Desmitificando la protección de corriente de Secuencia de Fase Negativa

La clave para cargar una protección de corriente independiente.

En las modernas protecciones para las líneas y redes de Distribución, la protección de Secuencia de Fase Negativa (NPS, por sus siglas en inglés) frecuentemente es relegada por elementos comunes como sobrecorriente de fases (OC 50/51) y sobrecorriente de fase a tierra (EF 50N/51N), sin embargo, NPS es una función poderosa que agrega selectividad y particularidad a los esquemas de protección con la capacidad de detectar fallas completamente perdidas por los elementos comunes.

Si bien es más difícil de comprender en comparación con los elementos de OC y EF, NPS esencialmente se basa en las mismas señales que la sobrecorriente convencional. Para desmitificar la funcionalidad, debemos comprender la teoría de las componentes simétricas, la cual explica cómo las lecturas físicas de las fases para corriente, voltaje y ángulo de fase se transforman en el dominio de secuencia, dándonos métricas de componentes de secuencia positiva, negativa y cero.

Para una comprensión más profunda de las componentes simétricas, podemos considerar que las lecturas que tomamos de los valores de fase no tienen una relación garantizada entre sí. Es decir, si conoce la corriente en la Fase A, esto no significa que pueda inferir qué corriente está presente en la Fase B o C.

Al convertir a componentes simétricas, tomamos las lecturas de las tres fases y las transformamos en un conjunto de tres elementos (secuencia positiva, negativa y cero), que por definición explican cuáles son los valores de cada una de las fases. Por ejemplo, si conoce la corriente de secuencia positiva, podrá saber cuál es el elemento de secuencia positiva total para las tres fases.

Al realizar esta conversión, independientemente del desequilibrio en las lecturas de las Fases A, B y C, existe una combinación específica de componentes simétricas para describir ese escenario que mantiene la relación entre las lecturas de fase en el equipo principal. En notación matricial:

Notación matricial de voltajes de fase (LHS), con componentes de secuencia (RHS). Esencialmente, las lecturas de 3 fases (LHS) se pueden alcanzar sumando las tres componentes de secuencia (RHS).

Los tres elementos simétricos son secuencia positiva (referenciada con un subíndice 1), secuencia negativa (un subíndice 2) y secuencia cero (un subíndice 0). Éstas son cantidades vectoriales, donde la secuencia positiva supone un sistema perfectamente equilibrado con una rotación de fase de 120 grados en la dirección convencional. La secuencia negativa es la misma, excepto que gira en la dirección inversa, y finalmente la secuencia cero que no tiene separación de fases entre sus tres componentes.

Dado que conocemos fundamentalmente la relación entre sub-elementos en un componente de secuencia (es decir, _{Vb, 0} siempre es = _{Va ,0} o _{Vb, 1} siempre está 120 ° detrás de _{Va, 1}) solo necesitamos valores para _{Va, 0 Va, 1} y _{Va, 2} para representar cualquier estado posible de los voltajes para _{Va, b, c.} Lo mismo puede decirse de las corrientes medidas.

Al hacer esta conversión, creamos una relación entre las tres fases y nos permite inferir diferentes tipos de fallas basadas solo en estos 3 vectores.

Lo que representa cada elemento:

Con la conversión al dominio de secuencia, cada elemento implica un escenario de falla específico.

La secuencia positiva observa exclusivamente la corriente de carga equilibrada. La secuencia positiva excesiva implica condiciones de sobrecarga, por lo que se usa comúnmente en protección contra sobretensión o sobrecorriente. Una red sana y equilibrada debe tener solo una secuencia positiva de corriente y voltaje presente, sin ninguno de los otros elementos. Frecuentemente, se usa una comparación del ángulo entre el voltaje de secuencia positiva y la corriente para determinar la dirección del flujo de corriente para la protección contra sobrecorriente.

El elemento de secuencia cero aparece cuando hay una conexión de una de las fases a tierra. Esta fuga a tierra, o energía perdida del sistema, se muestra como un desequilibrio en las corrientes trifásicas. La corriente de secuencia cero y la corriente residual / neutro están intrínsecamente relacionadas, según la siguiente ecuación:

Esta relación con la corriente de fuga explica por qué los elementos de secuencia cero se utilizan para fallas a tierra. Los sistemas de detección de fallas a tierra más antiguos simplemente conectaban 3 TCs en serie en todas las fases. En condiciones equilibradas, _Irsd (y, por lo tanto, _I0) sería cero. En condiciones de falla a tierra, el equilibrio se perdería con la energía que escapa a la tierra, lo que da como resultado un _Irsd distinto de cero sobre el cual se dispararía el relevador.

Las componentes de secuencia cero frecuentemente se utilizan para detectar la dirección de las fallas a tierra, lo que permite a los ingenieros de protección distinguir entre fallas a tierra genuinas aguas abajo y corrientes capacitivas benévolas.

Lo que nos deja con el último elemento, la secuencia negativa. Para comprender este elemento es mejor pensar en el escenario de falla, que se perdería por las condiciones de secuencia positiva y cero. ¿Qué pasaría si hubiera una discontinuidad de fase, por razones de consideración, una interrupción en la fase A?

La corriente continuaría fluyendo en las fases sanas restantes B y C, pero la corriente en la Fase A sería cero. El aumento de la energía que fluye a través de las fases B y C puede no ser lo suficientemente alto como para desencadenar una operación de sobrecorriente, por lo que la secuencia positiva puede perder la falla. Suponiendo que el cable roto no está tocando la tierra, no hay corriente de fuga, lo que sugiere que la corriente de secuencia cero / residual no causaría una actuación de protección. ¿Cómo detectamos este escenario?

La secuencia de fase negativa detecta des-balances en la red que no causan una pérdida de energía fuera del sistema. Para conductores rotos, o para fallas de línea a línea, NPS proporciona sensibilidad a los escenarios de falla que serían perdidos por los elementos de sobrecorriente y falla a tierra. El desequilibrio entre las fases hace que NPS sea distinto de cero, y al establecer una protección en función del nivel de NPS, podemos disparar incluso si una de las fases está con una caída de corriente, no solo sobrecorriente.

“NPS se puede utilizar para mejorar la sensibilidad de las protecciones mediante la detección de escenarios que frecuentemente son ignorados por los métodos convencionales de los relevadores utilizando los elementos de sobrecorriente de fases y falla de tierra. Una extensión de esta función es la protección del conductor roto (ANSI 46 BC), disponible en nuestros restauradores, que combina la funcionalidad de detección NPS con corriente de secuencia positiva para determinar la relación I2 / I1. Esta simplificación permite una fácil configuración del cubículo de control, ya que la cantidad de operación se establece en porcentaje, en lugar de los amperios, lo que hace que la función sea viable cuando los parámetros de impedancia de NPS no están disponibles para los ingenieros de protecciones”.- Comentó el Ing. Marcial Sandoval B. – Director General de EPRECSA.

La protección de secuencia negativa llena el espacio de protección remanente por la protección contra sobrecorriente (50F / 51F) y falla de tierra (50N / 51N), al captar los escenarios de conductores rotos o fallas sin conexión a tierra, como fallas de línea a línea. Un beneficio adicional es la insensibilidad a la carga: a NPS no le importa cuál sea la carga de corriente, solo actúa sobre el desequilibrio entre fases, lo que brinda una mayor especificidad de protección, independientemente de si la carga es de 10 A o 10,000 A.

Los restauradores automáticos trifásicos integrados con un cubículo de control y comunicaciones microprocesado RC-10ES de la serie OSM de EPRECSA – NOJA Power proporcionan protección de secuencia de fase negativa como estándar, junto con la protección contra sobrecorriente y falla a tierra más comúnmente utilizadas. Al incorporar NPS en la protección estándar de la red, los ingenieros de protecciones pueden estar seguros de mejorar la seguridad y confiabilidad de la red al mejorar la selectividad y precisión de la detección de fallas.

Para obtener más información sobre la protección de secuencia de fase negativa (NPS) integrada como estándar en el cubículo de control y comunicaciones microprocesado RC-10ES de la serie OSM de EPRECSA – NOJA Power, Contacte a: j.sainz@eprecsa.mx / f.sainz@eprecsa.mx o visita la página: www.eprecsa.mx