Part I: New Subgrid Approximations for the Conservative Cascade
3.1 Spatial Approximation Performances
3.1.1.1 Semi-Lagrangian CCS
El PCS-985B tiene la posibilidad de implementar la protección de falla a tierra del rotor de dos formas, tipo “ping-pang” o con inyección de tensión alterna, y pude funcionar para falla a tierra en uno o dos puntos del devanado.
Protección tipo “ping-pang”:
Falla en un punto
Al ocurrir una falla a tierra en el devanado del rotor la resistencia de aislamiento entre este y el eje de la máquina disminuirá, la protección tipo “ping-pang” mide la resistencia a tierra Rg mediante un puente desbalanceado como se muestra en la figura 2.1, cambiando S1 y S2 alternativamente se obtiene el valor de la resistencia a tierra (Rg) y localización del punto a tierra (α).
Figura 2.1: Esquema del principio de medición tipo “ping-pang”.
Existen dos etapas: una etapa sensible empleada para alarma, y una etapa denominada regular, estándar o normal que puede ser ajustada para disparo o alarma. En la figura 2.2 se muestra el diagrama lógico de esta protección.
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Figura 2.2: Diagrama lógico de protección tipo ping-pang para falla a tierra en un punto del rotor.
Donde:
R_Sens1PEF_RotWdg: ajuste de resistencia de la etapa sensible de la protección de falla a tierra en un punto del rotor.
En_EF_RotWdg: activación de la protección de falla a tierra en el rotor.
En_Alm_Sens1PEF_RotWdg: activación de la alarma en la etapa sensible de la protección de falla a tierra en el rotor.
En_Alm_1PEF_RotWdg: activación de la alarma en la etapa regular de la protección de falla a tierra en el rotor.
R_1PEF_RotWdg: ajuste de resistencia de la etapa regular de la protección de falla a tierra en un punto del rotor.
En_Trp_1PEF_RotWdg: activación del disparo en la protección de falla a tierra en un punto del rotor.
EBI_EF_RotWdg: bit activado internamente por falla a tierra en el rotor. FD_ EF_RotWdg: operación del detector de falla por falla a tierra en el rotor. TrpLog_EF_RotWdg: ajuste lógico de disparo por falla a tierra en el rotor. Falla en dos puntos
Si la protección de falla a tierra en un punto se emplea solo para emitir alarma cuando la resistencia Rg es menor que el ajuste de su etapa regular [R_1PEF_RotWdg], entonces el relé cambiará automáticamente, con un retraso, a protección de falla a tierra en dos puntos. Y si la localización del punto a tierra varía y tal variación llega a su valor de ajuste (definido por el fabricante del relé) ocurre la operaciónde la protección de falla a tierra en dos puntos y se emitirá una orden de disparo, ver la figura 2.3.
Figura 2.3: Diagrama lógico de protección tipo “ping-pang” para falla a tierra en dos puntos del rotor.
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Flg_2PEF_RotWdg: etiqueta indicando si se cumple el criterio de la protección de falla a tierra en dos puntos.
En_2PEF_RotWdg: activación de la protección de falla a tierra en dos puntos del rotor.
Protección con inyección de tensión alterna:
Falla en un Punto
Puede seleccionarse en esta protección el principio de inyección de doble término (ver figura 2.4) o de término simple (figura 2.5), esto en función de a cuantos terminales del devanado del rotor se tiene acceso. La alimentación de electricidad inyectada se conecta entre el polo positivo y negativo, o solo alpolo negativo y el eje. Esta protección puede percibir en tiempo real una disminución de la resistencia de aislamiento entre el devanado del rotor y eje del generador.
Figura 2.4: Esquema del principio de inyección de doble término.
Figura 2.5: Esquema del principio de inyección de simple término.
Donde:
Ur: tensión del rotor
: porcentaje de localización a tierra Rx: resistencia del circuito de medición Ry: resistencia exterior
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Rg: resistencia de aislamiento entre el devanado del rotor y el eje
Al igual que la protección de falla a tierra tipo “ping-pang”, esta protección ofrece dos etapas: una etapa sensible, usada para emitir señal de alarma, y una etapa regular que puede ser empleada para alarma o disparo. La lógica de operación de esta protección es igual que la de tipo “ping-pang” (figura 2.2).
Falla en dos puntos
Si se tiene acceso a los terminales positivo y negativo del devanado del rotor se puede implementar el principio de inyección de doble término y la protección puede medir la localización a tierra de un punto, y según la variación de dicha localización a tierra la protección de falla a tierra de dos puntos puede actuar. Su lógica de operación también coincide con la correspondiente de tipo “ping-pang” (figura 2.3).
2.3.2 Protección de frecuencia 81U/O
En el multirelé PCS-985B la protección de frecuencia del generador abarca las protecciones de subfrecuencia y sobrefrecuencia.
Protección de subfrecuencia:
La protección de subfrecuencia operará para emitir una alarma o disparar cuando la frecuencia es menor que el ajuste y se cumple el retardo de tiempo especificado. Esta protección se bloquea por la posición de un contacto auxiliar del interruptor y solo opera después que el generador es sincronizado al sistema, en el proceso de arranque el generador operará a bajas frecuencias hasta que se alcance la velocidad nominal, y si el retardo de tiempo es lo suficientemente pequeño puede ocurrir un disparo no deseado de la protección.
En el PCS-985B se tienen tres etapas de protección de subfrecuencia: la etapa1 se configura como protección de frecuencia acumulada y puede restaurarse a cero solo después de borrar los reportes, las etapas 2 y 3 pueden configurarse como protección de frecuencia continua. En la figura 2.6 se muestra el diagrama lógico de esta protección.
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Figura 2.6: Diagrama lógico de la protección de subfrecuencia.
Donde:
En_Alm_UFn_Gen: activación de la alarma en la etapa n de la protección de subfrecuencia del generador.
Flg_Gen_Connect: etiqueta interna indicando el estado de la conexión del generador al sistema.
f_UFn_Gen: ajuste de la etapa n de la protección de subfrecuencia.
En_FreqProt_Gen: activación de la protección de frecuencia del generador. TrpLog_UF_Gen: ajuste lógico de disparo por subfrecuencia.
EBI_FreqProt_Gen: bit activado internamente por frecuencia anormal.
En_Trp_UFn_Gen: activación del disparo en la etapa n de la protección de subfrecuencia del generador.
FD_FreqProt_Gen: operación del detector de falla por frecuencia anormal.
Protección de sobrefrecuencia:
La protección de sobrefrecuencia cuenta con dos etapas que pueden ser configuradas para emitir alarma o disparo, ver en la figura 2.7 su diagrama lógico.
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Figura 2.7: Diagrama lógico de la protección de sobrefrecuencia.
Donde:
En_Alm_OFn_Gen: activación de la alarma en la etapa n de la protección de sobrefrecuencia del generador.
f_OFn_Gen: ajuste de la etapa n de la protección de sobrefrecuencia. TrpLog_OF_Gen: ajuste lógico de disparo por sobrefrecuencia.
En_Trp_OFn_Gen: activación del disparo en la etapa n de la protección de sobrefrecuencia del generador.
2.3.3 Protección contra pérdida o reducción de la excitación 40
Las características de esta protección, que tiene como objetivo detectar fallas en el sistema de excitación del generador, se describen detalladamente en [47], por tanto a continuación se brindan otros aspectos de marcada importancia y que no se trataron con profundidad en ese trabajo.
En el PCS-985B se consideran tres criterios de operación para detectar la pérdida de excitación: criterio de impedancia del estator, que en los ajustes se puede combinar con un relé de potencia reactiva inversa, criterio de baja tensión en los terminales del generador y en el lado de alta del transformador principal y por último el criterio de baja tensión en el rotor o tensión de excitación variable.
La protección está conformada por tres etapas, donde en cada una de ellas se conjugan el criterio de impedancia con los demás criterios. En la etapa 1 (figura 2.8), el criterio de baja tensión en el rotor, el de impedancia y el de baja tensión en el lado de alta del transformador principal; en la 2 (figura 2.9), el criterio de baja tensión en el rotor, el de impedancia y el de baja tensión en los terminales del generador; y en la 3 (figura 2.10) el criterio de impedancia y de baja tensión en el rotor, esta última etapa cuenta con una función de alarma, además de la de disparo que es común para las tres.
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Figura 2.8: Diagrama lógico de la etapa 1 de la protección contra pérdida o reducción de la excitación.
Los elementos con subíndice 1, que hacen referencia a la etapa1, son análogos para las etapas 2 y 3.
A partir de que un criterio es activado, en cualquiera de las etapas de esta protección, se hace necesario que este se cumpla para que opere la protección; la relación entre los diferentes criterios se establece mediante un AND y por lo tanto o se cumplen todos los criterios activados o no habrá ninguna señal de disparo (o alarma en el caso de la etapa 3).
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Figura 2.10: Diagrama lógico de la etapa 3 de la protección contra pérdida o reducción de la excitación.
Donde:
V_BusUV_LossExc_Gen: ajuste de subtensión el lado de alta del transformador principal. En_BusUV_LossExc1_Gen: activación del criterio de subtensión en el lado de alta del transformador principal.
V_TermUV_LossExc2_Gen: ajuste de subtensión en los terminales del generador.
En_TermUV_LossExc2_Gen: activación del criterio de subtensión en los terminales del generador.
V_RotUV_LossExc_Gen: ajuste de tensión mínima en la excitación. Ur<Krel*Xdz*P*Vf0: criterio de tensión de excitación variable.
En_RotUV_LossExc1_Gen: activación del criterio de baja tensión en el rotor para la etapa 1. Flg_Z_LossExc1_Gen: etiqueta indicando la operación del relé de impedancia.
En_Z_LossExc1_Gen: activación del criterio de impedancia para la etapa 1. Q_RevQ_LossExc_Gen: ajuste de potencia reactiva inversa.
En_RevQ_LossExc_Gen: activación del relé de potencia reactiva.
En_LossExc_Gen: activación de la protección contra pérdida de excitación. EBI_LossExc_Gen: bit activado internamente por pérdida de excitación.
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FD_LossExc_Gen: operación del detector de falla de pérdida de excitación.
TrpLog_LossExc1_Gen: ajuste lógico de disparo para la etapa 1 de la protección de pérdida de excitación.
En_Alm_LossExc3_Gen: activación de la alarma en la etapa 3 de la protección de pérdida de excitación.
2.3.4 Protección contra falla a tierra en el estator 64G
Para garantizar la protección del 100% del devanado del estator en el PCS-985B se ofrecen tres funciones: protección de sobretensión de secuencia cero fundamental, protección de índice de tensión de tercer armónico y protección diferencial de tensión de tercer armónico.
Protección de sobretensión de secuencia cero fundamental:
Esta función tiene dos etapas (etapa de alto ajuste y etapa sensible) y permite proteger al generador contra fallas monofásicas a tierra en un rango entre 85% al 95% del devanado del estator a partir de analizar la tensión de secuencia cero en el punto neutro del generador. Para lograr que la protección solo reaccione a las sobretensiones de frecuencia fundamental se adopta seguimiento de frecuencia, filtro digital y algoritmo de Fourier.
Etapa sensible
Esta etapa puede operar para alarma o disparo cuando se cumple su criterio de operación, definido en la ecuación 2.1. zd n
U
U
0
0 (2.1) Donde: 0 nU : tensión de secuencia cero en el punto neutro del generador.
zd
U0 : ajuste de tensión de secuencia cero de la etapa, [V_SensROV_StaEF].
Para evitar un disparo indeseado de esta etapa cuando ocurre una falla externa, la protección se bloquea por tensión de secuencia cero en delta rota del lado de alta del transformador principal, es necesario introducir un ajuste tensión para bloqueo. También puede bloquearse por el mismo criterio pero en los terminales del generador y sin necesidad de ajuste alguno en este caso, porque el dispositivo lo realiza automáticamente según la relación entre los transformadores de potencial (TPs) de los terminales y del punto neutro del generador.
Etapa de alto ajuste
Puede ser ajustada solo para disparar, y tiene que cumplirse el criterio que se muestra a continuación en la ecuación 2.2:
34 hzd n
U
U
0
0 (2.2) Donde: 0 nU : tensión de secuencia cero en el punto neutro del generador.
hzd
U0 : ajuste de tensión de secuencia cero de la etapa, [V_InsensROV_StaEF].
Protección de índice de tensión de tercer armónico:
Esta función permite proteger alrededor del 25% del devanado del estator y es necesaria para complementar la función anterior, pues en las fallas que ocurran cerca del neutro la componente fundamental de la tensión secuencia cero generada no es suficiente para provocar la operación.
Funciona a partir de comparar los terceros armónicos de la tensión de secuencia cero medida en la delta rota de los terminales del generador y en el punto neutro, puede emplearse con propósito de alarma, disparo o ambos su criterio es el de la ecuación 2.3:
wzd N T
K
U
U
3 3 3
(2.3) Donde: TU3 y U3N: tensiones de tercer armónico en los terminales del generador y el punto neutro respectivamente.
wzd
K3 : ajuste de coeficiente de tensión de tercer armónico.
Cuando el generador es conectado al sistema eléctrico su reactancia capacitiva equivalente cambia provocando una variación en la relación U3T/U3N, por ello el PCS-985B ofrece la posibilidad de dar dos ajustes diferentes que se cambian en función de la posición del interruptor principal del generador.
Protección diferencial de tensión de tercer armónico:
Después que el generador se conecta al sistema y la corriente de carga es mayor que el 20% de la corriente nominal la protección diferencial de tensión de tercer armónico se habilita automáticamente con el propósito de emitir alarma cuando se cumple el criterio mostrado en la ecuación 2.4: N N t T K U Kre U U3 3 3 (2.4) Donde:
35 T U3 y N
U3 : tensiones vectoriales de tercer armónico en los terminales del generador y el punto neutro respectivamente.
t
K
: coeficiente de regulación de seguimiento automático.Kre
: ajuste de coeficiente diferencial de tercer armónico.Bloqueo por falla en el circuito de los TPs:
Para la protección de sobretensión de secuencia cero fundamental se toman las tensiones de delta rota de los TPs en los terminales del generador y del punto neutro, por lo tanto una falla en el circuito de estos TPs impedirá la operación de dicha protección. Si la falla ocurre en el circuito del TP en el punto neutro del generador, los criterios de índice de tensión de tercer armónico y diferencial de tensión de tercer armónico pueden provocar una operación indeseada de la protección; el PCS-985B considera que ha ocurrido una falla en el circuito de los TPs y deshabilita estos criterios cuando:
- La tensión de secuencia positiva secundaria en los terminales del generador es mayor que 0.9Vn (tensión nominal) y el tercer armónico de la tensión de secuencia cero es menor que 0.1V.
Además por los ajustes lógico [En_Alm_DeltVTS1_Gen] y [E_Alm_VTS_NP_Gen] es posible habilitar una alarma por falla en el circuito de delta rota de los terminales del generador o en el punto neutral respectivamente, que se emitirá con un retardo de 10s y revertirá cuando transcurran 10s después de haber recibido la señal.
Si la tensión de secuencia cero en los terminales del generador se calcula, en lugar de ser obtenida a partir de una delta rota, entonces el dispositivo no discrimina la posibilidad de fallo en este circuito.
- Cuando ocurre un falla en el circuito primario de los TPs en los terminales del generador se origina un incremento de la componente fundamental de secuencia cero y un decremento de su componente de tercer armónico lo cual no causará una operación indeseada de la protección de sobretensión de secuencia cero fundamental ni de la protección de índice de tensión de tercer armónico, pero sí de la diferencial de tensión de tercer armónico por lo que esta debe bloquearse ante tal situación. El dispositivo considera que hay falla en el circuito primario de los TPs en los terminales del generador cuando:
Tensión de secuencia negativa de TP2 (3V2´) < 3V Tensión de secuencia negativa de TP1 (3V2) > 8V Tensión de secuencia cero calculada de TP1 (3V0) > 8V Tensión de secuencia cero de delta rota de TP1 (3V0) > 8V
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TP1 y TP2 son grupos de TPs diferentes (o bobinas secundarias diferentes) en los terminales del generador, la tensión de secuencia cero solo se obtiene a partir de TP1. Cuando estos criterios se cumplen el dispositivo bloquea las protecciones de índice de tensión de tercer armónico y diferencial de tensión de tercer armónico y emitirá, después de pequeño retardo, una alarma por falla en el circuito primario de los TPs.
La figura 2.11 muestra el diagrama lógico de todas estas funciones de protección contra falla a tierra en el estator existentes en el PCS-985B.
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Donde:
En_StaEF: activación de la protección contra falla a tierra en el estator.
En_Alm_ROV_StaEF: activación de la alarma en la protección de sobretensión de secuencia cero fundamental.
Flg_SensROV_StaEF: etiqueta indicando si se cumple el criterio de la etapa sensible de la protección de sobretensión de secuencia cero fundamental.
Flg_Blk_SensROV_StaEF: señal de bloqueo por falla externa para la protección de sobretensión de secuencia cero fundamental.
En_Trp_ROV_StaEF: activación del disparo en la etapa sensible protección de sobretensión de secuencia cero fundamental.
EBI_ROV_StaEF: bit activado internamente por sobretensión de secuencia cero fundamental.
FD_StaEF: operación del detector de falla por falla a tierra en el estator.
TrpLog_EF_StaEF: ajuste lógico de disparo de la protección de falla a tierra en el estator. Flg_InsensROV_StaEF: etiqueta indicando si se cumple el criterio de la etapa insensible (de alto ajuste) de la protección de sobretensión de secuencia cero fundamental.
En_Trp_InsensROV_StaEF: activación del disparo en la etapa insensible (de alto ajuste) de la protección de sobretensión de secuencia cero fundamental.
En_Alm_V3rdHRatio_StaEF: activación de la alarma en la protección de índice de tensión de tercer armónico.
Flg_VTS: etiqueta indicando si hay falla en el circuito de los TPs.
Flg_V3rdHRatio_StaEF: etiqueta indicando si se cumple el criterio de la protección de índice de tensión de tercer armónico.
En_Trp_V3rdHRatio_StaEF: activación del disparo en la protección de índice de tensión de tercer armónico.
EBI_V3rdH/Inj_StaEF: bit activado internamente por criterio de índice de tensión de tercer armónico o diferencial de tensión de tercer armónico.
En_Alm_V3rdHDiff_StaEF: activación de la alarma en la protección diferencial de tensión de tercer armónico.
Flg_V3rdHDiff_StaEF: etiqueta indicando si se cumple el criterio de la protección diferencial de tensión de tercer armónico.
Este multirelé brinda además la posibilidad de habilitar una protección que opera con el principio de inyección de tensión para detectar fallas a tierra en el estator; para
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implementarla se necesita de una fuente auxiliar, el RCS-985U, por lo que no se analiza en este estudio.
2.3.5 Protección diferencial del generador 87G
Esta es la protección principal para fallas entre fases del devanado de los generadores. En el multirelé PCS-985B esta protección cuenta con varias características de operación: protección diferencial de porcentaje de estado estable (SPDP), protección diferencial de porcentaje de alto ajuste (HSDP), protección diferencial instantánea no restringida (UIDP), las que se pueden visualizar en la figura 2.12. Además cuenta con dos criterios de bloqueo de disparo: bloqueo en caso de detectarse saturación en los transformadores de corriente