Localización de fallas en líneas de transmisión mediante técnicas de modelado en el dominio de la frecuencia.

Abstract

RESUMEN Las líneas de transmisión, por sus dimensiones físicas, son uno de los elementos del sistema eléctrico de potencia más expuestos a sufrir fallas. Por lo anterior, el asegurar su buen funcionamiento es crucial para mantener la continuidad y por lo tanto una alta calidad en el suministro del servicio eléctrico. Las líneas de transmisión pueden medir desde unos cuantos kilómetros hasta más de 200 kilómetros. Debido a la gran longitud de las líneas de transmisión, son los elementos del sistema eléctrico más propensos a sufrir fallas, principalmente ocasionadas por descargas atmosféricas, por contaminación ambiental o por la caída a tierra de los conductores de fase. Por esta razón es necesario contar con algoritmos de localización de fallas que permitan ubicar rápidamente y con mayor precisión el punto donde éstas ocurren, para así darles una pronta solución. Estos algoritmos pueden estar directamente implementados en relevadores con el objeto de crear esquemas de protección que tras operar, además indiquen el lugar de la falla. La mayoría de los algoritmos de localización de fallas se elaboran a partir del análisis con modelos de líneas de transmisión, por lo que la exactitud del algoritmo es función del tipo de modelo que se utilice. Los modelos más simples son los modelos de parámetros concentrados, por otro lado, los modelos de parámetros distribuidos son los más complejos y más exactos, por lo que son los más empleados en el análisis de transitorios electromagnéticos, como pueden ser descargas atmosféricas, maniobra de interruptores o cortocircuitos. En este trabajo se propone y analiza un algoritmo de localización de fallas en líneas de transmisión, el cual se elabora a partir de un modelo de parámetros distribuidos dependientes de la frecuencia. El algoritmo se crea a partir de la solución de las ecuaciones del telegrafista en el dominio de la frecuencia, debido a esto, es necesario implementar la transformada numérica de Laplace, la cual permite convertir señales en el dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. En este trabajo, las líneas trifásicas son desacopladas para su análisis utilizando la matriz de transformación de vectores propios y la matriz de transformación de Clarke. El algoritmo se implementó en MATLAB® usando datos de falla generados en un programa comercial para el análisis de transitorios electromagnéticos (PSCAD/EMTDC®), y mediante pruebas en un simulador en tiempo real de OPAL-RT Technologies. Las simulaciones se hicieron considerando distintos tipos de fallas, variando la impedancia de falla y su localización. El algoritmo propuesto se compara con dos algoritmos de localización de fallas, uno usando la reactancia medida en una terminal y otro algoritmo que emplea señales de ambos extremos de la línea de transmisión.

ABSTRACT Transmission lines, due to its extension, are the elements of the power system more prone to faults. Due to this it is necessary to ensure its correct operation to maintain the continuity and quality of energy supplied. Transmission lines are fundamental for electric energy transmission from generating stations to final consumers. Transmission lines have lengths varying from few kilometers to over 200 kilometers. Faults in transmission lines are mainly caused by lightning, environmental contamination, or human errors. In such situation, it is necessary to have reliable algorithms for a fast and precise localization of the point of fault, and thus to reduce outage time. These algorithms can be directly implemented in protection relays as a part of a protection scheme that, additionally to the task of clearing the fault, it can also be able to indicate the fault location. Most of the fault location algorithms are based on equations of transmission lines models and, as a consequence, the accuracy of the algorithm mainly depends on the transmission line model used. On one hand, the simplest transmission line models consist of simple circuit representations considering lumped parameters, and on the other hand, transmission lines models considering distributed parameters are more complex but these are more accurate by far. This is the reason why distributed parameters models are commonly used in electromagnetic transients studies, such as lightning phenomenon and switching surges or short-circuit currents analysis. This work proposes an algorithm to locate faults in transmission lines based on a distributed parameters model in the frequency domain. This approach considers the frequency-dependence of the parameters. The algorithm is derived from the telegrapher equations solution in the frequency domain and the numerical Laplace transform is used for the transformation of signals from time domain to frequency domain. Also, the threephase line is decoupled for analysis by means of the eigenvector transformation matrix and the Clarke transformation matrix. The algorithm is implemented in MATLAB® using fault data generated by an electromagnetic transient software (PSCAD / EMTDC), and in a real-time simulator from OPAL-RT Technologies. Simulation cases were performed considering different fault types, and fault conditions such as fault impedance value and fault location. The performance of the proposed algorithm is compared with that of other two fault location algorithms, one using reactance from one terminal and other using data from both transmission line ends.