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EXPERIENCIAS DE LA TDE EN EL ANALISIS DE DATOS DE FALLAS. CASOS
PRACTICOS
Comit Tcnico B5 Luz Mara Snchez de Lozada
Ingeniero de Protecciones Unidad de Mantenimiento de
Subestaciones Transportadora de Electricidad S.A.
e-mail: [email protected] Telf. Oficina: 591 4 4259529 Telf.
Celular: 591 72202409
Cochabamba Bolivia
Resumen: La funcin principal de un sistema de proteccin es
detectar las fallas de una lnea o un equipo en todo el sistema de
potencia y aislar el rea fallada o el equipo antes de que ocurran
ms daos. Actualmente y gracias a la tecnologa de microprocesadores
que se incorpora en las protecciones modernas, la amplia informacin
almacenada por stos, tanto de seales digitales como magnitudes
analgicas, permiten no slo analizar la falla que h producido la
actuacin de la proteccin sino el comportamiento de todo el sistema
en general. La TDE cuenta actualmente con protecciones basadas en
microprocesadores que brindan una amplia informacin utilizada, no
slo para analizar el tipo de perturbacin ocurrida, sino tambin
mejoras en los ajustes de las distintas funciones de proteccin,
selectividad, fiabilidad y rapidez de la respuesta de todo el
sistema de protecciones. La metodologa utilizada en el anlisis de
los datos de fallas es:
1. Eventos secuenciales del sistema SCADA 2. Recopilacin de toda
la informacin de las protecciones
que hubiesen arrancado (registros de osciloperturbografa y
eventos)
3. Sincronizacin de la informacin de las protecciones con los
registros secuenciales del sistema SCADA.
4. Anlisis de la informacin obtenida: tipo de falla, magnitudes
de tensiones y corrientes, desfasajes, presencia de armnicos,
componentes, etc.
5. Simulacin de las condiciones de fallas en paquetes
especializados para verificacin.
6. Conclusiones del anlisis. 7. Validacin de las conclusiones
con la inspeccin del sitio
de ocurrencia de la falla. Se presenta el caso de una falla
permanente ocurrida en una lnea de 115 kV que provoc la salida por
sobrecarga de otras lneas. Primero, los registros
osciloperturbogrficos que muestran con claridad la secuencia de la
falla y su sincronizacin con el sistema SCADA. Al mismo tiempo, se
aprecia con claridad el tipo de falla, las magnitudes y desfasajes
de las cantidades analgicas, tiempos de operacin de ambos extremos.
Reconexin sobre falla de un extremo y apertura definitiva. Apertura
por sobrecarga de otras lneas. Simulacin de las condiciones de
falla en el paquete DigSilent y validacin de resultados.
Conclusiones obtenidas con el anlisis y su validacin con la
inspeccin en sitio del tipo de falla. Otro caso presentado es el de
una falla en una lnea de 69 kV del distribuidor, cuyo retardo en el
despeje produjo la inestabilidad del sistema, desincronizacin del
sistema Norte con el sistema Central Oriental y apertura de lneas
de 115 kV y 230 kV por oscilaciones de potencia inestables.
Registros osciloperturbogrficos en varios puntos de la red que
muestran la secuencia del evento y su sincronizacin con el sistema
SCADA. Valores apreciados de frecuencia en el mismo instante para
el sistema Norte y el sistema Central Oriental. Conclusiones
obtenidas con el anlisis. Palabras Claves: Sistemas de proteccin,
protecciones, registros osciloperturbogrficos, eventos, SCADA,
anlisis, simulacin, validacin.
1. SISTEMAS DE PROTECCION
1.1 Introduccin Los sistemas de proteccin son un conjunto de
elementos destinados a detectar, localizar y despejar fallas o
anomalas del sistema
La deteccin de anomalas se realiza midiendo parmetros como:
Corriente, tensin, potencia, impedancia, frecuencia, direccin del
flujo de potencia
1.2 Caracterticas de los Sistemas de Proteccin
Las principales caracterticas de un sistema de protecciones son:
Confiabilidad: Probabilidad de no tener un disparo
incorrecto Fiabilidad: Probabilidad de no tener omisin de
disparo Seguridad: Probabilidad de no tener una operacin
indeseada Selectividad: Relacionada con la seguridad,
implica el solo desconectar el equipo fallado. Siguiendo con las
caractersticas de los sistemas de proteccin, existen protecciones
que actan como respaldo. El concepto de respaldo est relacionado
con la fiabilidad. Si la falla no se despeja normalmente, otro
esquema de proteccin la despeja. En este sentido, se pueden
determinar los siguientes tipos de respaldo: Remoto: desde las
subestaciones adyacentes. Local de circuito: otra proteccin con
otra bobina
de disparo. Local de subestacin: los otros interruptores de
los
circuitos que alimentan la falla. Las caracterticas ms
importantes que deben tener los equipos de proteccin (rels) son:
Estabilidad: Propiedad de permanecer estable para
las fallas fuera de la zona de proteccin. Velocidad: Deben tener
la velocidad necesaria
para proteger los equipos a los cuales se asocian. Sensibilidad:
Valores mnimos de la cantidad
actuante que hacen operar el rel, acorde con los
requerimientos.
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2. SISTEMA DE PROTECCIONES DE LA TDE
El sistema de protecciones de la TDE est compuesto de la
siguiente forma:
2.1 Lneas de Transmisin
Las lneas de transmisin cuentan con doble proteccin principal
completa de lnea. Ambas protecciones cuentan mnimamente con las
siguientes funciones: Distancia ayudados con esquemas de
teleproteccin (bloqueo o POTT). Sobrecorriente direccional a
tierra (67G) Cierre sobrefalla Falla fusible Bloqueo por deteccin
de oscilacin de potencia Una o ambas protecciones de lnea deben
tener localizador de fallas, registrador de eventos y
osciloperturbografa.
El recierre automtico, la verificacin de sincronismo y tensin,
falla interruptor, discrepancia de polos, dependiendo de la
configuracin de la subestacin son realizadas por la propia
proteccin de lnea o por protecciones independientes.
Actualmente el esquema de protecciones de lnea de la TDE, en la
mayora de ellas, contempla los siguientes rels de tecnologa
microprocesada con registro de eventos y osciloperturbografa: EPAC,
fabricante AREVA (ex ALSTOM) SEL421, fabricante Schweitzer REL521
REL531, fabricante ABB
2.2 Transformadores Doble proteccin diferencial de
transformador,
donde una se conecta como diferencial corta y otra como
larga.
Proteccin de sobrecorriente de fases y neutro, en el lado de
alta como en el de baja
Guardas de transformador.
2.3 Barras
Diferencial de barras ms falla interruptor
2.4 Capacitores shunt Proteccin de desbalanceo Proteccin de
sobrecorriente. Proteccin de sobretensin.
2.5 Reactores Proteccin diferencial de reactor Proteccin de
sobrecorriente Guardas de reactor
3. ANALISIS DE LOS DATOS DE FALLA
La TDE cuenta actualmente con protecciones microprocesadas que
brindan una amplia informacin utilizada para: Analizar el tipo de
perturbacin ocurrida
Verificar la coordinacin del sistema de protecciones.
Mejoras en los ajustes de las distintas funciones de
protecciones
Mejoras en las caractersticas de todo el sistema de
protecciones
Adicionalmente, existen salidas de las distintas salidas
programadas para dar informacin de la operacin de la proteccin al
sistema SCADA.
3.1 Registro osciloperturbogrfico
La informacin entregada por en el registro osciloperturbogrfico
de los rels microprocesados es la siguiente: Cantidades analgicas,
incluyen corriente y
tensiones trifsicas, adems de la corriente y tensin residual
Cantidades digitales, todas aquellas seales de arranque de las
distintas funciones internas y sus respectivas salidas. Adems de
entradas externas programadas para ser registradas.
3.2 Registro de eventos
La informacin registrada por los eventos es: Valores de las
magnitudes analgica de prefalla
(condiciones del sistema antes de la falla) y falla. Seales
digitales que produjeron el disparo y/o
arranque de la proteccin. 3.3 Metodologa para el anlisis de los
datos de
fallas
a) Informes de eventos secuenciales del sistema SCADA que
permiten determinar interruptores operados y arranques de las
distintas funciones de protecciones. Primera aproximacin para el
anlisis de la falla
b) Recopilacin de la informacin de todos los rels que hubiesen
operado, arranque y/o disparo:
o Registro de eventos Permiten ver el tipo de falla de que se
trata, valores y funciones operadas. Adicionalmente, localizacin de
la falla.
o Registro osciloperturbogrfico Permiten ver magnitud, tipo y la
duracin de la falla, todas las funciones operadas, detalles
particulares.
c) Sincronizacin de los registros de las protecciones con los
registros del SCADA, que se realiza para uniformizar los registros
de las protecciones a una sola base de tiempo. Permite lograr
superponer los registros de 2 ms terminales. Se debe realizar esta
sincronizacin, bsicamente en forma manual puesto que el sistema de
protecciones de la TDE an no cuenta con sistema de sincronizacin
horaria mediante GPS.
d) Anlisis de la informacin obtenida: tipo de falla, magnitudes
y fase de las cantidades analgicas, presencia de armnicos,
componentes simtricos.
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e) En el caso de ser posible, se simulan las condiciones de la
falla, lo ms aproximadas a la realidad que se posible (generacin
carga) en paquetes especializados para su verificacin y que tengan
el sistema interconectado boliviano simulado con bastante
detalle.
f) Conclusiones del anlisis. En caso de requerirse, se emiten
sugerencias para la mejora de algn ajuste o ajustes de
determinado(s) rel(s) con el objeto de mejorar la coordinacin total
del sistema de protecciones.
g) En caso de tratarse de una falla con evidencia fsica,
validacin del anlisis y conclusiones con la inspeccin al sitio de
la ocurrencia de la falla.
4. Caso 1 falla permanente en lnea de 115 kV
4.1 Resumen de la incidencia:
Falla permanente en una lnea de 115 kV, por vandalismo,
correctamente detectada y despejada en los tiempos previstos, fue
precedida por eventos, de sobrecarga y otros, en el resto del
sistema interconectado boliviano. Dichos eventos posteriores a la
apertura de la lnea con falla, provocan el colapso de las reas
Central y Norte.
o Diagrama del Sistema Interconectado Boliviano
o Descripcin de la falla
Falla en lnea Santa Isabel Arocagua, cercana a terminal Santa
Isabel.
Inicio de la falla:
Hrs. 18:30:52.112 Terminal Santa Isabel. Falla monofsica a
tierra en la fase C (cortocircuito franco). Actuacin de la
proteccin de distancia zona 1. Aporte inicial de este terminal 454
A.
Hrs. 18:30:52.223 Terminal Arocagua. Falla monofsica a tierra en
la fase C (cortocircuito franco). Actuacin de la proteccin de
distancia zona 2. Aporte inicial de este terminal 564 A. Con la
apertura de Santa Isabel, la corriente se incrementa a 1091 A.
4.1.1 Sobrecarga lnea Corani Valle Hermoso
Hrs. 18:30:54.221 Terminal Corani. Desconexin de la lnea Corani
Valle Hermoso por sobrecarga (115 MVA), operacin de la proteccin de
distancia EPAC (carga entra al alcance resistivo). En el otro
terminal, la proteccin no detecta la falla, por el sentido del
flujo.
4.3.3 Reconexin Santa Isabel - Arocagua
Hrs. 18:30:54.450 Recierre automtico sobre falla del terminal
Santa Isabel (corriente de falla 4655 A y duracin de 4 ciclos).
HH
H
H
H T
T
T
T
T
T
H
H
T
H
T
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4.1.4 Arranque proteccin San Jos Santa
Isabel.
Terminal San Jos arranca por sobrecarga, incialmente 97 MVA que
suben a los 120 MVA con la salida de terminal Corani, lnea Valle
Hermoso
4.1.5 Sobrecarga Banco Autotransformadores
Vinto
Hrs. 18:30:56.490 Actuacin por 100% de sobrecarga (funcin 51),
banco de autotransformadores de Vinto.
Va a Vb b Vc c Vr r
t/s-0.45 -0.40 -0.35 -0.30 -0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 -0.00
0.05
U/kV
0
50
100
Ia a Ib b Ic c Ir r
t/s-0.45 -0.40 -0.35 -0.30 -0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 -0.00
0.05
I/A
0
100
200
300
400
500
4.1.6 Deteccin Oscilacin de Potencia (PSB)
Hrs. 19:41:19.891 Deteccin de PSB en Corani
Va a Vb b Vc c Vr r
t/s0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
U/kV
-100
-50
0
50
Ia a Ib b Ic c Ir r
t/s0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
I/kA
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
t/s0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
TS DISP.PROT.RESTS DISPARO CTS DISPARO BTS DISPARO A
ARRANQUE OSCILOTS REDUC. DISP.3TS RECEP. TELEP.
DISPARO TRICIERRE INTER.POT
REENG.3 EN CURSOAUTOR.SINCR.CIERDISP.PROT.RESPAL
EMIS. TELEPROT.FUSION FUSIBLE
DETECC.OSC.POTENARRANQUE
DEFECTO ZONA 5DEFECTO ZONA 3DEFECTO ZONA 2
DEFECTO ZONA 1DEFECTO FASE CDEFECTO FASE BDEFECTO FASE A
DISP. MONODISPARO CDISPARO BDISPARO A
4.1.7 Conclusiones: Del anlisis de esta falla permanente se
pueden sacar las siguientes conclusiones:
La proteccin de la lnea en falla, opera adecuadamente. Los
valores de corriente obtenidos en el programa DigSilent
corresponden a los valores reales. La condicin de un terminal
abierto (Santa Isabel), se comprueba igualmente.
La proteccin EPAC, tiene problemas con el ajuste resistivo,
debido a que la carga entra en la zona de operacin del rel. Para
evitar esto, se debe reducir el alcance resistivo a no ms del 60%
de la carga mxima en estado de contingencia n-1.
La deteccin de oscilacin de potencia en el EPAC est relacionada
con la zona de mayor alcance, verificar que la banda de oscilacin
no llegue a la carga en un estado de contingencia n-1.
Como sistema, implementar desconexin automtica de
generacin/carga para evitar la sobrecarga de estas lneas en casos
de falla permanente en las lneas del anillo central.
5. Caso 2 falla trifsica en lnea de 69 kV con despeje tardo
5.1 Resumen de la incidencia:
Falla en una lnea de 69 kV del distribuidor, no despejada
correctamente, operando como respaldo las protecciones de Catavi y
Vinto de la TDE. Simultneamente se desencaden un proceso
oscilatorio que ocasion la desconexin de unidades generadoras en
todo el Sistema Interconectado y lneas de transmisin en el rea
Central, lo que finalmente se tradujo en la fragmentacin del
sistema en 3 reas: Norte - Oruro, Central Oriental y Sur y la
operacin del EDAC. El rea Sur colaps totalmente.
5.2 Descripcin de la incidencia:
La incidencia comenz con la deteccin de una falla trifsica en
los terminales de Catavi y Vinto en 69 kV. Simultneamente al inicio
de la falla, se detectan oscilaciones de potencia en varios
terminales de la red: Vinto, Catavi, Potos, Chuquiaguillo, Valle
Hermoso en 115 kV, San Jos y Carrasco en 230 kV.
La proteccin en 69 kV opera con retardo, Catavi en zona 2 (420
ms) y Vinto en zona 4 (1200 ms).
Las oscilaciones estn presentes en el sistema 2.5 segundos,
posterior a los cuales recin se produce la apertura de los
interruptores de lnea. Las oscilaciones se van acelerando a medida
que pasa el tiempo.
La secuencia de eventos es la que se muestra a continuacin, se
inicia la sincronizacin de oscilos, por la apertura del interruptor
de la subestacin, o bien por alguna seal de arranque.
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5.2.1 Terminal Potos. El registro oscilogrfico de este terminal
representa el inicio de la falla y su evolucin Hrs. 14:51:21.009
(arranque por PSB de Potos) En t = - 80 ms inicio de la falla En t
= +433 ms apertura de terminal Catavi 69kV En t = +1.5 segundos
apertura Vinto 69 kV
K1:IAW A K1:IBW B K1:ICW C
t/s-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25
I/A
-7.5
-5.0
-2.5
0.0
2.5
5.0
K1:VAY A K1:VBY B K1:VCY C
t/s-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25
U/V
-100
-50
0
50
t/s-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25
OUT210B1OPHAB1OPHBB1OPHC
LOPHALOPHBULTRAULTRBULTRC
59VPF32PR32PF32Q32QF50QF50QR32QE
32QGEF32QG
32GFOSB2OSB3OSB4
OSBOOSDET
X7ABC50ABCOSB1ULTR
ULMTR1ER
ZLOADZLIN
ZLOUTLOPHC
5.2.2 Apertura de los terminales Catavi y Vinto
Hrs. 14:51.21.442 Apertura Catavi
Va a Vb b Vc c Vr r
t/s-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25
U/kV
-50
-25
0
25
50
Ia a Ib b Ic c Ir r
t/s-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25
I/kA
-2
-1
0
1
2
t/s-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25
POSICION INTERR.ARRANQUE OSCILO
TS REDUC. DISP.3TS RECEP. TELEP.
DISPARO TRIAUTOR.SINCR.CIERDISP.PROT.RESPAL
FUSION FUSIBLEDETECC.OSC.POTEN
ARRANQUEDEFECTO ZONA 4DEFECTO ZONA 3DEFECTO ZONA 2
DEFECTO ZONA 1DEFECTO FASE CDEFECTO FASE BDEFECTO FASE A
DISP. MONODISPARO CDISPARO BDISPARO A
Hrs. 14:51.22.549 Apertura Vinto
Va a Vb b Vc c Vr r
t/s-0.4 -0.2 -0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
U/kV
-40
-20
0
20
Ia a Ib b Ic c Ir r
t/s-0.4 -0.2 -0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
I/kA
-1.0
-0.5
0.0
0.5
-
5.2.3 Apertura Vinto Valle Hermoso Hrs. 14:51:23.488 Apertura
Vinto en t=0.52s En t = 0.67 s, apertura Vinto San Jos En t = 0.94
s, apertura Valle Hermoso Catavi y cese de oscilaciones
K1:IAW A K1:IBW B K1:ICW C
t/s-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25
I/A
-5.0
-2.5
0.0
2.5
K1:VAY A K1:VBY B K1:VCY C
t/s-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25
U/V
-100
-50
0
50
t/s-0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25
OUT106OUT105OUT104OUT103OUT102OUT101
59VPRXPRM
COMPRMTRPRMR32QG
32GRF32PR32PR32Q32QR
TLED_9TLED_10TLED_11
TLED_3TLED_6
TPC1ULTR
ULMTR1TPATPBTPC
TRIP3PT
TPA1TPB1M2PM3PM4P
DFAULTER
ZLOADZLIN
ZLOUTLOPHC
SPOASPOBSPOC
3PO
5.2.4 Oscilacin de potencia en Kenko
K1:IAW A K1:IBW B K1:ICW C
t/s-0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75
I/A
-10
-5
0
5
K1:VAY A K1:VBY B K1:VCY C
t/s-0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75
U/V
-100
-50
0
50
Midiendo la frecuencia en Kenko y en cualquier parte del sistema
central se muestra una diferencia de frecuencia, a pesar de estar
el sistema conectado. En
Kenko la frecuencia, incluido el Sistema La Paz, est en 54 Hz
(verificado tambin por registradores de otros agentes), en el
sistema central (Valle Hermoso, Vinto, Catavi) la frecuencia cae a
49.5 Hz.
5.2.5 Conclusiones
La operacin de los rels tipo SEL421, de las lneas Catavi, Valle
Hermoso, Vinto se debe a la lgica para lneas adyacentes para
compensacin serie. En este caso, al acelerarse las oscilaciones,
las protecciones no pudieron detectar las mismas, pasando a la
memoria de tensin larga de polarizacin que es bsicamente esttica,
en estas condiciones la proteccin no pudo seguir la oscilacin del
sistema.
Las oscilaciones de potencia presentadas no presentan
variaciones en frecuencia, asemejndose a colapsos de tensin.
La diferencia de frecuencias entre el sistema La Paz y el resto
del sistema interconectado, se explica, en primer trmino, por la
prdida de sincronismo de las unidades del rea Norte (La Paz),
compuesto exclusivamente por unidades hirdroelctricas y la mayor
inercia de las unidades del parque de l resto, compuesto casi
exclusivamente por unidades trmicas y, en segundo trmino, por la
dbil conexin de la lnea Vinto Kenko, nico vnculo de conexin.
6. Bibliografa [1] Art and Science of Protective Relaying. C.
Russell Mason
[2] Anlisis de perturbaciones. Curso dictado por Ing. Paulo
Koiti Maezono SEL.
[3] Manual del rel SEL 421.
[4] Manual del rel EPAC
[5] Future Trends in utilizing advanced technologies for fault
and disturbance analysis. Mladen Kezunovic Luc Philippot
[6] Explicacin de SEL sobre operacin rels SEL 421. Miguel Cruz
Fernando Calero.
[7] Out of step protection fundamentals and advancements,
Demetrios A. Tziouvaras Daqing How. Schweitzer Engineering
Laboratories
.
