Procedimiento y sistema para la protección diferencial de corriente.

Se proporciona protección diferencial de corriente con compensación de corriente de carga para un aparato de suministro eléctrico,

tal como una línea de alta tensión. Los terminales individuales determinan dinámicamente sus respectivas contribuciones, si las hubiera, al valor de compensación de corriente de carga según cambia dinámicamente la disponibilidad de una o más fuentes de voltaje dentro del aparato de suministro eléctrico. Los respectivos terminales calculan contribuciones locales a un valor de compensación de corriente de carga en base a mediciones locales de voltaje. Una pérdida de una fuente de voltaje se aborda ajustando coeficientes para los restantes puntos de compensación, a fin de reflejar la corriente de carga total. Una contribución local se suprime cuando la fuente local de voltaje ya no está disponible. Después de aplicar las contribuciones locales, puede usarse un análisis de plano alfa para determinar cuándo activar el aparato de suministro eléctrico.

Procedimiento y sistema para la protección diferencial de corriente.

Campo técnico La presente invención se refiere a sistemas de protección diferencial. Más específicamente, la invención describe sistemas y procedimientos para la protección diferencial de corriente de línea con compensación de corriente de carga que sea tolerante a la pérdida de una o más fuentes de entrada de voltaje.

Antecedentes de la invención La compensación de corriente de carga es una función útil de un relé diferencial de corriente de línea. Las líneas aéreas de alta tensión pueden derivar alrededor de 1A por cada km de longitud (alrededor de 1, 6A por milla) . Para cables de alta tensión y líneas aéreas de ultra alta tensión, la corriente total de carga puede añadir cientos de amperios primarios. En algunos casos, la corriente de carga puede ser comparable con la corriente de falta, corriente de fuga.

En general, la corriente de carga se presenta como una señal diferencial espuria en un sistema de protección diferencial de corriente y puede afectar tanto a la seguridad como a la sensibilidad de la protección diferencial cuando se aplica a líneas o cables largos. Con respecto a la seguridad, puede ser necesario insensibilizar intencionalmente una función de protección diferencial fijando su umbral de activación por encima de la corriente de carga total de la línea, para garantizar el no funcionamiento en la condición de alimentación de extremo único. Esto afecta a la sensibilidad. En otro aspecto, la corriente de carga capacitiva reduce la corriente de falta inductiva en las entradas medidas por el relé durante fallos internos, reduciendo la sensibilidad de otra manera distinta.

La corriente de carga de línea puede afectar a la fase y a los elementos diferenciales de secuencia tanto en el estado estable como durante las corrientes transitorias. Sin embargo, la corriente de carga de línea puede afectar a un elemento diferencial de fase más de lo que afecta a un elemento de secuencia (p. ej., un elemento de secuencia negativa o un elemento de secuencia cero) . Considérese, por ejemplo, la excitación de la línea, los fallos externos y los fallos internos en el contexto de la corriente de carga de línea. Durante la excitación de la línea de un aparato de suministro eléctrico que incluye una línea de transmisión, un terminal energizador deriva la corriente de carga total. Si el voltaje energizador es equilibrado y la línea está bien traspuesta, la corriente de carga es de secuencia positiva y afecta solamente a los elementos de fase.

Si la línea y/o el voltaje de suministro están desequilibrados, puede fluir una corriente de carga desequilibrada. Según la corriente de carga se suministra desde un terminal solamente, parece como una corriente de alimentación única y, como tal, generalmente no puede ser abordada usando los procedimientos restrictivos conocidos. Aumentar la activación permanentemente por encima de la corriente de carga, o usar el estado del interruptor remoto para estimular temporalmente la seguridad, son formas de tratar la corriente de carga de la línea durante la excitación.

Si la línea no está bien traspuesta y la corriente de carga total es alta, puede ser necesario aumentar la activación de las funciones de secuencia negativa y de secuencia cero considerablemente, disminuyendo potencialmente su alta sensibilidad natural de protección.

Durante los fallos externos, los cambios en los voltajes inducen corriente de carga extra. Esto incluye tanto el comienzo como el despeje del fallo. Como los voltajes de fallo son desequilibrados, pueden inducirse corrientes de carga simétricas, lo que puede afectar a las funciones de secuencia negativa y de secuencia cero. Esta situación puede no ser una preocupación mayor, sin embargo, ya que la corriente de fallo externo produce restricciones para las tres funciones diferenciales (fase, secuencia negativa y secuencia cero) . Estos términos restrictivos permiten contrapesar el componente de corriente de carga en la corriente diferencial. Los sistemas débiles pueden presentar algún desafío, ya que no generan grandes corrientes que estimulen las restricciones, pero permiten que los voltajes se reduzcan considerablemente, creando mayores corrientes de carga.

Durante los fallos internos, la corriente de carga causada por el cambio en los voltajes se resta de la corriente de falta, reduciendo potencialmente la sensibilidad de la protección aplicada. Habitualmente, esto no es una preocupación mayor para las funciones de secuencia negativa y de secuencia cero, porque la alta sensibilidad se requiere durante los fallos de tierra de alta resistencia, y estos fallos generalmente no cambian mucho los voltajes. Por lo tanto, solamente se generan pequeñas corrientes de carga de secuencia cero y negativa durante los fallos de alta resistencia. Sin embargo, si las configuraciones de activación se aumentan para tratar la excitación de una línea débilmente traspuesta, la sensibilidad puede verse afectada.

La corriente de carga de línea puede no ser una preocupación mayor para las funciones de secuencia negativa y de secuencia cero, a menos que la línea no esté bien traspuesta o funcione bajo un considerable desequilibrio, por ejemplo, causado por el funcionamiento de un reactor de fase única. Si se requiere alta sensibilidad de la función diferencial de fase, la corriente de carga de línea, sin embargo, es una preocupación significativa.

En general, puede calcularse un valor de la corriente de carga de línea en base a los voltajes medidos y a la capacitancia equivalente de la línea protegida. El uso de voltajes para compensar la función diferencial de corriente crea una dependencia sobre las mediciones de voltaje, lo que compromete la fiabilidad de la protección cuando las entradas de voltaje quedan no disponibles, tal como ante la pérdida de condiciones potenciales, o cuando se usan VT (transformadores de voltaje) del lado del bus y se abre la línea (desconectada del bus mediante un interruptor abierto o un conmutador de desconexión) .

Por otro lado, la Patente Estadounidense Nº 6.518.767, titulada “Sistema de protección diferencial de línea para una línea de alta tensión”, y cedida al cesionario de la presente invención, describe un sistema de protección de plano alfa. El principio de protección diferencial de corriente de plano alfa (o principio de plano alfa) descrito en dicha Patente Estadounidense Nº 6.518.767 proporciona un sistema de protección diferencial de línea que, si bien aún depende de un canal de comunicación, incluye mejoras significativas con respecto a otras consideraciones de sistema, incluso una alta cobertura de resistencia a fallos y características operativas y sensibilidad mejoradas, manteniendo a la vez la seguridad del sistema de suministro eléctrico.

Descripción de la invención La presente invención describe un procedimiento y un sistema para la protección diferencial de corriente. Así, según ciertas realizaciones descritas más adelante en el presente documento, un sistema diferencial de corriente de línea compensa la corriente de carga de línea incluso cuando algunas fuentes de voltaje quedan no disponibles. El sistema continúa compensando la corriente de carga de línea mientras esté disponible una única medición de voltaje en uno de los terminales de un aparato multi-terminal que incluye una línea de transmisión bajo protección.

En una realización, según se expone en detalle más adelante, cada relé de un sistema de protección diferencial de línea, que normalmente tiene acceso al voltaje, calcula corrientes de carga de fase en base a los voltajes de fase medidos y las capacitancias de la línea de transmisión. Un relé puede calcular las corrientes de carga, por ejemplo, usando valores instantáneos del voltaje y calculando valores instantáneos de la corriente en base al principio dv/dt, que es la tasa instantánea del cambio de voltaje con respecto al tiempo, usado al aplicar la ley de Ohm a las capacitancias. En otras realizaciones, el relé puede usar fasores para calcular las corrientes de carga. La capacitancia de línea puede representarse por los valores de secuencia positiva y cero o, con más precisión (p. ej., para líneas no traspuestas) , por una matriz de 3x3 que describe la relación entre el voltaje y la corriente de carga para una línea trifásica.

Cada terminal determina una adecuación de su voltaje local para su uso en la compensación de la corriente de carga. Por ejemplo, el voltaje se marca como inadecuado tras la pérdida de potencial (p. ej., un transformador de voltaje (VT) falla) , o cuando se usa un VT del bus pero la línea está desconectada del bus. Si el voltaje se marca como inadecuado, el...

1. Un procedimiento para la protección diferencial de corriente que usa compensación de corriente de carga para un aparato de suministro eléctrico, caracterizado porque los terminales individuales determinan dinámicamente sus respectivas contribuciones, si las hubiera, a la compensación de corriente de carga según cambia dinámicamente la disponibilidad de una o más fuentes de voltaje dentro del aparato de suministro eléctrico, comprendiendo el procedimiento:

calcular, en los respectivos terminales del aparato de suministro eléctrico, contribuciones locales a un valor de compensación de corriente de carga, basada cada contribución local en una medición local de voltaje, un valor de capacitancia de línea y un coeficiente correspondiente a un número total de terminales que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga;

determinar un cambio en el número de terminales que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga según cambia dinámicamente la disponibilidad de una o más fuentes de voltaje dentro del aparato de suministro eléctrico;

en respuesta al cambio en el número de terminales que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga, ajustar automáticamente el coeficiente de modo tal que una suma de las contribuciones locales represente una corriente de carga total; y

activar selectivamente el aparato de suministro eléctrico en base a la protección diferencial de corriente de línea y al valor de compensación de corriente de carga.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende adicionalmente: medir una corriente diferencial parcial en cada terminal; restar las contribuciones locales a las respectivas corrientes diferenciales parciales; y transmitir las corrientes diferenciales parciales con respectivos indicadores que indican si cada correspondiente corriente

diferencial parcial transmitida está contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga.

3. El procedimiento de la reivindicación 2, caracterizado porque el coeficiente comprende la inversa de una suma de los indicadores que indican que la correspondiente corriente diferencial parcial transmitida está contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga.

4. El procedimiento de la reivindicación 2, caracterizado porque la determinación del cambio en el número de terminales que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga comprende:

determinar que una fuente local de voltaje en un terminal local está indisponible;

en respuesta a la determinación, fijar un coeficiente local en cero, de modo tal que la correspondiente contribución local al valor de compensación de corriente de carga sea cero, y fijar un indicador local para indicar que el terminal local no está contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga; y

transmitir un valor de corriente diferencial parcial local y el indicador local desde el terminal local a los otros terminales.

5. El procedimiento de la reivindicación 4, caracterizado porque la contribución local al valor de compensación de corriente de carga en el terminal local, representado como iC1, se convierte a partir de un valor local v1 de voltaje, según:

iC1 = 1/T * CTOTAL * d/dt (v1) ,

en donde T es el número de terminales que contribuyen a la compensación de corriente de carga, CTOTAL es la capacitancia de línea total estimada y d/dt (v1) es la derivada del valor v1 de voltaje local con respecto al tiempo t.

6. El procedimiento de la reivindicación 2, caracterizado porque comprende adicionalmente: calcular una corriente diferencial global como una suma de los valores transmitidos de corriente diferencial parcial; calcular una corriente restrictiva global correspondiente a una magnitud de los valores medidos de corriente diferencial

parcial; determinar componentes de alta frecuencia de una corriente diferencial total; y amplificar la corriente restrictiva global en base a una magnitud de los componentes de alta frecuencia.

7. El procedimiento de la reivindicación 6, caracterizado porque activar selectivamente el aparato de suministro eléctrico comprende:

convertir la corriente diferencial global y la corriente restrictiva global en una primera corriente equivalente de un aparato equivalente de suministro eléctrico de dos terminales y en una segunda corriente equivalente del aparato equivalente de suministro eléctrico de dos terminales,

en el cual una suma de la primera corriente equivalente y de la segunda corriente equivalente es esencialmente igual a la corriente diferencial global del aparato de suministro eléctrico original, y

en el cual los valores de la primera corriente equivalente y de la segunda corriente equivalente producen esencialmente la corriente restrictiva global del aparato de suministro eléctrico; y

en base a la primera corriente equivalente y a la segunda corriente equivalente, activar selectivamente el aparato de suministro eléctrico multi-terminal.

8. El procedimiento de la reivindicación 7, caracterizado porque activar selectivamente en base a la primera corriente equivalente y a la segunda corriente equivalente comprende:

aplicar un análisis de plano alfa a la primera corriente equivalente y a la segunda corriente equivalente para determinar si se proporciona o se bloquea una señal de activación.

9. Un procedimiento para la protección diferencial de corriente que usa plano alfa con compensación de corriente de carga, caracterizado porque comprende: medir corrientes locales en los respectivos terminales de un aparato de suministro eléctrico;

calcular contribuciones locales, en los respectivos terminales, a un valor de compensación de corriente de carga; aumentar intencionalmente las corrientes locales medidas restando las respectivas contribuciones locales a las correspondientes corrientes locales medidas;

calcular una razón compleja de corrientes correspondiente a las corrientes aumentadas; aplicar un análisis de plano alfa a la razón compleja de corrientes; y activar selectivamente, en base al análisis de plano alfa, el aparato de suministro eléctrico.

10. El procedimiento de la reivindicación 9, caracterizado porque el cálculo de las contribuciones locales al valor de compensación de corriente de carga comprende:

medir uno o más voltajes locales en los respectivos terminales;

determinar coeficientes locales en base a un número total de terminales que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga;

fijar en cero coeficientes locales asociados a terminales que no están contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga; y

calcular cada contribución local como un producto del respectivo coeficiente local, una capacitancia de línea estimada y una derivada del respectivo voltaje local con respecto al tiempo.

11. El procedimiento de la reivindicación 10, caracterizado porque comprende adicionalmente:

transmitir las corrientes aumentadas entre cada uno de los terminales, junto con los respectivos indicadores que indican si las corrientes transmitidas están contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga.

12. El procedimiento de la reivindicación 11, caracterizado porque comprende adicionalmente:

determinar un cambio en el número de terminales que están contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga según cambia dinámicamente la disponibilidad de una o más fuentes de voltaje dentro del aparato de suministro eléctrico;

en respuesta al cambio en el número de terminales que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga, ajustar automáticamente los coeficientes locales de modo tal que una suma de las contribuciones locales represente una corriente de carga total.

13. El procedimiento de la reivindicación 11, caracterizado porque el cálculo de la razón compleja de corrientes comprende: calcular una corriente diferencial global como una suma de las corrientes transmitidas;

calcular una corriente restrictiva global; convertir la corriente diferencial global y la corriente restrictiva global en una primera corriente equivalente de un aparato de suministro eléctrico equivalente de dos terminales y en una segunda corriente equivalente del aparato de suministro eléctrico equivalente de dos terminales,

en el cual una suma de la primera corriente equivalente y de la segunda corriente equivalente es esencialmente igual a la

corriente diferencial global del aparato de suministro eléctrico original, y en el cual los valores de la primera corriente equivalente y de la segunda corriente equivalente producen esencialmente la corriente restrictiva global del aparato de suministro eléctrico; y

calcular una razón compleja de corrientes entre la primera corriente equivalente y la segunda corriente equivalente.

14. El procedimiento de la reivindicación 13, caracterizado porque la aplicación del análisis de plano alfa comprende:

calcular un valor de magnitud de la razón compleja entre la primera corriente equivalente y la segunda corriente equivalente; calcular un valor de diferencia angular entre la primera corriente equivalente y la segunda corriente equivalente; y comparar el valor de magnitud de la razón y el valor de diferencia angular con valores preseleccionados que establecen

una región de fase en un plano de razones de corriente,

en donde, cuando el valor de magnitud de la razón y el valor de diferencia angular están fuera de la región establecida, se permite la activación, y en donde, cuando el valor de magnitud de la razón y el valor de diferencia angular están dentro de la región establecida,

se bloquea la activación.

15. Un sistema para la protección diferencial de corriente que usa compensación de corriente de carga para un aparato de suministro eléctrico, caracterizado porque comprende:

un relé local para determinar valores locales de corriente y un valor de voltaje en un terminal local de un aparato de suministro eléctrico; y

uno o más relés remotos para determinar valores remotos de corriente y valores de voltaje en respectivos terminales remotos del aparato de suministro eléctrico,

estando el relé local configurado para:

calcular una contribución local a un valor de compensación de corriente de carga en base al valor local de voltaje, un valor de capacitancia de línea y un coeficiente correspondiente a un número total de relés que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga;

determinar un cambio en el número de terminales que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga según cambia dinámicamente la disponibilidad de una o más fuentes de voltaje dentro del aparato de suministro eléctrico;

en respuesta al cambio en el número de terminales que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga, ajustar automáticamente el coeficiente de modo tal que una suma de la contribución local y de contribuciones remotas cualesquiera represente una corriente de carga total; y

activar selectivamente el aparato de suministro eléctrico en base a la protección diferencial de corriente de línea y al valor de compensación de corriente de carga.

16. El sistema de la reivindicación 15, caracterizado porque el relé local está adicionalmente configurado para: medir una corriente diferencial parcial local; restar la contribución local a la corriente diferencial parcial local;

transmitir la corriente diferencial parcial local con un indicador local que indica si la corriente diferencial parcial local transmitida está contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga; y

recibir, desde uno o más relés remotos, una o más corrientes diferenciales parciales remotas con los correspondientes indicadores remotos que indican si cada una de las corrientes diferenciales parciales remotas está contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga.

17. El sistema de la reivindicación 16, caracterizado porque el coeficiente comprende la inversa de una suma de los indicadores locales y remotos que indican que su respectivo terminal está contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga.

18. El sistema de la reivindicación 16, caracterizado porque el relé local está configurado para determinar el cambio en el número de terminales que contribuyen al valor de compensación de corriente de carga:

determinando que la fuente local de voltaje está indisponible;

en respuesta a la determinación, fijando un coeficiente local en el relé local en cero, de modo tal que la correspondiente contribución local al valor de compensación de corriente de carga sea cero, y fijando el indicador local para indicar que el relé local no está contribuyendo al valor de compensación de corriente de carga; y

transmitiendo el valor de corriente diferencial parcial local y el indicador local desde el relé local a los uno o más relés remotos.

19. El sistema de la reivindicación 18, caracterizado porque la contribución local al valor de compensación de corriente de carga en el relé local, representada como iC1, se convierte a partir de un valor local v1 de voltaje, según:

iC1 = 1/T * CTOTAL * d/dt (v1) ,

en donde T es el número de relés que contribuyen a la compensación de corriente de carga, CTOTAL es la capacitancia de línea total estimada y d/dt (v1) es la derivada del valor v1 de voltaje local con respecto al tiempo t.

20. El sistema de la reivindicación 16, caracterizado porque el relé local está adicionalmente configurado para: calcular una corriente diferencial global como una suma de las corrientes diferenciales parciales locales y remotas; calcular una corriente restrictiva global correspondiente a una magnitud de los valores de las corrientes diferenciales

parciales locales y remotas; determinar componentes de alta frecuencia de la corriente diferencial global; y amplificar la corriente restrictiva global en base a una magnitud de los componentes de alta frecuencia.

21. El sistema de la reivindicación 20, caracterizado porque el relé local está configurado para activar selectivamente el aparato de suministro eléctrico:

convirtiendo la corriente diferencial global y la corriente restrictiva global en una primera corriente equivalente de un aparato de suministro eléctrico equivalente de dos terminales y en una segunda corriente equivalente del aparato de suministro eléctrico equivalente de dos terminales,

en el cual una suma de la primera corriente equivalente y de la segunda corriente equivalente es esencialmente igual a la corriente diferencial global del aparato de suministro eléctrico original, y

en el cual los valores de la primera corriente equivalente y de la segunda corriente equivalente producen esencialmente la corriente restrictiva global del aparato de suministro eléctrico; y

en base a la primera corriente equivalente y a la segunda corriente equivalente, activando selectivamente el aparato de suministro eléctrico.

22. El sistema de la reivindicación 21, caracterizado porque el relé local está adicionalmente configurado para aplicar un análisis de plano alfa a la primera corriente equivalente y a la segunda corriente equivalente, para determinar si se proporciona o se bloquea una señal de activación.

23. Un sistema para la protección diferencial de corriente que usa compensación de corriente de carga para un aparato de suministro eléctrico, caracterizado porque comprende:

medios para medir corrientes locales en los respectivos terminales de un aparato de suministro eléctrico;

medios para calcular contribuciones locales, en los respectivos terminales, a un valor de compensación de corriente de carga;

medios para aumentar intencionalmente las corrientes locales medidas restando las respectivas contribuciones locales a las correspondientes corrientes locales medidas;

medios para calcular una razón compleja de corrientes correspondiente a las corrientes aumentadas; 10 medios para aplicar un análisis de plano alfa a la razón compleja de corrientes; y

medios para activar selectivamente, en base al análisis de plano alfa, el aparato de suministro eléctrico.