Introducción
Para que la protección de distancia cumpla su función de proteger la línea de transmisión del sistema de potencia, debe poder despejar todos los tipos de falla que puedan producirse en la línea. Además, debe tener en cuenta que en el punto de la falla puede sumarse, a la impedancia de la línea, una componente resistiva producida por la falla misma. Esta componente puede deberse a la existencia de arco eléctrico o a la resistencia de puesta a tierra (para fallas a tierra) o ambas causas. Por tal motivo, para asegurar la correcta operación de la protección de distancia, la impedancia vista/medida desde el relé, debe posicionarse dentro de la característica de medida de la protección de distancia, o también llamada de operación o disparo. Esta característica de operación, cuando se representa en el diagrama R-X, está definida por un contorno, generalmente cerrado, que envuelve a la zona de impedancia de la línea y de la posible resistencia de falla, con unos márgenes de seguridad, y excluye lógicamente la zona de impedancia de carga para evitar disparos no deseados.
La característica de medidas comúnmente empleadas tiene forma circular o poligonal. Muchas de las protecciones de distancia electromecánicas presentaban características circulares únicamente, pero con la introducción de los relés estáticos y posteriormente los relés numéricos, ha hecho posible la obtención de nuevas características más flexibles como las de tipo poligonal.
Cada tipo puede decirse que tiene su propio campo de aplicación y en determinadas aplicaciones es posible utilizar cualquiera de ellas indistintamente. No obstante, para la detección de fallas a tierra es aconsejable, como se verá más adelante, utilizar la característica poligonal (recordemos que las fallas a tierra son las fallas más comunes en los sistemas de transmisión eléctrica).
La protección de distancia depende necesariamente de las medidas obtenidas desde los transformadores de medición para el cálculo de la impedancia, por tal razón, una correcta selección de ellos implica una reducción de los errores que pueden llevar a operaciones no deseadas o incluso a la no operación de la protección de distancia. El artículo técnico Cargabilidad de un Transformador de Potencial, explicamos la importancia de los transformadores de potencial para los sistemas de protección, su impacto y la necesidad de una correcta cargabilidad de tus secundarios.
Característica Circular – Impedancia
Para ilustrar de mejor manera la explicación de esta característica de la protección de distancia, consideremos el circuito eléctrico de la siguiente figura y los diagramas R-X para dicho circuito.
El tipo más simple de característica circular consiste en un círculo centrado en el origen de coordenadas del diagrama R-X, como se aprecia en la figura (a). La protección de distancia P, tiene delante su línea B-C la cual debe proteger, y detrás de la misma se encuentra la línea A-B. La falla F1, como se observa en el circuito, ocurre dentro de la línea a proteger, y la falla F2, ocurre a espaldas de la protección, fuera de la línea a proteger. Con la característica de impedancia mostrada en la figura (a), la protección de distancia dispararía de forma instantánea para cualquier falla cuya impedancia se sitúe dentro del círculo. Y como F1 y F2 cumplen con lo mencionado anteriormente, la protección de distancia operaria para ambas fallas, por lo cual, es incapaz de discriminar cuál de las fallas está dentro de su línea o a sus espaldas. Si bien operaría correctamente para la falla 1, no sería el mismo caso para la falla 2, ya que eso sería una operación no deseada.
Para impedir que se produzca esta operación no deseada para F2, se dota a la protección de una característica direccional, la cual se refleja en el diagrama R-X de la figura (b). Esta característica direccional está representada por la línea DD’ y se trata de una unidad direccional que controla la unidad de medida de la impedancia por medio de los ángulos α y θ, de tal modo que la acción conjunta da como resultado una selectividad de operación direccional. De esta manera, la protección P, únicamente operaría para la falla F1 dentro de la línea B-C y no para la falla F2, la cual debiese de ser despejada por las protecciones de distancia de la línea A-B.
Característica Circular – mho
Para ilustrar la característica mho de la protección de distancia, consideremos el circuito eléctrico de la siguiente figura y los diagramas R-X para dicho circuito.
Como se puede apreciar en los diagramas R-X se muestra otra variante de la característica de operación tipo circular, llamada característica mho. El contorno es una circunferencia que pasa por el origen de coordenadas del diagrama R-X. Cuando la impedancia medida por la protección se ubica dentro de esa zona, se produce el disparo.
Puede observarse que esta característica es inherentemente direccional, es decir, solo permite la operación de la protección de distancia a lo largo de la línea A-B, pero no para fallas a las espaldas de la protección (tramo S-A).
En el diagrama R-X, la figura (a), el diámetro del círculo (tramo A-D) coincide con la impedancia del tramo protegido (tramo A-L), es decir, el ángulo de inclinación de la característica ϕ (ángulo característico del relé) es igual al ángulo eléctrico de la línea θ. Recordemos que la línea protegida va desde el tramo A-B, pero la zona que se protege de la línea corresponde al tramo A-L (Zona I = 80% de la línea). Si se produce una falla en el punto F con una resistencia de falla de valor RF = FF’, la impedancia que ve la protección de distancia, en lugar de AF, es AF’ (suma vectorial de AF y FF’) que está justo en el límite de la característica de disparo. Para la protección, esto es lo mismo de que la falla hubiese ocurrido en L (limite también de la característica de disparo), pero sin resistencia de falla. Por lo tanto, la resistencia de falla da lugar a que la protección vea la falla más lejos de donde realmente está, es decir, la protección de distancia presenta en estas condiciones un alcance efectivo menor. Con una resistencia de falla tal como se muestra en FF’, la longitud máxima de línea que queda protegida con esta característica es AF en lugar de AL, es decir, la protección de distancia subalcanza.
La protección de distancia no operaría para una falla, en el mismo punto F, con una resistencia de falla algo superior a la indicada anteriormente, figura (a), ya que en tal caso el extremo del vector impedancia caería fuera de la característica de operación de la protección. Tampoco operaría para fallas entre F y L con el valor de resistencia de falla mostrado en la figura e incluso con valores inferiores si la falla se produce cerca del límite L. En realidad, para puntos del tramo protegido cercanos a L, esta característica no admite prácticamente resistencia de falla.
Todo lo mencionado, representa de forma clara una limitación de la característica mho, especialmente en fallas a tierra, que además de ser las más frecuentes en los sistemas de transmisión eléctrica, son las que suelen presentar más resistencia de falla.
Ahora bien, en la figura (b), hemos dibujado el círculo con su diámetro girado un cierto ángulo en el sentido horario, de forma que ahora el ángulo característico de la protección es menor que el ángulo de la línea (ϕ < θ). Para facilitar la comparación, hemos dibujado también, superpuesto y a trazos, el mismo círculo del caso anterior. Se observa que con el giro de la característica de disparo se admite un valor mayor de resistencia de falla antes de que la impedancia se salga fuera de la zona de disparo, por lo que esta variante es más tolerante a la resistencia de falla que la anterior, mostrada en la figura (a).
En el caso de (a), basta con ajustar el diámetro del círculo A-D al valor deseado del alcance de A-L de la protección. Por el contrario, en el caso de (b) para mantener el mismo alcance AL de la zona de medida, se tiene que ajustar el diámetro del círculo a un valor AD’ algo superior.
En general, para el caso de líneas de transmisión cortas en donde la resistencia de la falla puede representar una proporción importante respecto de la impedancia total de la línea, la característica mho no es muy recomendable de utilizar, especialmente cuando las protecciones trabajan con esquemas a sub alcance.
En el caso de emplear sistemas de teleprotección y trabajar con esquemas de sobrealcance, la limitación no es tan severa.
Todo lo visto hasta este punto, se refiere a los efectos de la resistencia de falla sobre la zona I en la protección de distancia. Una reducción del alcance de la zona I lo único que provocaría es que en tramo central de la línea donde se despejan las fallas en zona I (operación instantánea) serían despejadas en tiempo de la zona II. Aunque esto es realmente un inconveniente, puede considerarse aceptable en ciertos casos.
Sin embargo, una ventaja que presenta la característica mho, sobre todo en líneas cortas, es la de permitir una alta cargabilidad de la línea sin que se produzcan disparos indeseados, especialmente en horarios punta de carga.
Característica Poligonal – Cuadrilateral
De las características ya vistas, la poligonal es una de las más versátiles y, aunque puede presentar diversas formas, una muy común y muy utilizada es la del tipo cuadrilateral. Esta característica no presenta los mismos problemas comentados anteriormente para la característica circular.
La característica cuadrilateral encuentra un buen campo de aplicación en la protección contra fallas a tierra y fallas polifásicas en líneas donde puedan existir elevadas resistencias de falla.
En el diagrama R-X de la figura, considerando el mismo circuito eléctrico visto para la característica de operación mho, se muestra la zona I de la protección de distancia pero utilizando una característica cuadricular. La protección protege el tramo A-L de la línea A-B, de la misma manera que en característica mho, vista anteriormente. El diagrama R-X (a) el ángulo característico del relé, ϕ, se ha ajustado al mismo valor que el ángulo de la línea, θ. El diagrama R-X (b) muestra la misma característica con la diferencia de que el ángulo ϕ se ha ajustado a un valor inferior a θ.
El alcance de la zona (reactancia X1) se ajusta en la dirección positiva del eje de las abscisas. A derecha e izquierda del origen, sobre el eje R, se ajusta el valor de la resistencia límite (o alcance resistivo) R1 de la zona. A diferencia de la característica circular en la que hay interdependencia entre el ajuste del alcance y el de la resistencia límite, en la característica cuadrilateral la resistencia límite puede ajustarse independientemente del alcance. Esta flexibilidad es muy útil cuando se necesita proteger líneas cortas frente a fallas con alto valor de resistencia de falla RF. En contraste con la característica circular, la característica cuadrilateral mostrada en (a) admite el mismo valor de resistencia de falla en cualquier punto de la línea y dicho valor coincide con el ajuste de la resistencia límite. Si se ajustara ϕ < θ, la característica sería aún más tolerante a la resistencia de falla a medida que el punto de la falla se encuentra más cerca del extremo remoto, con el mismo ajuste de la resistencia límite, como se observa en el diagrama R-X de la figura (b). Sin embargo, como la resistencia de la falla no depende de la longitud de la línea, si el valor ajustado de R1 es adecuado para las proximidades del extremo de la línea en el punto A, también lo sería para los puntos cercanos al extremo L, por lo que en principio con la característica cuadrilateral no sería necesario ajustar su ángulo a un valor inferior al ángulo de línea como ocurre con la característica mho.
Se recomienda que las protecciones de distancia permitan ajustes diferentes de la resistencia límite para fallas a tierra y para fallas polifásicas (normalmente la resistencia de falla es superior en fallas a tierra, ya que no solamente hay que contar con la posible resistencia de arco sino también con la resistencia de puesta a tierra de los apoyos de la línea).
Conclusión
La protección de distancia continúa siendo una de las soluciones más eficaces y robustas para la protección de líneas de transmisión en sistemas eléctricos de potencia. Su capacidad para operar de manera rápida, precisa y sin necesidad de información desde ambos extremos de la línea le otorga una ventaja significativa sobre otros esquemas, especialmente en sistemas donde la velocidad de despeje de fallas es crítica para la estabilidad.
El uso de características de operación para los diferentes tipos de fallas que puedan ocurrir en la línea de transmisión refuerzan la confiabilidad del esquema, minimizando falsas operaciones. En conjunto, todas estas características de operación, hacen que este tipo de protección no solo sea confiable, sino también versátil y escalable. Su aplicación adecuada, junto con una correcta configuración de parámetros y coordinación entre zonas, asegura un funcionamiento eficiente del sistema eléctrico, manteniendo la continuidad del suministro y reduciendo el impacto de las fallas sobre los usuarios finales y los equipos.
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