NUEVOS SENSORES DE CORRIENTE Y TENSION DE MEDIA TENSION APLICADOS EN RELES DE PROTECCION

INTRODUCCION Los requerimientos técnicos y económicos en tableros de Media Tensión (MT) se han ido incrementando en estos últimos años. Las propiedades más requeridas son: −

Dimensiones pequeñas.

−

Planeamiento e implementación rápido de las instalaciones.

−

Flexibilidad para permitir futuros incrementos de los sistemas de distribución.

−

Alta confiabilidad, compatibilidad electromagnética y minimización del mantenimiento.

La nueva tecnología capaz de reunir estos requerimientos tiene las siguientes características: −

Integración de funciones y componentes para aprovechar al máximo permitido sus habilidades.

−

Prefabricación y soluciones estandarizadas.

−

Equipos de medición no convencionales e innovadores.

−

Moderno equipamiento secundario.

Los sensores expuestos abajo son del tipo de bobina de “Rogowski” para la medición de corriente y los divisores resistivos de tensión para medición de tensión. Sus principales beneficios son: −

Pequeño tamaño – ayuda a optimizar el espacio dentro de tableros.

−

Gran rango dinámico – permite la minimización del número del tipo de sensores necesarios y la mejora de algunas funciones de protección.

−

Funciones de medición y protección combinadas.

−

Alta confiabilidad y seguridad.

−

Bajo costo.

Estos nuevos sensores también utilizan mejor las ventajas de los modernos equipamientos secundarios que los transformadores de medición clásicos. Basado en un procesador de señal, los relés de protección necesitan solamente la información concerniente de los transformadores de corriente y tensión y también tienen la capacidad necesaria para procesar los datos medidos.

PRINCIPIOS DE LA NUEVA MEDICION EN LA PRACTICA Medición de Corriente El sensor de Rogowski está formado por una bobina toroidal, y la corriente pasa a través del centro del toroide (tal como indica la figura 1). La tensión de salida del sensor es proporcional a la derivada de la corriente. Como la bobina no tiene núcleo de hierro no ocurre el fenómeno de saturación. Esto resulta en un gran rango dinámico y una alta linealidad.

Figura 1. Bobina de Rogowski En realidad que la señal de salida no tenga relación directa con la corriente primaria, tiene que tenerse en cuenta dentro del contador en el diseño del equipamiento secundario. Esto puede ser realizado por medio de la integración digital de la señal. En las figuras 2 y 3 se muestra la corriente primaria real, la salida de tensión del sensor y la señal de corriente obtenida por integración de la salida. La corriente primaria fue medida con shunt. La tensión del shunt y de la bobina de Rogowski fueron mostradas via enlaces ópticos. La integración fue diseñada utilizando una computadora. 40

Current /kA

20 0 -20 -40 -60 -80

Figura 2: Corriente primaria (línea continua) y salida de tensión del sensor de corriente (línea de puntos)

Medición de Tensión El sensor de tensión es un divisor resistivo de tensión y entrega una señal proporcional a la tensión primaria fase-tierra. Las principales ventajas de esta medición son las buenas características en lo inherente a las condiciones de gran rango dinámico y alta linealidad. Algunas modificaciones son necesarias en la realización de los esquemas de protección: −

Sustracción digital para obtener la tensión fase-tierra.

−

Uo para la suma digital de la tensión fase-tierra

La señal digital procesada utilizada en un moderno equipamiento secundario (UPCM) que hace fácil la implementación de estos cálculos.

Figura 4: Divisor de tensión resistivo

Señales muy alta calidad A diferencia de los relés electromecánicos, estos modernos equipos no pueden ser alimentados con transformadores de medida. Ellos necesitan solamente los datos provenientes de las corrientes y tensiones primarias, en donde los sensores descriptos anteriormente son los ideales y poseen las siguientes características: −

Directamente compatible con la electrónica.

−

No igualado en sus necesidades por los transformadores de medida

−

Mejoramiento de la clase de precisión

Figura 5: TV, Sensor de Tensión, TI y Sensor de Corriente( de izquierda a derecha)

Figura 6: Combisensor (sensor de corriente y tensión combinados)

La no linealidad magnética de los núcleos de los transformadores de medida nos pone limitaciones físicas inevitables para los rangos y clases de medición. Sin embargo, estos novedosos sensores no dan beneficios que no son factibles con la tecnología convencional incluyendo,

−

Gran rango de medición combinada con alta clase. (ver figuras 11 y 12).

−

Integración de las funciones de protección y medición utilizando para ambas los mismos sensores.

Tabla 1 Sensor de Corriente

Sensor de Tensión

Tipo

KECA_A1

Ith/Idyn Iprimaria Usalida

31,5/80kA 80, 300, 800 o 1600 A 0,150 V

Frecuencia Precisión Rango de temp Interferencia telefónica

50-60 hz clase 1 -40...80°C < 0,2%

Tipo (para GIS) (para AIS) Ensayo de Tensión Unominal Uprimaria Usecundaria Frecuencia Precisión Rango de temp Interferencia telefónica Nivel de descargas parciales

KEVI 24 A1 KEVA 24 A1 50/125 kV 24 kV 20/√3 kV 2//√3 kV 50-60 hz clase 1/3P -40...80°C < 0,1% < 2pC

Combisensor Tipo (para GIS) (para AIS)

KEVICI 24 A KEVCA 24 A

La especificación de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) tiene cada ves más importancia en los diseños de equipamientos eléctricos. Estos nuevos sensores son superiores con respecto a sus colegas convencionales también en este aspecto. Los niveles de interferencia electromagnética invocados por las pequeñas salidas de tensión son despreciables, por el contrario la corriente secundaria de los transformadores de corriente (TI)en condiciones de falla alcanza altos valores, del orden de algunos de cientos de amperes por lo cuál estos están produciendo un disturbio significativo. Como contraste, los sensores son más susceptibles a interferencia debido a su pequeños niveles de señales. Este problema puede ser eliminado usando cables mallados de pequeñas longitudes diseñado convenientemente para sensores y equipos electrónicos. Los nuevos sensores y los tableros Dimensiones pequeñas El tamaño de los tableros de Media Tensión se ha ido reduciendo drásticamente en estos últimos años. Esto visto especialmente a los tableros aislados en SF6 (GIS), el volumen de cuanto puede ser, tiene que ver con que actualmente estos son la mitad de los aislados en aire (AIS). Los transformadores de medida convencionales ocupan una parte creciente del espacio disponible en los modernos tableros y hacen que una mayor disminución del tamaño sea imposible. Los nuevos y pequeños sensores son, por lo tanto, necesarios para aprovechar todas las ventajas tecnologicas de los GIS (tableros aislados en SF6). El sensor de Rogowski puede ocupar un lugar alrededor de los bushings, en un espacio muy pequeño y el volumen del divisor resistivo es solamente la tercera parte de lo que ocupa un transformador de

tensión (TV). Adicionalmente el espacio ocupado puede alcanzar para ubicar ambos tipo de sensor o un Combisensor (sensor de tensión y corriente combinados). El método de triángulo abierto para medición de tensión residual no cumple con la idea del tablero compacto y el mínimo cableado. La nueva técnica basada en la adición digital de la tensión de fase-tierra ayuda a omitir los TV’s antes necesarios para este propósito. La adición digital puede ser utilizada, también, para la medición de la corriente residual. Asi un sensor separado para medir Io no es necesario.

Tableros Standarizados La standarización de los tableros en una tendencia beneficiosa para ambos, las fábricas y los usuarios que puede ser utilizada para disminuir los tiempos de fabricación y paradas de planta. Las Unidades de Control, Protección y Medición(UCPM) pueden precablearse y ensayarse en la fábrica, dejando solamente el las barras y la conexión del cable primario como los trabajos en sitio.

Figura 7-Dos generaciones diferentes de tableros. A la izquierda se encuentra un tablero ZS1(AIS) para 24 kV2kA, con transformadores convencionales de Corriente y Tensión. A la derecha se encuentra a un tablero ZX1 (GIS) con sensores (24 kV, 25 kA)

La bobina de Rogowski y los divisores de tensión tienen claras ventajas en lo visto a la prefabricación de los tableros incluyendo: −

Pequeño tamaño, poco peso y facilidad de instalación.

−

Standarización y reducción de costos debido al limitado número de sensores requeridos.

La utilización de transformadores de medida envuelve mucho planeamiento y chequeo de muchos detalles técnicos como ser: −

Corriente de carga de los equipos a alimentar actuales y en el futuro.

−

Nivel de tensión.

−

Las prestaciones, los rangos de tensión de los secundarios.

−

Esfuerzos térmicos y electrodinámicos de corrientes de cortocircuito.

−

Factores limitadores de la clase.

La elección de los nuevos sensores se hace con un criterio simple y para esto no son necesarios laboriosos cálculos debido a: −

El sensor de corriente puede seleccionarse de acuerdo a la capacidad de interrupción del interruptor o del rango del propio tablero.

−

Solamente un tipo de sensor de tensión se requiere para tensiones de hasta 24 kV.

−

El empleo de los sensores en las Unidades de Control, Protección y Medición(UCPM) es posible sin el conocimiento de las futuras corrientes y tensiones.

Los sensores elegidos anteriormente son aptos para soportar todas las condiciones de los tableros. Las fábricas de línea de productos y de tableros están simplificadas y los clientes poseen una solución muy flexible. Con esto es posible aumentar la tensiones y las corrientes de carga sin ninguna necesidad de reemplazar los sensores. En el futuro, las nuevas normas aparecerán probablemente en todo lo concerniente a tableros integrados. Cuando el tablero o la Unidad de Control, Protección y Medición(UCPM) forme un sistema completo apropiado para tratar la norma como una solución completa también. En esta instancia parte de los ensayos están hechos en los relés de protección y en los transformadores de medida separadamente, podrán reemplazarse por ensayos relativos a la performance de los sensores juntos con el equipamiento secundario.

Aumento de la confiabilidad y seguridad Los sensores tienen un impacto positivo en la confiabilidad de los tableros. El riesgo de daños por errores humanos se reducen con el uso de sensores por las siguientes razones: −

Fácil instalación.

−

Errores causados por el incorrecto cableado.

−

Es posible la apertura segura y el cortocircuito de los secundarios de los sensores, sin producir sobretensiones o sobrecalentamientos.

−

Tensiones pequeñas de salida.

A diferencia de los TV’s (transformadores de tensión), los divisores de tensión no da lugar a ferroresonancia, así se minimiza el riesgo de perjudiciales sobretensiones.

Experiencias de Servicio

La estabilidad a largo plazo y la vida de los sensores puede ser probada de dos diferentes formas: −

El ensayo de estabilidad a largo plazo del sensor de tensión (usando un 70% de sobretensión, comenzando hace más de 7 años).

−

Ensayos de servicio para sensores en tableros (ensayo en condiciones de operación reales comenzado hace más de 8 años).

Los ensayos standard consisten de los ensayos rutina normales (por ej. ensayos de tensión y clase de precisión). La experiencia en estos campos ha sido muy buena. No se han visto problemas de precisión o en las propiedades de la aislación.

a

Modernos relés de protección (UCPM)

La nueva generación de relés de protección se refleja en la tendencia general en el área de la tecnología de distribución eléctrica y apunta a lo siguiente: −

El uso de relés de protección como una parte optimizada del tablero.

−

Integración con los sistemas de control remoto.

−

Integración de la protección y el control.

−

Aumento de la facilidad de operación.

−

Flexibilidad y cofigurabilidad.

−

Aumento de los requerimientos y confiabilidad.

Los procesadores de señales digitales de los modernos relés de protección también hacen esto más fácilmente debido a las operaciones matemáticas, que son necesarias en el uso de sensores. 3

3

PROGRAM

RED 500

ABB Network Partner

3

Remote Control

a Connection

SPAD 346 C

Control Unit

00 2 9 A

0 0 23 A

00nnA

0 02 1 A

3

REDPartner 500 ABB Network

Differential Relay

Substation Control Unit

RED 500

ABB Network Partner

I0

3 3

Optical Field Bus

ABB Network Partner

RED 500

ABB Network Partner

RED 500

ABB Network Partner

3

3

Protection and Control Unit

RED 500

3

3

3

I0

Protection and Control Unit

3

I0

Protection and Control Unit

I0

Protection and Control Unit

Figura 8: Esquemas con el uso de sensores de corriente y tensión para control, protección y medición.

AR

Net Com

Al

Interlo

Feeder M

MV

Eme C B O C

Z L Re L and

Mk MA

0 M

1

0 M

1

0

1

M

Eilnec t t

↵

L inot

Figura 9: Unidad que combina el Control, la protección y la medición

Funciones mejoradas en los relés de protección Los principios de medición de la bobina de Rogowski provee un gran rango dinámico, sin distorsión de las señales secundarias, inmunidad para los componentes de CC y la alta linealidad. Las funciones del relé asi mejoran la clase de precisión, la estabilidad y la selectividad

¿Cuándo es necesario un gran rango dinámico? Las corrientes de falla pueden algunas veces ser muy altas, y los transformadores de corriente no son capaces de medirlas satisfactoriamente, por esta razón la protección hace algoritmos y cualquiera de los dos hace algoritmos que son inexactos o serían de un elevado costo utilizando la tecnología convencional. El rango de medición de un TI puede ser incrementado de dos maneras. El núcleo de hierro puede ser sobredimensionado o se puede linealizar con un entrehierro. El sobredimensionamiento tiene altos costos y grandes dimensiones, por otro lado un gran entrehierro incrementa el error. Ambos problemas están solucionados con los sensores de corriente basados en la bobina de Rogowski.

Monitores de interruptores El monitoreo de los interruptores es una de las funciones mejoradas con el uso de los sensores. Tal monitoreo está basado en al integración de la corriente interrumpida, los valores acumulados de que es un buen indicador de necesidad de mantenimiento. La confiabilidad del monitoreo, sin embargo, está reducida sensiblemente por la saturación de los TI’s convencionales. Los altos picos de corriente interrumpida, que producen esfuerzos en el interruptor, no son medidos correctamente. El gran rango dinámico de las bobinas de Rogowski hace confiable el monitoreo de los interruptores y esto está disponible a un muy bajo costo. Los periódicos mantenimientos de los interruptores se hacen innecesarios, el cuál produce importantes ahorros.

Localización de Fallas Después de que el relé ha operado y quedó fuera de servicio la sección fallada de una red de distribución, hay una necesidad urgente de localizar el lugar de la falla y reparararla rápidamente. Los valores de corriente y tensión antes del disparo del interruptor nos indica la ubicación de la falla. La precisión de los valores grabados es mejorada con el uso de sensores de corriente. Esto en hace más precisa la ubicación de la falla esto clarifica el lugar, acorta los tiempos y reduce los costos por interrupciones.

Output error

0.10% 0.05% 0.00% -0.05% -0.10% -40

-20

0

20

40

60

80

Temperature [C]

Fig. 12. Salida del sensor de corriente Rápida y selectiva protección de sobrecorriente

Para minimizar los daños causados por las corrientes de cortocircuito, es esencial que el interruptor trabaje rápidamente. Como la bobina de Rogowski no se satura y no tiene, tampoco, ningún tipo de magnetismo remanente, con lo que se mejora los algoritmos de protección incluyendo: -

La señal del secundario siempre libre de distorsión y con esto se disminuyen los tiempos de operación de la protección de sobrecorriente. No tiene problemas con los componentes de Corriente Continua. Medición precisa del angulo de fase bajo todas las condiciones, asegurando la selectiva direccionalidad del algoritmo de protección.

El uso de la salida directamente de la bobina de Rogowski sin integración posee las siguientes ventajas: -

No tiene componentes de Corriente Continua. A causa de la derivación, los valores pico pueden ser detectados antes de que ocurran en el primario de corriente. Mayor rapidez y la mayor precisión posible en el disparo instantáneo.

Protección selectiva de falla a tierra direccional La mayor cantidad de fallas en redes de distribución eléctrica, son las fallas a tierra. La protección contra estas es, por lo tanto, una de las principales funciones de los relés de protección. La selectividad de esta protección tiene que hacer frente a los siguientes inconvenientes: -

Necesidad de algoritmos direccionales para pequeñas fallas a tierra. Diferencia de fase entre corriente residual y la tensión la que varía de mucho, haciendo el margen de selectividad estrecho, y seteando para altos requerimientos en la precisión de la medición del angulo de fase.

El TI y el juego de transformadores necesarios en el relé son alineales haciendo el desplazamiento de fase muy grande cuando las corrientes son pequeñas. Hay entonces bajo un limite para las corrientes que se pueden medir con una precisión aceptable, que reduce la sensibilidad del esquema sensiblemente. Porque la bobina de Rogowski tampoco tiene un núcleo magnético no necesita coincidir con los transformadores, los desplazamientos de fase son insignificantes también cuando medimos pequeñas

corrientes. La sensibilidad y la selectividad de la protección direccional de falla a tierra es así mejorada con los nuevos sensores.

Desarrollos Futuros

Los sensores presentados en este articulo fueron diseñados para los tableros compactos de Media Tensión. Sin empargo, es probablemente que sus principios de medición también se usarán en los siguientes campos de aplicación: -

-

Equipamiento de indicación de fallas y monitoreo, control de cargas en las redes de distribución. El pequeño tamaño y el gran rango dinámico de los sensores tiene distintas ventajas. La protección diferencial de transformadores y generadores de potencia, donde la bobina de Rogowski es no saturable permite instalar algoritmos selectivos. Reemplazo de los transformadores de medida convencionales usados en Alta Tensión y Muy Alta Tensión, usando sensores activos con la electronica integrada y las señales de transmisión óptica.

La primera idea de los sensores activos es probablemente la realización en tableros eléctricos integrados de Media Tensión. El equipamiento secundario deberá entonces ser puramente digital c on las conección de los sensores a fibra óptica. En el futuro la medición de de tensión estará en algunos casos probablemente basada en en divisores capacitivos. Sus ventajas son: -

Pequeño tamaño. Forma coaxial. Puede ser cable colocado alrededor de los bushings e integrado con la bobina de Rogowski. Es posible el testeo de cables en corriente continua

Conclusiones La introducción de la bobina de Rogowski y del divisor resistivo de tensión es un paso adelante en la medición de corriente y tensión en los sistemas de media tensión. La nueva medición garantiza los principios de alta calidad de las señales y el pequeño tamaño de los sensores. La alta calidad de las señales de salidas de los sensores mejoran las ventajas de las funciones de los relés de protección. La protección de sobrecorriente se hace más rápida y tenemos también una protección direccional de fallas a tierra más sensitiva. La selectividad de ambos es mejorada. La condición de monitoreo de los interruptores es económicamente factible, y precisión de la ubicación de las fallas es incrementada. Los nuevos sensores junto con el equipamiento secundario sirve para la optimización de los tableros. El gran rango dinámico combinado con la alta precisión facilita la integración de las funciones de protección y medición y los pequeños tamaños ayudan a reducir las dimensiones de los tableros. Los sensores toman como base el concepto de la standarización y la prefabricación de tableros. La tendencia es beneficiosa para los fabricantes y los usuario, como el planeamiento, instalación, los tiempos de supervisión son reducidos drásticamente.

La confiabilidad y la seguridad de los tableros es mejorada con los sensores. Las fallas en sus conexiones eléctricas no causan un perjuicio inmediato, por ej., los circuitos secundarios pueden ser abiertos con seguridad, corto circuitos. Y a diferencia de los transformadores de tensión, los sensores basados en divisores de tensión no hacen aumentar la ferroresonancia en ciertas condiciones. Los nuevos sensores con las aplicaciones de los relés de protección son una parte natural del progreso en tiene continuidad en los tableros de media tensión por muchos años. Debido a sus beneficios técnicos y económicos la bobina de Rogowski y el divisor resistivo se están, por lo tanto, haciendo populares en las nuevas instalaciones como una extensión de los más antiguos.