Comunicación presentada al VII Congreso Smart Grids
Autor
- Aitzol García, Ingeniero de Aplicación, ZIV
Resumen
Se presenta el principio de operación de un nuevo algoritmo basado en valores instantáneos de tensión y corriente de neutro, para detectar Faltas a Tierra Transitorias, contrastado con simulaciones en RTDS y casos reales de faltas en campo. La corta duración de la falta (entre 2 y 10 ms), la alta frecuencia de la señal y el estado transitorio de la falta una vez ha desaparecido, hacen que las unidades de sobreintensidad direccional convencionales (basadas en la Transformada de Fourier o similar) no determinen correctamente la dirección de la falta. El nuevo algoritmo trabaja a 4800 muestras/s (detectando correctamente la señal de alta frecuencia) con el primer semiciclo de señal, por lo que es independiente de la duración de la falta y del estado transitorio que aparece después de la falta.
Palabras clave
Falta Transitoria, Alta Frecuencia, Valores Instantáneos, Potencia residual Aparente/Activa, Detección Direccional.
Introducción
En la red de Distribución de Media Tensión, las faltas Transitorias son muy comunes en sistemas de Neutro Aislado o Neutro Compensado donde la corriente de falta a tierra es tan baja que las faltas se auto extinguen en unos pocos ms (cuando la corriente pasa por su valor 0), volviendo a aparecer cuando la tensión alcanza su valor máximo (valor de pico).
A su vez, las faltas Intermitentes aparecen en cables cuyo aislamiento se ha degradado a causa de la humedad. La corriente de falta seca y sella el aislamiento produciendo la extinción de la falta en unos pocos ms (muy a menudo en menos de medio ciclo de frecuencia fundamental). El aislamiento puede fallar de nuevo, tan pronto como la tensión de la fase en falta alcanza su máximo valor, haciendo que la falta aparezca de nuevo.
El estado transitorio de faltas Intermitentes y Transitorias es una señal de alta frecuencia, producida por la descarga de la capacidad del sistema, superpuesta a la señal de componente fundamental de frecuencia del sistema (50/60 Hz).
El estado permanente de la falta es únicamente una señal de frecuencia fundamental, pero se produce en contadas ocasiones debido a la corta duración de la falta. Una vez que la falta desaparece, se produce un nuevo transitorio debido al intercambio de energía (corriente) entre la capacidad y la inductancia del sistema.
Como se aprecia en la figura 1, la corriente de neutro del alimentador en falta está en contrafase (aproximadamente 180º) con la corriente de neutro del alimentador sano, durante el tiempo que dura la falta. La razón se muestra evidente en la figura 2. Teniendo en cuenta que la frecuencia del transitorio de la falta es muy elevada, la impedancia que presenta la puesta a tierra del transformador será igualmente alta, debido a que la reactancia es directamente proporcional a la frecuencia (X = 2*ꙥ*F*L). Además, en el tiempo que dura el transitorio de la falta (alta frecuencia), la corriente que aporta la puesta a tierra (IG) se ha incrementado muy poco, ya que al ser una señal de frecuencia fundamental (50/60 Hz), alcanzará su valor máximo en ¼ de ciclo de frecuencia fundamental. En definitiva, la corriente que lee el relé del alimentador sano (IH), durante el transitorio de la falta, será “aproximadamente” la misma que la que lee el relé del alimentador en falta (IF), pero invertida, debido a la polaridad de los transformadores de corriente de ambos alimentadores.
Una vez que la falta desaparece, la inductancia del sistema descarga la corriente de neutro almacenada en forma de campo electromagnético, produciendo la carga de la capacidad del sistema (tanto del alimentador sano como del alimentador que estaba en falta). Finalizada la descarga de la inductancia, comienza la descarga de la capacidad, que produce, de nuevo, la carga de la inductancia. Este intercambio de corriente (energía), a la frecuencia de resonancia del sistema (Fr = 1 / [2*ꙥ* (L*C)1/2]), se va amortiguando debido a la resistencia que presenta el sistema. En cualquier caso, lo verdaderamente relevante para la detección de la falta, es que los relés de ambos alimentadores verán la corriente de neutro del sistema en fase, por lo que en este periodo (transitorio después de la falta) no será posible determinar el alimentador que estaba en falta (la magnitud de la corriente de neutro, en este periodo transitorio, depende de la capacidad de los alimentadores, por lo que tampoco servirá como indicador para determinar el alimentador en falta).
La primera conclusión del análisis realizado hasta este punto es que los relés de los alimentadores deben determinar la situación de falta transitoria o intermitente, en el primer periodo transitorio de la falta ya que, debido a la duración de la falta, el régimen permanente no existirá en la mayor parte de los casos, y el periodo transitorio después de la falta no permite discernir el alimentador en falta.
Otros factores a considerar en la detección de faltas transitorias son la capacidad del sistema y la resistencia de falta. En el primer caso, el aumento de la capacidad del sistema hará que disminuya la frecuencia del periodo transitorio, aumentando la magnitud de corriente. En el segundo caso, a mayor resistencia de falta mayor será el amortiguamiento del periodo transitorio (puede quedar reducido a un mero pulso), y menor su magnitud de corriente.
La corta duración del periodo transitorio (entre 2 y 5 ms), y la alta frecuencia de la señal, que varía según los parámetros del Sistema (entre 200 y 1667 Hz en las simulaciones realizadas en este estudio), son condiciones que complican mucho la correcta detección de la falta a las unidades de sobreintensidad direccional de neutro convencionales. Estas unidades, basadas en algoritmos como la Transformada de Fourier (DFT) o similar, bajo estas condiciones, no tienen suficiente precisión para determinar correctamente si el alimentador protegido está en falta, o se trata de un alimentador sano.
Método y enfoque
La unidad de faltas a tierra transitorias basada en valores de muestras instantáneas de tensión de neutro (VN_s) y corriente de neutro (IN_s), es un nuevo algoritmo, que manteniendo el mismo principio de operación que las unidades convencionales de sobreintensidad direccional de neutro (comparación de la magnitud de la corriente de neutro con un nivel ajustable por el usuario, y comparación del ángulo entre la corriente y la tensión de neutro, con el ángulo característico ajustado por el usuario), trabaja con el primer semiciclo de la señal, por lo que es independiente de la duración de la falta y del estado transitorio que aparece después de la falta. Por otro lado, la frecuencia de muestreo de 4800 Hz con la que trabaja la unidad, le provee de suficiente resolución para detectar correctamente la señal de alta frecuencia de la falta.
El campo de aplicación del estudio de esta unidad incluye todo tipo de sistemas donde se produzcan faltas a tierra intermitentes o transitorias, es decir, sistemas de alta impedancia con alta capacidad en alimentadores, como sistemas de neutro aislado, neutro compensado, neutro resistivo, inductivo, o una combinación de ambos. Algunos de los valores con los que se ha realizado el estudio son los siguientes: 12+2j Ohm, 2j Ohm, 35j Ohm, 70j Ohm, 120 + 35j Ohm).
Adicionalmente, la unidad de faltas a tierra transitorias basada en valores de muestras instantáneas, presenta un comportamiento correcto ante faltas permanentes que superen el arranque de la unidad.
El principio de operación de la unidad se basa en el cálculo instantáneo de la magnitud de corriente de neutro, que superado el nivel ajustado por el usuario será la primera condición que se debe cumplir para la detección de la falta.
Una vez superado el umbral de corriente, la unidad debe aplicar el criterio direccional para determinar si la falta se encuentra en el alimentador protegido (dirección) o en otro alimentador del sistema (contradirección). Como referencia del criterio direccional (magnitud de polarización) se toma la tensión de neutro (VN) ya que es la misma magnitud tanto para el alimentador en falta como para los alimentadores sanos. Como se ha mostrado en los puntos anteriores, la corriente de neutro (IN) del alimentador en falta está aproximadamente en contradirección con la corriente de neutro de los alimentadores sanos, por lo que el “ángulo” (desfase) entre la corriente y la tensión de neutro en el alimentador en falta será aproximadamente 180º mayor que el desfase entre la corriente y la tensión de neutro de los alimentadores sanos.
Como característica direccional de la unidad se toma un plano cuya referencia (desfase 0) es la tensión de neutro (VN). Dicho plano queda limitado por dos rectas (ajustables por el usuario) que definirán la zona de operación de la unidad (dirección), y la zona de bloqueo de la unidad (contradirección). El desfase entre IN y VN determinará si la falta está en dirección o contradirección.
El cálculo del desfase (“ángulo”) entre IN y VN se basa en el cálculo del ángulo de la potencia residual aparente (Sr), que de forma análoga al cálculo de fasores, se puede definir como: ANG_VN_IN = arc tg (Qr/Pr) = arc cos (Pr/Sr), siendo Pr y Qr la potencia residual activa y reactiva respectivamente, y Sr la potencia residual instantánea del primer semiciclo de la corriente de falta.
Por simplicidad en la implementación, se ha elegido ANG_VN_IN = arc cos (Pr/Sr) donde:
Sr = [Max (VN * IN) – Min (VN * IN)] / 2
Pr siendo n el número de muestras del primer semiciclo de la corriente de falta.
Al definir ANG_VN_IN = arc cos (Pr/Sr), el signo de Pr determinará el semiplano en el que se encuentra IN.
Si Pr > 0 entonces IN estará en el mismo semiplano que VN (cuadrantes 1 y 4).
Si Pr < 0 entonces IN estará en el mismo semiplano que -VN (cuadrantes 2 y 3).
Para determinar si IN se encuentra en el semiplano de los cuadrantes 1 y 2, ó en el semiplano de los cuadrantes 3 y 4, se calcula el signo de VN_pico * IN_pico (valores de pico de VN e In respectivamente), y el desfase relativo aproximado entre VN_pico * IN_pico.
Si VN_pico * IN_pico < 0 & IN_pico adelanta a VN_pico, entonces IN estará en el semiplano de los cuadrantes 3 y 4.
Si VN_pico * IN_pico < 0 & IN_pico se retrasa respecto a VN_pico, entonces IN estará en el semiplano de los cuadrantes 1 y 2.
Si VN_pico * IN_pico > 0 & IN_pico adelanta a VN_pico, entonces IN estará en el semiplano de los cuadrantes 1 y 2.
Si VN_pico * IN_pico > 0 & IN_pico se retrasa respecto a VN_pico, entonces IN estará en el semiplano de los cuadrantes 3 y 4.
Resultados
Los resultados obtenidos muestran un cierto error en el cálculo del desfase entre IN y VN, debido principalmente a los cálculos realizados con el primer semiciclo de señal de la corriente de falta. La superposición de la componente fundamental de la corriente de falta (50/60 Hz) con la señal de alta frecuencia produce un desplazamiento de ésta última, de modo que el semiciclo de señal obtenido es mayor que el semiciclo real de la señal. Este error se traduce en el error de desfase entre IN y VN.
En cualquier caso, a pesar del error de desfase, los resultados obtenidos se encuentran en el mismo cuadrante que los resultados teóricos, por lo que permiten ajustar la característica direccional de modo que la unidad opere correntamente en todos los casos estudiados de las dintintas puestas a tierra del sistema.
A continuación, se muestran los valores del desfase entre VN e IN obtenidos en este estudio. Se ha simulado una capacidad paralela de aproximadamente 16 uF, incluyendo casos con resistencia de falta desde 0.1 Ohm hasta 20 Ohm.
Conclusiones
En la red de Distribución de Media Tensión, las faltas Transitorias son muy comunes en sistemas donde la corriente de falta a tierra es tan baja que las faltas se auto extinguen en unos pocos ms, volviendo a aparecer cuando la tensión alcanza su valor máximo.
La corta duración del periodo transitorio de las faltas (entre 2 y 5 ms), y su alta frecuencia de señal, que varía según los parámetros del Sistema (entre 200 y 1667 Hz en las simulaciones realizadas en este estudio), son condiciones que complican mucho la correcta detección de la falta a las unidades de sobreintensidad direccional de neutro convencionales. Estas unidades, basadas en algoritmos como la Transformada de Fourier (DFT) o similar, bajo estas condiciones, no tienen suficiente precisión para determinar correctamente la dirección de la falta.
La unidad de faltas a tierra transitorias basada en valores de muestras instantáneas, es un nuevo algoritmo que trabaja con el primer semiciclo de la señal, por lo que es independiente de la duración de la falta. Por otro lado, la frecuencia de muestreo de 4800 Hz con la que trabaja la unidad, le provee de suficiente resolución para detectar correctamente la señal de alta frecuencia de la falta.
Los resultados del estudio confirman que el campo de aplicación de esta unidad incluye todo tipo de sistemas donde se produzcan faltas a tierra intermitentes o transitorias, es decir, sistemas de alta impedancia con alta capacidad en alimentadores, como sistemas de neutro aislado, neutro compensado, neutro resistivo, inductivo, o una combinación de ambos. Adicionalmente, la unidad de faltas a tierra transitorias basada en valores de muestras instantáneas, presenta un comportamiento correcto ante faltas permanentes que superen el arranque de la unidad.
Agradecimientos
A la inestimable colaboración de Hugo Mantilla (aula ZIV en la Escuela de Ingeniería de Bilbao – Universidad del País Vasco) en la simulación en RTDS del modelo de red, y a la siempre apreciada colaboración y guía de Roberto Cimadevilla en calidad de director del depto. de Aplicación de ZIV-SAS.
Referencias
- Cui, X. Dong, Z. Bo and A. Juszczyk, “Hilbert-Transform-Based Transient/Intermittent Earth Fault Detection in Noneffectively Grounded Distribution Systems”, 2011 IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 26, NO. 1, Enero 2011.
- Altonen, O. Mäkinen, K. Kauhaniemi and K. Persson, “Intermittent Earth Faults – Need to Improve The Existing Feeder Earth Fault Protection Schemes”, CIRED 17th International Conference on Electricity Distribution, Mayo 2003.
- Schneider Electric, “Intermittent Transient Earth Fault Protection”, AN200.EN004_A, Septiembre 2018.
- Pitot, N. Vassilevsky, K. Venkataraman, C. P. Teoh, “Wattmetric Earth Fault Protection Innovation for Compensated Distributio Networks”, CIRED 23rd International Conference on Electricity Distribution, June 2015.
- Roberts, D. Hou, F. Calero and H.J. Altuve, “New Directional Ground-Fault Elements Improve Sensitivity in Ungrounded and Compensated Networks”, Sweitzer Engineering Laboratories. USA, 2001.
- RTDS Technologies.