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INTRODUCCIÓN
La realidad es que hoy en día la seguridad en los sistemas eléctricos de potencia ha cambiado, dando grandes saltos tecnológicos para proteger las redes eléctricas desde la generación hasta la distribución siendo cada vez estás más precisas a la hora de despejar una falla.
En este caso se refiriere a la protección de sobrecorriente, el relevador 50/51 que es una de las más usadas en los sistemas radiales de Medio Voltaje, colocándolos desde la salida de las subestaciones hasta los transformadores de baja potencia por ejemplo 4 MVA a niveles de distribución.
El presente artículo se basa en el desarrollo de una aplicación para la coordinación y calibración del relevador de protección de sobrecorriente 50/51, de tal manera permita observar las curvas de operación, que normalmente las realizan mediante softwares para el análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia y Coordinación de Protecciones Eléctricas, donde que en el mercado eléctrico no se encuentran con facilidad Softwares libres y no generar gastos adicionales.
Aportando con esto una herramienta que facilite a ayudar a la comunidad universitaria de la carrera de Ingeniería Eléctrica dado que busca una visualización gráfica de las curvas para la coordinación de los Relevadores 50/51.
[0, 1]
DESARROLLO
Flujograma de la aplicación informática
Al inicio se encuentra una ventana que permite ingresar en orden los datos de los relevadores, para posterior elegir el tipo de curva normalizada (ANSI/IEEE e IEC) para cada relevador [1] .
Posterior a la selección de la curva se procede a elegir los pasos, el dial se irá incrementando según este sea aumentado.
En el siguiente proceso se realiza la coordinación de los relés con sus respectivos tiempos de operación para luego ser comparados con el margen del tiempo de discriminación establecido previamente, si este tiempo no es el establecido se regresará al proceso de elección de los pasos y dial para cumplir nuevamente el proceso hasta que el diferencial de tiempo sea igual o mayor al tiempo de margen de discriminación [2].
A continuación, si el margen de discriminación se cumple guarda los datos de los relevadores para enviarlos a la tabla de resultados para ser observados.
Para el siguiente paso se dictamina si la calibración fue completada para proceder a ser graficadas las curvas ya coordinadas con los tiempos obtenidos, si no se cumple con la calibración completa, este debe redirigirse a reiniciar todo el proceso (ver Fig. 1).
Para empezar la calibración con el programa se debe tener calculado con anterioridad las corrientes nominales de los cargas que los relevadores las estén protegiendo y las corrientes de cortocircuito de las barras que se encuentran midiendo los relevadores, escoger la clase del TC y su relación para la respectiva medición en las líneas, ingresar las corrientes del Tap 1 y Tap 2, además el programa solicita la corriente del instantáneo 1 (I Inst 1) y la corriente del instantáneo 2 (I Inst 2); el tiempo de operación varía dependiendo del tipo de curva que se elige previamente y su dial, se grafica la curva en función de sus corrientes y Tiempos se calcula el tiempo de operación del instantáneo de los relevadores 1 (t1) a continuación se realiza el cálculo del tiempo (t 2) el cual es calculado con relación directa al instantáneo del relevador que se encuentra aguas abajo. Las restas entre los tiempos (t2 y t1) es el Delta T o el margen de actuación entre relevadores, se debe comprobar si el Delta T es mayor al tiempo de margen que se considere en el caso de realizar [3]. Si no cumple debe sumar un paso adicional al dial del relevador superior, se vuelve a calcular el tiempo (t2) para que cumpla la condición del tiempo de margen, sí cumple este requisito significa que las curvas se encuentran calibradas (ver Fig. 2).
De acuerdo a las normas establecidas para los relevadores de sobrecorriente se obtiene la tabla de constantes para cada tipo de curva inversa que intervienen en el funcionamiento de la aplicación informática como se muestra en la Tabla 1 [4].
Ventanas de trabajo
Para iniciar con el funcionamiento de la aplicación consta con 3 pestañas de trabajo las mismas que contienen la función de coordinar, resumen de los resultados obtenidos mediante tablas y las curvas de operación de los relevadores coordinados [3] [5] [6] [7].
Coordinación
En la primera pestaña de trabajo como se muestra en la Figura 3 permite el ingreso de los valores de cada relevador siendo estos coordinados de 2 en 2 para cumplir con la selectividad en la operación de los mismos tales que en esta pestaña pueden ser calibrados acorde a la selección de sus corrientes de operación o tipo de curva, con estos trabaja para obtener una buena coordinación de los tiempos entre cada curva de los relés asociados al sistema, permitiendo observar las modificaciones de las gráficas frente a la variación de los datos de entrada.
Resumen
Para la pestaña de resumen se encuentra 2 tablas, la primera siendo la tabla de los relevadores en la cual constan las corrientes de operación del instantáneo, del inverso y la de falla junto con los voltajes a los cuales se encuentran conectadas las barras a proteger y la corriente que se encuentra en el primario del TC además de las curvas con la cual se coordinó junto a los diales y tiempo de operación de los instantáneos ; ya en la segunda tabla constan los datos de los transformadores que se encuentran dentro del sistema radial (ver Fig. 4) [8].
Grafica de Resumen
En esta última pestaña se visualiza las gráficas de todas las curvas de los relevadores coordinados en el sistema obteniendo los tiempos de operación y las corrientes (A) de arranque de cada curva reflejadas a un voltaje deseado en kV (ver Fig. 5).
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Para validar el programa propuesto se lo realizó por medio de un caso práctico resuelto mediante las ecuaciones de características de tiempo inverso para los relevadores de sobrecorriente según la norma IEEE C37.112-2018, además de también validar los resultados obtenidos mediante el software LSPS de la compañía LSElectric empresa que se dedica a la comercialización de equipos para la protección eléctrica ante sobrecorrientes [1] [9].
Siendo de tal forma que se compara el porcentaje de variación de los resultados obtenidos en el cálculo manual y el software LSPS con respecto a la aplicación desarrollada en Matlab r2019a con el nombre de CPSElectric, tomando como partida el esquema (ver Fig. 6) del ejercicio 5.2 propuesto en el libro “Protection of Electricity Distribution Networks 2nd-Edition IEE-Power and Energy Series” y variando solamente el tipo de curva propuesto en el libro por la curva IEC normal inversa manteniendo el tiempo de discriminación igual a 0,4 segundos.
Para los relés de falla a tierra, el ajuste de activación se determina teniendo en cuenta el desequilibrio máximo que existe en el sistema en condiciones normales de funcionamiento.
El margen de desequilibrio típico es del 20%, por lo que la expresión en la ecuación (4) se convierte en
En las líneas de transmisión de AV, la tolerancia por desequilibrio podría reducirse al 10%, mientras que en los alimentadores de distribución rural el valor podría llegar al 30%.
Las curvas de operación para las fallas monofásicas son idénticas a las fallas trifásicas con una diferencia solo en el tiempo de operación que empieza al 20% de la corriente nominal desplazándose hacia la izquierda y operando antes de las fallas trifásicas.
Resultados del cálculo manual
Una vez identificado el ejercicio base se lo resuelve mediante las ecuaciones descritas, a continuación, para obtener cada uno de los resultados a ser comparados [1].
Se empieza con el cálculo de corrientes nominales para cada relevador que se encuentra en el sistema, los cuales se considera las cargas que estos las encuentran analizando.
Cálculo de las corrientes de Falla o de corto circuito de cada Barra para delimitar por zonas, estas corrientes son utilizadas para la selección de los TCs dependiendo de la clase que se vaya a utilizar para cada relevador.
La Corriente del TAP es la corriente pick up reflejada al secundario del TCs.
La corriente de pick up es la corriente mínima de operación de cada curva.
La Corriente del Isc es la corriente pick up del Instantáneo reflejada al secundario del TCs.
La corriente de pick up del Instantáneo es la corriente de operación del instantáneo para cada uno de los relevadores.
Cálculo del tiempo de operación para cada curva este tiempo depende de las constantes de cada tipo de curva y de la relación de corrientes como son la corriente del Instantáneo o falla y de la corriente del TAP.
Analizar qué tipo de dial se necesita para las curvas con la siguiente ecuación.
Por lo cual se obtiene los resultados demostrados en la Tabla 2 y 3, expresa los valores para cada parámetro entregado por el programa CPSElectric para posterior ser comparado respecto a las variables de entrada.
Resultados del software LSPS
Se realiza el mismo ejercicio práctico en el software libre LSPS para crear una tabla de resultados con los valores obtenidos mediante la ejecución del caso práctico que posterior permita realizar una comparación entre ellos y verificar cuanto es la variación máxima que se llega a obtener ya que este software al ser ya aprobado por una compañía multinacional, sirve para dar una mayor veracidad al momento de comparar los resultados obtenidos en el presente trabajo (Tabla 4) [9].
Resultados de la aplicación CPSElectric
En la ejecución del programa se obtiene valores muy similares en los tiempos de los demás procesos realizados tanto manual como computacional para la coordinación de los relevadores presentes en el sistema, en las Tablas 6 y 7 se pueden observar los resultados obtenidos mediante el programa CPSElectric desarrollado en el presente artículo.
Análisis de la variación de los resultados entre los 3 métodos de resolución desarrollados
Para la Tabla 8 se observa los tiempos obtenidos mediante cada método de resolución desarrollados para ser comparados entre si con el objetivo de verificar su variación en el tiempo de operación ya que en los 3 métodos solo estos son los resultados que varían.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
A comparación con el programa LSPS, la aplicación CPSElectric, no es necesario el cálculo del tiempo diferencial (Tiempo Delta) entre las curvas ya que en esta aplicación este valor se lo puede observar reflejado en la pantalla conforme a la variación del dial.
La aplicación CPSElectric al trabajar con todos los decimales dentro de su cálculo es más precisa que el programa LSPS en el momento de arrojar los resultados finales con un error de 0.0496% contra a su similar de 0.6570%.
Al realizar las comparaciones entre los programas LSPS y CPSElectric se visualiza que el porcentaje de error entre los tiempos obtenidos es menor a un error admisible de 3% teniendo un porcentaje de 0.6479% entre las aplicaciones.
Por medio de Matlab se puede realizar aplicaciones que faciliten el trabajo en el área de la Ingeniería con resultados favorables.
A la hora de ejecutar la aplicación informática se lo debe realizar por medio de Matlab R2019a o versiones futuras ya que la programación de la aplicación está realizada con las nuevas funciones que otorga esta herramienta de programación enfocada a la ingeniería.
La aplicación informática solo debe ser usada para coordinar la protección de sobrecorriente 50/51 en sistemas radiales.
Para la selección de diferentes curvas de los relés dentro de un sistema, se debe tomar en cuenta que estas no poseen un margen de discriminación del tiempo menor al estipulado entre las curvas.
AGRADECIMIENTOS
Un sincero agradecimiento a nuestro tutor Ing. MSc. Xavier Alfonso Proaño Maldonado por el apoyo brindado en el presente artículo, además compartiendo su conocimiento guiándonos como buenos profesionales.
A nuestros Padres por el apoyo incondicional brindado en el transcurso del ciclo académico y el inicio de nuestra vida profesional.
