedimiento a seguir para determinar la potencia del equipo transmisor es de la siguiente manera manera:: • • • • Se calcula el ruido producido en la línea Se calcula la atenuación Se obtiene el nivel de transmisión Se calcula la potencia del transmisor SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (4) El nivel i l de d ruido id a lla entrada d del d l receptor, determina d i ell nivel i l mínimo í i de la señal recibida que asegura el funcionamiento adecuado del sistema de comunicaciones. comunicaciones. Nivel de ruido por los conductores en mal tiempo: Donde, Donde es el ruido producido por los conductores en mal tiempo (en dbm) es el gradiente ficticio de potencial, kV/cm. SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (5) Gradiente efectivo: efectivo: Donde:: Donde ; densidad relativa del aire. =1, para temperatura ambiente de 25 25ºC ºC y 760 mm de Hg de presión. presión. Gradiente de potencial superficial del conductor, perpendicular a la superficie del conductor. conductor. SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (6) Gradiente de potencial superficial del conductor: conductor: Radio del conductor en cm Carga superficial C Cuando d se tiene ti un haz h d conductores de d t por fase, f é t puede éste d remplazarse por un solo conductor equivalente equivalente:: Radio del conductor equivalente equivalente.. Radio del subconductor. Distancia entre subconductores más cercanos cercanos. Numero de subconductores. SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (7) La atenuación total para el circuito completo es la suma de:: de • • • • • • Perdidas en el cobre coaxial entre el equipo de portadora y la unidad de acople acople.. Perdidas en el quipo de acople y sincronización sincronización.. Perdidas en las conexiones en puente puente.. Perdidas en los circuitos ramales ramales.. Perdidas debida a la baja j impedancia p presentada p p por una línea sin trampa trampa.. Perdidas debidas a la propagación simultánea sobre caminos i alternos. alternos lt . SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (8) El nivel i l de d transmisión i ió debe d b ser tall que asegure a lla entrada d del d l receptor una relación señal señal--ruido que este por encima del ruido producido por la línea en el valor igual de nivel mínimo de umbral, aprox.. 20 dB, mas el margen de operación. aprox operación. Para tensiones menores o iguales a 220 kV kV:: Para tensiones mayores y de 220 kV: kV: Donde: Donde: Señal--ruido para un buen tiempo Señal Relación señal señal--ruido deseado para mal tiempo tiempo.. SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (9) El nivel de transmisión debe calcularse, entonces entonces:: , Donde: Numero de canales vocales vocales. Numero de canales de señalización. Cuando se transmite la señal simultáneamente con la voz Numero de tonos de telemetría. Nivel de canal de voz. Nivel de tono de señalización. Nivel de tonos de telemetría. Nivel de señal de volts. Potencia del transmisor en Watts Resistencia del cable coaxial. SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (10) Cuando la línea es de una tensión muy elevada, elevada resulta muy costoso el sistema de acoplamiento, por lo tanto se emplea la línea de guarda como medio de transmisión de onda portadora y puede g y cortas cortas.. utilizarse en líneas largas Normalmente los cables de guarda se conectan a tierra, pero al puede utilizar en comunicaciones multicanales de conectarlo se p ancho de banda con la cual se logra un bajo costo por canal. canal. Algunas g ventajas j de este sistema son: • Los cambios debido al accionamiento de interruptores y la adición de líneas que no afecta la comunicación. comunicación. • Se facilita el uso de estaciones repetidoras en líneas largas largas.. • Se reducen las perdidas de potencia ocasionadas por inducción.. inducción SELECCIÓN DEL EQUIPO TRANSMISOR (11) Finalmente el nivel de potencia del transmisor esta dado por: Donde: Donde: Numero de canales vocales. Numero de canales de señalización señalización. Cuando se transmite la señal simultáneamente con la voz Numero de tonos de telemetría. Ni l de Nivel d canall de d voz. Nivel de tono de señalización. Nivel de tonos de telemetría. Nivel de señal de volts. Potencia del transmisor en Watts Resistencia del cable coaxial. ONDA PORTADORA VS HILO PILOTO Es la mejor y las más utilizadas líneas de AT. Es más confiables y más fáciles de aplicar. Completamente controlado por el usuario prácticamente sobre la base del equipo terminal. Económicamente más confiable, siendo utilizado por otros servicios al mismo tiempo, como teléfonos de emergencia y relés de control remoto operado. DIAGRAMA DE IMPEDANCIAS DEL EQUIPO TRANSMISOR (1) Obtención del lugar geométrico de la impedancia en condición de salida de sincronismo de la maquina. Demostración que el lugar geométrico de la impedancia vista por el relé de distancia es un círculo que tiene radio: P Para obtener bt este t resultado lt d partimos ti del d l siguiente i i t circuito: i it DIAGRAMA DE IMPEDANCIAS DEL EQUIPO TRANSMISOR (2) (1) (2) (3) (4) ( ) DIAGRAMA DE IMPEDANCIAS DEL EQUIPO TRANSMISOR (3) Diagrama circular de impedancia. impedancia. DIAGRAMA DE IMPEDANCIAS DEL EQUIPO TRANSMISOR (4) La ecuación (3) representa un círculo que tiene el centro en el sitio determinado por la resultante de los vectores. El radio tiene la magnitud del vector el cual d describe ib ell Circulo Ci l cuando d varia i de d 0 a 2*π 2*π . esta determinado por la ecuación (4). DIAGRAMA DE IMPEDANCIAS DEL EQUIPO TRANSMISOR (5) Del diagrama circular obtenemos que: Teniendo en cuenta: ¡Gracias por su atención!