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CIENCIA UANL / VOL. X, No. 4, OCTUBRE-DICIEMBRE 2007 433

* FIME-UANL, A.P. 36-F, CU, CP 66450, San Nicolás de los

Garza, Nuevo León, México ([email protected]).

ARTURO CONDE ENRÍQUEZ*

La aplicación de relevadores desobrecorriente de tiempo inver-so en redes eléctricas presentaserias limitaciones desensitividad y tiempos elevadosde operación para corrientesmínimas de fallas. El incremen-to desproporcionado de la den-sidad de carga y la escasa cons-

trucción de líneas de subtransmisión y distribuciónprovocan que los sistemas eléctricos sean someti-dos a condiciones más severas de cargabilidad. Elajuste de un relevador de sobrecorriente es mayor-mente comprometido, debido a que los valoresmínimos de corriente de falla y ajuste del relevadorson comparables, dificultando la correcta detecciónde la falla. Una falla en condiciones de mínima de-manda representa una aportación menor de corrien-te; precisamente en esta condición se requiere ma-yor sensitividad en la protección. Sin embargo, elajuste de la corriente de arranque del relevador seefectúa usando los valores máximos de corriente decarga (pocos minutos por día) y en las configuracio-nes críticas de la red donde el relevador pueda dis-

parar por carga, como en operaciones de transferen-cia de potencia (esquemas de emergencia). Enton-ces, el ajuste de la corriente de arranque se establecedurante escenarios poco frecuentes o de corta dura-ción, teniendo como resultado una insensibilizaciónmayor de la protección.

Otra limitación de la protección desobrecorriente son los elevados tiempos de respal-do para fallas no máximas. El criterio de coordina-ción se determina para los valores máximos de co-rriente de falla (3-5% del total de fallas) y durantecondiciones máximas de demanda (sólo unos cuan-tos minutos al día), debido a la convergencia de lascurvas de tiempo para valores mayores de corriente.Para las fallas restantes, que son las más frecuentes,el tiempo de operación del relevador es mayor. Estecomportamiento es propio de los relevadores desobrecorriente y se ha comprobado que es adecua-do para la protección de sistemas eléctricos dondees frecuente y temporal su operación sobre los valo-res nominales. Esta situación no es tan convenientecuando se presenta en la protección de respaldo;por la naturaleza misma del relevador desobrecorriente resultan elevados los tiempos deoperación, sometiendo al sistema a tolerar corrien-tes que provocan esfuerzos térmicos y mecánicos quepudieran evitarse. La limitación de tiempo se acen-

Desarrollo de un relevador de sobrecorrienteDesarrollo de un relevador de sobrecorrienteDesarrollo de un relevador de sobrecorrienteDesarrollo de un relevador de sobrecorrienteDesarrollo de un relevador de sobrecorrientecon capacidades dinámicas de ajustecon capacidades dinámicas de ajustecon capacidades dinámicas de ajustecon capacidades dinámicas de ajustecon capacidades dinámicas de ajuste

El presente artículo está basado en la investigación ″Desarro-llo de un relevador de sobrecorriente con capacidades dinámi-cas de ajuste″, galardonada con el Premio de InvestigaciónUANL 2007 en la categoría de Ingienería Tecnología, otorga-do en sesión solemne del Consejo Universitario de la UANL,en septiembre de 2007.

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DESARROLLO DE UN RELEVADOR DE SOBRECORRIENTE CON CAPACIDADES DINÁMICAS DE AJUSTE

túa cuando el dispositivo primario tiene una curvade tiempo con diferente grado de inversión que ladel relevador de respaldo.

Se han propuesto diferentes métodos de coordi-nación.1-3 Todos los métodos son dependientes decanales de comunicación para actualizar los ajustes,es necesario considerar los factores económicos in-volucrados. En redes aisladas (rurales) o en redesaltamente interconectadas, donde no es viable im-plementar una estrategia mediante canales de comu-nicación, es posible realizar el ajuste automático delrelevador, utilizando la corriente local e informa-ción fuera de línea del dispositivo de protecciónprimario. El relevador propuesto no requiere dealgún medio físico de comunicación. El proceso decoordinación es automático e independiente de fu-turos cambios en el sistema (tales como cambiostopológicos, de generación y carga).

En este trabajo se propone un relevadoradaptativo de sobrecorriente de tiempo inverso. Estecriterio de protección de fase puede aplicarse tantoen sistemas de potencia como en sistemas indus-triales. Los objetivos principales del relevadoradaptativo son: incrementar la sensibilidad delrelevador para corrientes mínimas de falla durantecondiciones de baja demanda. Segundo, determi-nar una función de tiempo que asegure la opera-ción de respaldo con un retardo constante de tiem-po relativa al dispositivo primario para cualquiervalor de corriente de falla.

Los beneficios del relevador propuesto son: lacorriente de arranque depende de la magnitud de lacorriente de carga, resultando en mayor sensibili-dad de la protección cuando más lo requiere; el tiem-po de respaldo es independiente de la magnitud dela corriente de falla, resultando en menor tiempode respaldo que en relevadores convencionales.

Limitaciones del relevador de sobrecorriente

La protección de sobrecorriente emplea la corrien-te como único indicador de la ubicación de la falla.Sin embargo, la corriente de falla depende del vol-taje de prefalla y la impedancia de Thevenin en elpunto de falla. Esto provoca que el relevador desobrecorriente tenga un alcance dinámico, depen-diente de la magnitud de la corriente de falla, pre-

sentando menor sensibilidad durante mínima de-manda y en fallas bifásicas. Por otra parte, la co-rriente máxima de carga puede ser similar en magni-tud a la corriente mínima de falla; esto dificulta lacorrecta discriminación entre el estado normal deoperación y la condición de falla.

Otro problema en la protección de sobrecorrienteson los elevados tiempos de respaldo para corrien-tes mínimas de falla; esta limitación es originadapor la corriente de carga (altos valores de arranque)y la divergencia natural de las características de ope-ración de los relevadores. Asimismo, cuando lasprotecciones primaria y de respaldo tienen tipos decurvas diferentes, es difícil conseguir una coordina-ción adecuada.

Una solución a las limitaciones de relevadoresde sobrecorriente es aplicar criterios adaptativos. Eneste artículo se propone una estructura de unrelevador adaptativo de sobrecorriente, éste se com-pone de dos elementos: corriente adaptativa dearranque y tiempo adaptativo de operación.

Corriente adaptativa de arranque

Se propone un ajuste dinámico de la corriente dearranque en función de la demanda de corriente:

(1)

donde Ik es la corriente del sistema eléctrico, ∆I re-

presenta un margen de seguridad, con un valor pro-puesto de 15% del valor máximo de la corriente decarga, y N debe ser seleccionado de tal manera queel intervalo N x ∆t (periodo de muestreo) tenga unaduración de entre uno y varios minutos, similar alos integradores de demanda usados en medidoreseléctricos.

La ecuación (1) asegura que el relevador tenga entodo momento la corriente de arranque mínimanecesaria para evitar una operación incorrecta, de-bido al efecto de la carga. Esto provee mayor sensi-bilidad, porque el valor de I

a es también pequeño

durante condiciones mínimas de carga.La lógica de control de la corriente de arranque

tiene la tarea de mantener constante Ia durante una

falla. Si la línea es desenergizada, la lógica de con-


ARTURO CONDE ENRÍQUEZ

trol asigna un valor máximo Ia

max, el cual puede sersimilar al ajuste de un relevador convencional en lamisma ubicación del adaptativo. Durante un inter-valo completo de demanda, el valor I

a se da en el

relevador al final del intervalo previo de demanda.La acción de filtrado pasa-bajos inherente en el con-cepto de demanda simplifica la lógica del relevadoradaptativo.

Durante incrementos súbitos de la corriente decarga (transferencia de potencia o conexión de car-ga), el relevador tiene una lógica de detección defalla en orden de supervisar I

a. Esta lógica incluye

una verificación de la corriente de secuencia negati-va y secuencia positiva, ambos combinados en unalógica OR. El detector de secuencia negativa es pro-puesto para detectar fallas bifásicas.4 En redes debajo voltaje, la corriente de secuencia negativa origi-nada por fallas bifásicas es mayor que la corriente desecuencia negativa originada por desbalances, per-mitiendo un buen ajuste. El detector de secuenciapositiva se propone para detectar fallas trifásicas, éstetiene el mismo ajuste que un relevador convencio-nal de fase. Por tanto, esta lógica discrimina entreincrementos súbitos de carga y fallas (simétricas oasimétricas).

El desempeño de la lógica de detección de fallase analiza en la red eléctrica de la figura 1a. La se-cuencia de operación simulada consiste en tres esce-narios: desbalance en estado estable, corto circuitobifásico en la línea adyacente al Rele A y disparo dela línea fallada (transferencia de potencia). Se anali-za el desempeño del Rele A; este relevador debe tole-rar la condición de desbalance, respaldar la falla enla línea adyacente, y no dispara para transferencia depotencia. Durante el desbalance severo en estadoestable (25%),5 el algoritmo no emite salida, tole-rando esta condición; para esta simulación se ajus-tó el detector a 80 A.4 Durante la falla, se tiene unvalor apreciable de corriente de secuencia negativaI

2 vista por el Rele A, permitiendo una detección y

respaldo efectivo. En la última secuencia, el disparode la línea 1 provocará una transferencia de poten-cia I

1 en el Rele A. Esta condición debe ser tolerada

por el relevador, permitiendo la alimentación a lacarga. El ajuste del detector de fallas simétricas fuesimilar al de un relevador de sobrecorriente conven-cional.5 Durante esta condición, la salida del detec-

tor de falla propuesto no está presente, tendiendoun desempeño satisfactorio.

Con el incremento de sensitividad (reducciónde la corriente de arranque), el tiempo de opera-ción del relevador de sobrecorriente se reduce. Elefecto se ilustra en la figura 2. Este comportamien-to es benéfico, especialmente en el tiempo de ope-ración de la protección de respaldo, pero existe unriesgo de pérdida de coordinación. Una soluciónes la adaptación del tiempo de operación.

Tiempo adaptativo de operación

La función básica de la adaptación de tiempo essatisfacer, para cualquier valor de corriente de falla:

donde TR es el tiempo de operación de la protec-

ción de respaldo, TP es el tiempo de operación de

la protección primaria, en función de la corrientede operación IP, y CTI es el intervalo de coordina-ción.

El propósito del proceso de adaptación es de-terminar una función de tiempo adaptativa, la cualdefina el tiempo de operación del relevador de res-paldo con un retardo de tiempo constante, relati-vo a la protección primaria, para cualquier valor decorriente de falla.

Debido a la corriente de carga, el tiempo de res-paldo se incrementa para valores mínimos de co-rriente de falla, aunque ambos relevadores tenganla misma curva. Si la función de tiempo T

R se de-

termina con base en la expresión analítica de la cur-va de tiempo de la protección primaria evaluadacon la corriente de arranque de la misma protec-ción más el intervalo de coordinación (ver figura3), se tiene el cumplimiento de (2) para valores defalla constante y variable.

La expresión adaptativa del relevador se obtienede (2). La corriente de operación (Ip) se determinacon la corriente de arranque de la protección pri-maria (Ip=I

k/Ip

a). La función de tiempo adaptativa

es:(3)

(2)



Cuando la característica de la protección prima-ria se conoce, T

P(IP)puede sustituirse directamente

en (3). Cuando la ecuación de tiempo se descono-ce, pero la gráfica está disponible, es posible obte-ner pares de valores (I, T) y usar un programa deajuste de curvas fuera de línea para obtener T

P(IP).6-

8 Si la protección primaria es un fusible, únicamen-te se necesita la curva de tiempo máximo de libera-ción; si la protección primaria es un restaurador, esnecesaria la curva de tiempo y el ajuste de arranque.

La expresión analítica del relevador propuestose obtiene de la sustitución de (3) en (2). La repre-sentación del estado dinámico del relevador desobrecorriente, si se utiliza la función adaptativa detiempo, es:

b)

Fig. 1. Evaluación de la lógica de detección de falla propuesta.

Fig. 2. Efecto de la corriente adaptativa de arranque en el tiem-

po de operación.

Para condiciones de protección de líneasmultiterminales (Rele A en la figura 1a), la caracterís-tica de operación del relevador es definida por laprotección primaria más lenta.

Fig. 3. Curva de tiempo propuesta.

Estructura funcional

El diagrama funcional del relevador adaptativo desobrecorriente propuesto se muestra en la figura 4.El relevador adaptativo se compone, básicamente,de dos elementos adaptativos: corriente adaptativade arranque, para incrementar la sensibilidad delrelevador; y tiempo adaptativo de operación, paragarantizar un retardo constante en la operación delrelevador, independientemente de la magnitud decorriente de falla. La función principal del bloquede corriente adaptativa de arranque es detectar lafalla. La corriente de arranque se determina de (1) yrestringida por el ajuste de un relevador convencio-nal I

a

max . La señal (T/F) es formada en la salida; si lafalla ha sido detectada (I

k>I

a) se emite la señal T y la

condición de arranque es declarada; se inicia enton-

a)(4)



ces el proceso de integración en el elemento de tiem-po (4). La señal F es una condición de bloqueo parala operación del relevador.

El bloque de tiempo adaptativo de operacióncalcula el valor de la función H(Ip) presentada en(4). La integración de T

p emula la dinámica de ope-

ración de la protección primaria. El intervalo detiempo de coordinación CTI (0.3 s) se adiciona paraasegurar la coordinación entre el relevador adaptativoy el dispositivo primario. Si el elemento de corrien-te emite la señal permisiva T; la señal de salida delbloque de tiempo adaptativo es integrada por el ele-mento de tiempo. Este proceso de integración esta-blece la dinámica de operación del relevador en pre-sencia de corrientes de falla variables. Finalmente,en el elemento de salida, la condición de disparo severifica y la señal de salida se envía al circuito dedisparo del interruptor.

El tiempo de operación del relevador adaptativodebe establecerse como una función de la curva detiempo del dispositivo primario. Existe, entonces,una independencia entre el tiempo de operacióndel relevador adaptativo (dependiente del tiempode operación de la protección primaria), y la co-rriente de arranque (determinada según (1) y actuan-do únicamente como detector de falla). La corrien-te de arranque depende de la condición de carga,permitiendo un incremento en la sensibilidad. Me-diante el proceso de adaptación del tiempo de ope-ración se obtiene una coordinación automática delrelevador adaptativo con el dispositivo de protec-ción primario. No es necesario realizar ningún pro-cedimiento para su coordinación, aun cuando sepresenten cambios en las condiciones de operacióndel sistema eléctrico, tales como: cambios topoló-gicos, de generación y carga; que modifiquen lamagnitud de la corriente de cortocircuito. Esto seobserva en la figura 3, donde al incrementarse elvalor de corriente de cortocircuito el intervalo decoordinación, según el criterio propuesto (4), se man-tiene.

Durante una falla (trifásica o bifásica), la corrien-te de arranque del relevador adaptativo vigente sedetermina en el periodo anterior del cálculo de de-manda, por tanto, la condición de falla es declaraday la función de tiempo es activada (figura 4).

Se presentan dos alternativas de operación endependencia, si la corriente de arranque del relevadoradaptativo es menor a la corriente de arranque delrelevador primario. En la primera alternativa, lacorriente de arranque del relevador adaptativo ten-drá un límite mínimo, la corriente de arranque deldispositivo primario; entonces, aun cuando elrelevador adaptativo detecte la falla, el múltiplo dela corriente de arranque será menor que 1.0 y laoperación no se efectuará. En la segunda alternati-va, la corriente de arranque del relevador adaptativono tendrá límite inferior, por tanto, será factible laoperación del relevador adaptativo en condicionesdonde el dispositivo primario no tenga sensibilidad,esta condición no representa una pérdida de coor-dinación; la falla entonces sería liberada por elrelevador adaptativo.

Para efectuar el proceso de coordinación es nece-sario obtener la expresión analítica de la curva detiempo de la protección primaria, ya sea fusible,relevador electromecánico o restaurador, incluyén-dola en la expresión dinámica del relevadoradaptativo. No es necesario remover los dispositi-vos de protección existentes. La presencia delrelevador adaptativo propuesto ofrece mayores po-sibilidades de solucionar problemas de sensibilidady coordinación entre dispositivos de protección.

Conde et al.9 presentan la coordinación entre unaserie de relevadores de sobrecorriente (relevadoradaptativo entre relevadores convencionales). Lacoordinación entre una serie de relevadoresadaptativos se efectúa respetando el principio des-crito, cada relevador tendrá la expresión analíticadel relevador primario más CTI. Este proceso noimplica tiempos elevados de operación para la seriede relevadores, porque el efecto de la corriente de

Fig. 4. Diagrama funcional del relevador adaptativo de tiempo

inverso.



carga es minimizado. La Ia

max para cada relevador esdeterminada en forma similar que en relevadoresconvencionales.

Comparación entre relevadores de sobrecorriente

En esta sección se presenta un estudio comparativode sensibilidad y tiempo de operación en tres tiposde relevadores de sobrecorriente: convencional, se-cuencia negativa y adaptativo.

A. Análisis de sensibilidad

El análisis de sensibilidad se realizó en el sistemaradial mostrado en la figura 5a. La corriente de fallamínima es simulada en el Bus 4. La variación de lasimpedancias Z

3 y Z

4 simulan una configuración

multiterminal y una variación de la corriente de car-ga, respectivamente. Para este análisis, los relevado-res de sobrecorriente de fase se ubicaron en el Bus 2(Rele B). La sensibilidad se pondera de acuerdo a lasiguiente relación:

bio de demanda y mantienen la misma sensibilidad,debido a que su corriente de arranque es indepen-diente de la dinámica de la carga. En cambio, elrelevador adaptativo tiene un ajuste que dependede la dinámica de la carga, esto resulta en un incre-mento de la sensibilidad del relevador durante con-diciones de demanda mínima comparado con losotros relevadores (ver plano 3 en la figura 5b).

Los métodos para determinar los valores de sen-sibilidad para el relevador convencional y el de se-cuencia negativa se describen en Elneweihi et al.4 yANSI/IEEE Std,5 respectivamente. Para el relevadoradaptativo se asume que su corriente de arranque(1) no está limitada por el ajuste de arranque deldispositivo primario. Éste es un estudio basado enun sistema en particular, las condiciones del estu-dio pueden cambiar debido a la dependenciatopológica, estados operativos y esquemas de pro-tección; pero es posible obtener un estudio cualita-tivo de sensibilidad de los tres tipos de relevadoresde sobrecorriente.

La corriente de falla mínima se determina comouna falla bifásica en condiciones de generación mí-nima y ubicada en el Bus 4. El valor aceptado desensibilidad es 1.5.5 En la figura 5b se muestran losvalores de sensibilidad de los relevadores para dife-rentes valores de corriente de carga (I

k) y contribu-

ciones de la fuente de generación (PGen

). Se observaque los relevadores convencional (plano 1) y de se-cuencia negativa (plano 2) son insensibles al cam-

Fig. 5. Sensibilidad de relevadores de sobrecorriente de fase.

Durante condiciones de mayor contribución depotencia (PGen) en la red, la sensibilidad de los trestipos de relevadores analizados se incrementa (ma-yor corriente de falla). En el relevador adaptativo sepresenta un incremento mayor de sensibilidad com-parada con los otros relevadores. Es posible con-cluir que el relevador adaptativo presenta mayorsensibilidad que los relevadores convencionales y desecuencia negativa, durante condiciones de deman-da mínima y durante estados operativos de mayorcontribución de potencia, debido a su mayor de-pendencia a la dinámica de la corriente de carga y ala variación del estado operativo (contribución depotencia). La sensibilidad del relevador de secuen-cia negativa es similar a la del relevador adaptativoúnicamente en demanda máxima y sólo para fallasbifásicas. La sensibilidad del relevador adaptativosiempre es mayor que la del relevador convencio-nal.

a)

b)

(5)



Podemos concluir que el relevador convencio-nal presenta menor sensibilidad, el relevador de se-cuencia negativa es más sensible en líneasmultiterminales (pero sólo para fallas bifásicas). Elrelevador adaptativo, en cambio, tiene una mayorsensibilidad en redes radiales, y en redesmultiterminal tiene mayor sensibilidad que elrelevador de secuencia negativa en demanda míni-ma, cuando el relevador más lo necesita.

B. Análisis de tiempo de operación

El análisis de tiempo de operación se efectuó en elsistema radial de la figura 5a. La corriente de arran-que se determinó por Z

3 y Z

4, ambos ajustados a

100%. La figura 6 muestra el resultado del análisisde tiempo de los relevadores de sobrecorriente defase. Se observa que el tiempo de respaldo delrelevador de secuencia negativa es menor que el delsimilar convencional. El relevador adaptativo pre-senta un retardo constante (CTI), independiente-mente de la magnitud de la falla, esto resulta entiempos menores de respaldo que los relevadoresrestantes.

tiempo de operación. Este criterio puede ser opcio-nal al usuario. La activación de este criterio ofreceuna solución a la pérdida de sensibilidad de la pro-tección primaria, sobre todo en condiciones de de-manda mínima. La curva de tiempo del relevadoradaptativo será la misma que la de la protecciónprimaria sin el CTI. Para la activación de esta lógicase tendrán que cumplir las condiciones de detec-ción de falla (señal T en figura 4) y el cumplimientode la condición I

k<Ip

a. Para el ejemplo mostrado en

la figura 6, el relevador primario tiene 300 A comoajuste de Ip

a, y el relevador adaptativo tiene 220 A

como el mínimo ajuste para condiciones de deman-da mínima. Para cualquier falla entre 220-300A, elrelevador adaptativo tendrá mayor sensibilidad queel relevador primario, por lo tanto, la falla a travésde alta impedancia será detectada.

Si la corriente de falla es menor que la corrientede arranque de la protección primaria, el relevadoradaptativo podrá detectar la falla (lógica de detec-ción de falla), por tanto, la corriente de arranquedel relevador adaptativo, que realiza funciones úni-camente de detección de falla, puede ser activada ydefinir, como en los relevadores convencionales, el

Fig. 6. Comparación de curvas de tiempo de relevadores de

sobrecorriente.

En la figura 7, el efecto combinado del relevadorpropuesto es mostrado. El relevador modifica sucorriente de arranque según (1), este valor limita lalongitud de la curva de tiempo; se tendrá entoncesun comportamiento dinámico de la curva de tiem-po, dependiendo del valor vigente de la corrientede arranque. Durante demanda máxima, el relevadoradaptativo será aún más sensible que el relevadorconvencional, debido a que su ajuste será 15%mayor que la corriente de carga comparado con el1.5 o 2.0 veces, en un relevador convencional. Eltiempo de respaldo (4) será sólo el CTI mayor queel tiempo de operación del primario para cualquiervalor de corriente de falla. Por tanto, la sensibilidady el tiempo de operación del relevador desobrecorriente mejoran mediante cambios dinámi-cos de ajuste

Fig. 7. Comportamiento resultante del relevador adaptativo.



Prueba

El desempeño de la lógica adaptativa de la corrientede arranque se evaluó mediante simulación digital,utilizando señales reales provenientes de un simula-dor físico de sistemas de potencia. La evaluación serealizó en base al sistema eléctrico presentado en lafigura 5a. No es necesario considerar una configura-ción del sistema eléctrico más compleja; el uso desistemas complejos no nos conduce a efectos ines-perados. Muchos escenarios tienen el mismo efectoen la corriente de operación; además, el proceso decoordinación entre relevadores de sobrecorriente seefectuó con parejas de relevadores. La figura 8 mues-tra la operación típica de una red de subtransmisióny distribución. La lógica adaptativa se mantiene encondiciones de estado estable, variando en funciónde la corriente de carga, hasta que la corriente delsistema sea mayor que la corriente de arranque.Como el algoritmo usa la información de deman-da, el ajuste de la corriente de arranque (I

a) es cons-

tante en cada intervalo de demanda. La lógica deoperación es satisfactoria.

El valor acumulado del integrador (Gk es el valor

de la integración en (4)) o, análogamente, la posi-ción del disco de inducción en un relevador elec-tromecánico, depende de I

k. Durante operación, la

integración de la función T(Ik) es positiva, incremen-

tando el valor acumulado del integrador (incremen-to en la distancia de viaje del disco hacia la posiciónde disparo); de otra manera, en la zona de reposi-ción, la integración es negativa y decrece el valoracumulado del integrador (retorno del disco haciala posición inicial). La condición de operación seda cuando G

k=1 (ver figura 8).

La evaluación del tiempo adaptativo consiste enla comparación del tiempo de operación delrelevador adaptativo respaldando a un relevadordigital para valores constantes de falla. Conde et al.9

presentan las pruebas de evaluación con un relevadorelectromecánico. El objetivo principal de la pruebaes demostrar que el retardo de tiempo en la opera-ción del relevador adaptativo respecto a la opera-ción del relevador convencional es constante paradiferentes valores de corriente de falla, obteniendoasí una coordinación automática entre ambos rele-vadores.

El relevador adaptativo se programó en una tar-jeta de adquisición de señales. Las señales de prue-ba se obtuvieron de un simulador físico de sistemaeléctrico de potencia. Se tomaron diez pares de va-lores tiempo-corriente de la curva de tiempo delrelevador digital publicada por el fabricante. Losvalores de corriente se definieron con espaciamien-to uniforme.10 Un intervalo constante se estableciódesde el múltiplo 2 hasta el múltiplo 20.

La expresión analítica del relevador digital es:

Fig. 8. Evaluación de la lógica de control de la corriente adapta-

tiva de arranque.

Esta expresión se introdujo en el relevadoradaptativo, definiendo así su característica de ope-ración (4). En la tabla I y en la figura 9 se muestranlos tiempos de operación obtenidos por el relevadordigital y los tiempos de operación del relevadoradaptativo. De los resultados obtenidos observamosque el intervalo entre los tiempos de operación delrelevador digital y el relevador adaptativo es muycercano al intervalo de coordinación previamentedefinido (0.3 s). Las variaciones observadas se de-ben al ruido presente durante la prueba.



Tabla I. Tiempos promedio de operación.

En la figura 10 se muestra la corriente de falladinámica (I

cc), los valores de los integradores del Rele

A (Gp

k), Rele B (GR

k) y el relevador propuesto Rele B*

(GR*

k ). Se observa que el intervalo de tiempo entre

el Rele A y el Rele B es de 0.61s, sin embargo, ladiferencia en el tiempo de operación del Rele A y elRele B* es de 0.3s (CTI). Esta reducción de 0.31s enel tiempo de respaldo se obtiene con la estructuraadaptativa propuesta.

Conclusiones

Los criterios adaptativos propuestos incrementanla sensibilidad y reducen los tiempos de respaldoen los relevadores de sobrecorriente de tiempo in-verso, principalmente durante escenarios de pocademanda. Los parámetros de corriente de arranquey tiempo de operación son independientes en elrelevador adaptativo.

El relevador propuesto no requiere informaciónde la red eléctrica adicional al de un relevador con-vencional, la rutina adaptativa se ejecuta únicamen-te con los fasores de corriente, esto exime de unincremento en la capacidad de hardware delrelevador. Las funciones adaptativas propuestas seimplementan únicamente en el software delrelevador. La simplificación algorítmica se obtienecon el uso del concepto de demanda en la defini-ción de la corriente de arranque, requiriendo actua-lización cada cinco minutos. Asimismo, el procesode ajuste de curvas se da fuera de línea, sin cargacomputacional al relevador. Entonces, el procesoadicional para el relevador adaptativo es mínimo.De las observaciones anteriores, el relevador pro-puesto se obteniene con únicamente un ligero cam-bio en el "firmware" del relevador sin costo adicio-nal.

Resumen

En este artículo se recomienda una nueva lógica fun-cional para un relevador de sobrecorriente de tiem-po inverso. Este relevador tiene mayor sensibilidady tiempos de operación de respaldo reducidos com-parados con relevadores convencionales; la informa-ción requerida por el relevador propuesto se deter-mina únicamente en la localidad del relevador. Se

Fig. 9. Evaluación de coordinación entre un relevador conven-

cional y un relevador adaptativo.

Fig. 10. Comparación de los valores acumulados de los

integradores de relevadores de sobrecorriente ante corrientes de

fallas dinámicas.

La coordinación entre el Rele A y Rele B del diagra-ma unifilar de la figura 5a también se evaluó concorrientes de falla dinámicas. La señal de corrientede falla y el proceso de integración de los relevado-res se obtuvieron en pruebas de laboratorio y simu-lación digital, respectivamente.


presenta el diagrama funcional del relevador, descri-biendo cada uno de sus bloques funcionales. Eldesempeño del relevador propuesto se compara conrelevadores de sobrecorriente convencionales y rele-vadores de sobrecorriente de secuencia negativa; losresultados del análisis de sensibilidad y tiempo deoperación se presentan. Se presentan los resultadosobtenidos, tanto de simulaciones digitales como enpruebas de laboratorio.

Palabras clave: Relevador de sobrecorriente,Relevador adaptativo, Corriente de arranque, Curvade tiempo.

Abstract

This paper presents a new logic of operation fortime overcurrent relays. With the application of theproposed technique, the sensitivity of timeovercurrent relays is increased. In order to obtainthis, the relay operates with a dynamic pickup set-ting like load current. Additionally a fast operationof overcurrent relays is obtained. The functionalstructure is described and the logic of overcurrentrelay is evaluated under different operative states.We describe the functional structure of the proposedrelay and its implementation in laboratory tests.

Keywords: Overcurrent relay, Pick-up current, Sen-sitivity.

Referencias

1. H. Askarian, et al. "A new optimal approachfor coordination of overcurrent relays ininterconnected power systems," IEEETransactions on power delivery, vol. 18, No. 2,April 2003.

2. A. J. Urdaneta, et al., "Optimal coordinationfor direccional overcurrent relays in

interconnected power systems," IEEETransactions on Power Delivery, Vol. 3, No. 3,July 1988, pp. 903-911.

3. A.Y. Abdelaziz, H.E.A. Talaat, A. I. Nosseir andAmmar A. Hajjar, "An adaptive protectionscheme for optimal coordination of overcurrentrelays;" Electric Power Systems Research, Vol.61, Issue 1, 28 February 2002, pp. 1-9.

4. A. F. Elneweihi, E.O. Schweitzer, III, M.W.Feltis, "Negative-sequence overcurrent elementapplication and coordination in distributionprotection," IEEE Power engineering society,PES Summer Meeting, Seattle, WA, July 12-16, 1992.

5. ANSI/IEEE Std 141-1986, IEEERecommended Practice for Electric PowerDistribution for Industrial Plants.

6. M. S. Sachdev, J. Singh, and R.J. Fleming,"Mathematical models representing time-currentcharacteristics of overcurrent relays for computerapplication," IEEE Paper A78 131-5, January1978.

7. J. E. Hieber, "Empirical equations ofovercurrent relay curves for computerapplication," IEEE Winter Power Meeting, NewYork, N.Y., January/February 1965, Paper No.31 CP 65-91, pp. 1-11.

8. IEEE Standard C37.112-1996, IEEE StandardInverse-time Characteristic Equations forOvercurrent Relays.

9. A. Conde, E. Vázquez, H. J. Altuve, Timeovercurrent adaptive relay, International Journalof Electrical Power & Energy Systems, 25(10)2003, pp. 841-847.

10. IEEE Committee Report, "Computerrepresentation of overcurrent relaycharacteristics," IEEE Transactions on PowerDelivery, Vol. 4, No. 3, July 1989, pp. 1659-1667.

Recibido: 7 de sepriembre de 2007

Aceptado: 17 de septiembre de 2007


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