Localización de faltas en líneas de tres terminales a partir de las medidas de los relés de una protección diferencial de línea

摘要

El presente trabajo se enmarca dentro de un área de gran importancia dentro de la Ingeniería Eléctrica como es el de los sistemas de protecciones eléctricas. Los sistemas de protección eléctricos protegen los elementos que forman parte de los sistemas de energía eléctrica, como las líneas de transmisión de electricidad o las subestaciones, frente a perturbaciones, tanto internas como externas, que pueden producirse en dichos sistemas.udEntre las perturbaciones que pueden producirse en un sistema eléctrico destacan los cortocircuitos o faltas debido a su frecuencia de ocurrencia relativamente elevada y a los graves efectos que pueden producir en la seguridad y estabilidad de operación del sistema eléctrico.udEntre los efectos adversos que puede provocar un cortocircuito en un sistema eléctrico se encuentran: los daños provocados a materiales y equipos que forman parte de la infraestructura eléctrica, los cortes en el suministro a los consumidores finales de electricidad y las pérdidas económicas asociadas para las compañías eléctricas, o la afectación a la estabilidad del sistema eléctrico.udDentro de los sistemas de protección utilizados para proteger las líneas de transmisión de energía eléctrica, se puede establecer una división entre los dispositivos encargados de la detección de cortocircuitos y los dispositivos que determinan la localización del lugar en el que ocurre la falta.udLos primeros, entre los que se encuentran los relés de protección de distancia y los relés de sobreintensidad, reciben las señales provenientes de los equipos de medida: transformadores de corriente y transformadores de tensión. En función de los valores de estas señales de tensión e intensidad y de la lógica seguida por los algoritmos implementados en los propios relés, éstos actuarán enviando señales que provoquen la operación de equipos de maniobra, como los interruptores, que aislarán el defecto y evitarán su propagación a otros elementos del sistema.udLos relés de protección deben de detectar la ocurrencia de un cortocircuito en el menor tiempo posible (en un orden de ms) para proteger la zona afectada de forma inmediata y evitar la afectación de otras zonas. La coordinación entre los relés de protección es de vital importancia para asegurar la fiabilidad, la selectividad y la seguridad en la operación de las proteccionesudPor otra parte, los dispositivos encargados de localizar el lugar en el que ocurre la falta, también llamados localizadores de faltas, reciben, al igual que los relés de protección, las señales de tensiones e intensidades procedentes de los transformadores de medida.udMediante métodos de cálculo desarrollados en los algoritmos implementados en ellos, se evalúa la localización de la falta a partir de las señales de entrada.udLa precisión en la localización del lugar en el que ocurre el cortocircuito debe ser muy elevada para poder solucionar el defecto ocurrido en la línea en el menor tiempo posible.udCuanto mayor sea esta precisión, más rápidamente detectarán los equipos de personal de reparación de las compañías eléctricas el lugar en el que ha ocurrido el defecto y devolverán antes a la línea a sus condiciones normales de operación.udSin embargo, la velocidad para determinar la localización del lugar en falta por parte del dispositivo localizador de faltas no es tan crítica y se encuentra en el orden de segundos e incluso minutos. Por esta razón, los dispositivos localizadores de faltas situados en los distintos extremos de una línea de varios terminales pueden intercambiar un gran volumen de datos a través de diversos canales de comunicación y, además, los retardos introducidos por la filtración de las señales y por la sincronización de los datos provenientes de varias fuentes no suponen un problema.udPara la localización de faltas, existen técnicas basadas en la obtención de datos recogidos en un único terminal de la línea. Otras técnicas, de mayor precisión, requieren considerar datos provenientes de dos o más terminales de una línea de transmisión.udEsto conlleva también unas mayores exigencias en cuanto a la coordinación de los dispositivos situados en diferentes extremos de la línea.udEn el primer capítulo de este trabajo, se introducen las técnicas de localización mencionadas. También se incluye en esta introducción algunas consideraciones básicas sobre cortocircuitos, como su tipología y las causas y consecuencias que puede tener su ocurrencia sobre un sistema eléctrico. Además, se mencionan los principales tipos de protecciones que suele haber en las líneas de transporte de electricidad. Dentro de estos tipos de protecciones se hace especial hincapié en los relés de protección diferencial, que son los dispositivos en los que se implementaría el algoritmo desarrollado en este trabajo y que constituye el principal objetivo del mismo.udEl algoritmo localizador de faltas desarrollado determina el lugar en el que ocurre un cortocircuito en una línea de tres terminales. Las líneas con varios terminales constituyen casos especiales dentro de la protección de las líneas de transmisión de electricidad y las técnicas de localización de faltas en este tipo de líneas requieren de métodos de cálculo específicos y requerimientos especiales para los dispositivos localizadores de faltas.udEl algoritmo se ha desarrollado partiendo de un modelo de línea de tres terminales, presentado de forma esquemática en el Capítulo 3. En este mismo capítulo también se presenta el Teorema de Fortescue, uno de los más importantes de la Ingeniería Eléctrica, el cual se utiliza en todos los desarrollos de ecuaciones a lo largo del trabajo.udPor último, en el Capítulo 3 se explica el método de cálculo empleado para simular situaciones de cortocircuito, particularizado para diferentes tipos de falta. Mediante estas simulaciones se obtendrán las tensiones e intensidades de entrada del algoritmo que servirán para evaluar su funcionamiento.udEn el Capítulo 4 se desarrolla la técnica de localización de faltas a partir de magnitudes de lazo de falta, que constituye el fundamento de los métodos basados en la utilización de datos que proceden de un único terminal de línea. El desarrollo teórico de esta técnica y su aplicación a casos particulares de falta es importante para conocer el origen de las expresiones matemáticas utilizadas en el algoritmo desarrollado.udEl Capítulo 5 desarrolla una explicación del método de los relés diferenciales aplicado a casos de cortocircuito particulares en una línea de dos terminales. A partir de esta técnica de localización de faltas se obtiene la ecuación básica de lazo de falta, que será la expresión a partir de la cual el algoritmo determina la localización del lugar en el que ocurre un cortocircuito. También se obtienen mediante esta técnica los diferentes valores de los coeficientes de ponderación que permiten particularizar para diferentes tipos de cortocircuito la ecuación básica de lazo de falta.udLa explicación e implementación del algoritmo localizador de faltas para una línea de tres terminales se efectúan en el Capítulo 6. Las expresiones matemáticas empleadas en el algoritmo se fundamentan en los resultados obtenidos en los capítulos anteriores.udEn cuanto a la estructura del algoritmo, está formada por tres subrutinas. Cada una de las subrutinas evalúa la localización de la falta en cada uno de los tres tramos de la línea. Una vez ejecutadas las tres subrutinas, actúa un procedimiento de selección que debe seleccionar la subrutina válida y el tramo de línea en el que realmente ocurre el cortocircuito. La explicación de este procedimiento de selección también está contenida en el Capítulo 6.udLa evaluación del funcionamiento del algoritmo, es decir, su capacidad para calcular con precisión el lugar en el que ocurre un cortocircuito en una línea de tres terminales, se realiza en el Capítulo 7. Para poder evaluar su funcionamiento, se utilizan como entradas del algoritmo las magnitudes de fase de las tensiones e intensidades obtenidas a partir de la simulación de diferentes situaciones de falta aplicadas en la línea modelo del Capítulo 3. Los resultados de las simulaciones de cortocircuitos se obtienen siguiendo el método de cálculo presentado en el Capítulo 3.udEn el Capítulo 8, como sugerencias para trabajos futuros, se proponen una serie de mejoras que podrían aplicarse al algoritmo desarrollado en este trabajo, las cuales aumentarían la precisión en la localización de la falta.udEn los últimos capítulos se recogen las conclusiones sobre el trabajo desarrollado, y se recopilan las referencias que se han seguido durante su desarrollo. También se incluye un capítulo donde se expone la planificación que se ha seguido durante el desarrollo del trabajo y el presupuesto asociado a su ejecución.udPor último, se incluyen tres anexos que constituyen las últimas páginas que forman parte de este trabajo. El primero recoge un breve desarrollo del modelo de línea de parámetros distribuidos para líneas de transmisión de grandes longitudes, que se utiliza en las ecuaciones que forman parte del algoritmo desarrollado. El segundo anexo es una versión del código del algoritmo localizador de faltas, el cual ha sido programado con Matlab. El último anexo corresponde al código de Matlab utilizado para simular una de las situaciones de falta (falta b-c-g en tramo de línea B-T) que se han programado para evaluar el funcionamiento del código del localizador de faltas.