Desarrollo del algoritmo para la protección diferencial de transformador de potencia aplicado a la

134 Pages·2013·2.72 MB·Spanish

”DESARROLLO DEL ALGORITMO PARA LA
´
PROTECCION DIFERENCIAL DE
TRANSFORMADOR DE POTENCIA
´
APLICADO A LA SUBESTACION AZOGUES
II, UTILIZANDO LA TRANSFORMADA DE
FOURIER”
´
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
SEDE CUENCA
´ ´
CARRERA DE INGENIERIA ELECTRICA
Trabajo de investigacio´n previo a la obtenci´on del T´ıtulo de:
´
INGENIERO ELECTRICO.
TEMA:
´
DESARROLLO DEL ALGORITMO PARA LA PROTECCION
DIFERENCIAL DE TRANSFORMADOR DE POTENCIA
´
APLICADO A LA SUBESTACION AZOGUES II, UTILIZANDO
LA TRANSFORMADA DE FOURIER
AUTORES:
´
FREDDY ESTEBAN GUILLEN LUNA.
´
JAVIER SANTIAGO NARVAEZ MORA.
DIRECTOR:
ING. FLAVIO A. QUIZHPI PALOMEQUE.
Cuenca, septiembre de 2013
´
CERTIFICACION
EnfacultaddeDirectordeltrabajodeTesis“DESARROLLODELALGORITMO
´
PARA LA PROTECCION DIFERENCIAL DE TRANSFORMADOR DE POTEN-
´
CIA APLICADO A LA SUBESTACION AZOGUES II, UTILIZANDO LA TRANS-
FORMADADEFOURIER”desarrolladopor:FreddyEstebanGuill´enLunayJavier
Santiago Narv´aez Mora, certifico la aprobacio´n del presente trabajo de tesis, una vez
ejecutado la supervisio´n y revisio´n de su contenido.
Cuenca, septiembre 2013
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ING. FLAVIO A. QUIZHPI PALOMEQUE
RESPONSABILIDAD Y
´
AUTORIA
Los autores del trabajo de tesis “DESARROLLO DEL ALGORITMO PARA LA
´
PROTECCION DIFERENCIAL DE TRANSFORMADOR DE POTENCIA APLI-
´
CADO A LA SUBESTACION AZOGUES II, UTILIZANDO LA TRANSFORMA-
DA DE FOURIER” Freddy Esteban Guill´en Luna y Javier Santiago Narv´aez Mora,
en virtud de los fundamentos te´oricos y cient´ıficos y sus resultados, declaran de ex-
clusiva responsabilidad y otorgan a la Universidad Polit´ecnica Salesiana la libertad
de divulgacio´n de este documento u´nicamente para prop´ositos acad´emicos o investi-
gativos.
Cuenca, septiembre 2013
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FREDDY ESTEBAN GUILLE´N LUNA JAVIER SANTIAGO NARVA´EZ MORA
DEDICATORIA
Freddy Guill´en
A Dios, ya que sin su bendici´on no hubiese podido culminar tan importante escal´on
de mi vida.
A mis padres Freddy y Zaida, a mis hermanos Andr´es y Gaby, mi sobrino Nelsito;
quienes han sido mis compan˜eros y mejores amigos en el hogar.
A mi querida sobrina Emily quien me ayudo a comprender que lo m´as importante
de la vida es la familia, y por todos los momentos que hemos compartido juntos.
(t.q.m. n˜ata)
Javier Narv´aez
A mi familia que con su gran esfuerzo y dedicaci´on me inculcan responsabilidad,
esfuerzo y dedicaci´on, que con su ejemplo de humildad y amor conf´ıan en mi persona,
y me orientan por el camino del bien y de la eterno conocimiento y que con su apoyo
me han permitido culminar una etapa m´as en mi vida.
A mi preciosa madre Amada Isabel por ser el pilar m´as importante y por demos-
trarme su carin˜o y amor incondicional y que siempre vela por mi bienestar.
A mi querido padre Luis Alejandro por el ejemplo de esfuerzo y dedicaci´on que
sabe brindarme y por su perseverancia en su gran sabidur´ıa me apoya siempre.
A mis hermanas y hermanos por su comprensi´on, por su ayuda, por estar siempre
presentes y por poder compartir con mi persona los valores, los principios, el empen˜o,
la perseverancia y el coraje para conseguir los objetivos.
AGRADECIMIENTOS
Freddy Guill´en
A Dios por haberme brindado salud, cuidado, capacidad y la suficiente dedicaci´on
para culminar una de las etapas m´as importantes de mi vida.
A toda mi familia, en especial a mis queridos padres Freddy y Zaida, que siempre
me han apoyado para poder cumplir mis mayores anhelos y por tener la suficien-
te paciencia para ayudarme a superar los obst´aculos que se han presentado en el
transcurso de mi vida.
Al Ing. Flavio Quizhpi Palomeque, Director de Tesis, por haber sido un amigo
m´as; por sus sabios consejos y su apoyo desinteresado.
A mis amigos, compan˜eros, y todos aquellos que de alguna forma contribuyeron
con el desarrollo de este trabajo.
Javier Narv´aez
El m´as grande honor que tengo de agradecer es a mi Dios, a aquel que se merece
´
toda honra y gloria, por su infinito amor, por su misericordia y porque sin El nada
soy y nada puedo; porque por su infinita sabidur´ıa derramada, hoy soy lo soy...
Un sincero agradecimiento al Ing. Flavio Quizhpi Palomeque por su amistad in-
condicional brindada, por su gran apoyo y confianza depositada, y por sus sugerencia
que han sido de gran aportaci´on para la ejecuci´on de la tesis.
El m´as efusivo agradecimiento a la Empresa El´ectrica Azogues C.A. al Departa-
mento T´ecnico y en particular al Ing. Diego Quezada un gran amigo... por la ayuda
pertinente y la colaboraci´on que nos a brindado con la informaci´on oportuna para el
desarrollo de la tesis.
A mi gran amigo Freddy Guill´en le debo mucho, gracias por tu apoyo, por tu
paciencia y por compartir momentos dif´ıciles de la universidad y tambi´en por estar
en los momentos de triunfos y ´exitos... gracias...
´
Indice general
1. EMPRESA ELE´CTRICA AZOGUES C.A. 1
1.1. ACTUAL SITUACIO´N ELE´CTRICA DE LA SUBESTACIO´N AZOGUES I. . . . . 3
1.1.1. SISTEMA DE PROTECCIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2. CALIBRACIO´N DE PROTECCIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2. DATOSTE´CNICOSDELTRANSFORMADORDEPOTENCIADELASSUBES-
TACIO´N AZOGUES II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3. CARGABILIDAD DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIO´N . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1. DETERMINACIO´N DE LA CARGA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIO´N
DE LA S/E AZOGUES I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2. IMPLEMENTACIO´N DEL ALGORITMO DE PROTECCIO´N. 15
2.1. EL SISTEMA DE PROTECCIO´N DIFERENCIAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1. CONSIDERACIONES EN LA COORDINACIO´N DE LA PROTECCIO´N
DIFERENCIAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2. RAZO´N E INCONVENIENTES DE LA PROTECCIO´N DIFERENCIAL. . . . . . . 17
2.2.1. SOLUCIONES DE INCONVENIENTES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2. SOBREXITACIO´N DEL TRANSFORMADOR DE POTENCIA. . . . . . . . 19
2.2.3. PROTECCIO´N DIFERENCIAL TRIFA´SICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3. ANA´LISIS DE ALGORITMOS MATEMA´TICOS PARA LA PROTECCIO´N DI-
FERENCIAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1. ALGORITMO BASADO EN SISTEMAS ANALO´GICOS [1]. . . . . . . . . . 21
2.3.2. ALGORITMOBASADOENLASCARACTER´ISTICASDELEQUIPOQUE
SE VA A PROTEGER [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3. ALGORITMO BASADO EN BLOQUEO DE ARMO´NICOS [3, 4].. . . . . . 24
2.3.4. ALGORITMO BASADO EN LA IDENTIFICACIO´N DE FORMA DE ON-
DA [3, 4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.5. DISCUSIO´N DE ALGORITMOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4. ELECCIO´N DEL ALGORITMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5. ALGORITMO BASADO EN LA TRANSFORMADA DE FOURIER. . . . . . . . . 27
2.5.1. DIGITALIZACIO´N DE LA SEN˜AL MUESTREADA. . . . . . . . . . . . . . 28
2.6. ALGORITMO DE CICLO COMPLETO PARA EXPANDIR UNA SEN˜AL DIS-
CRETA BASADO EN FOURIER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.1. TRANSFORMADA DISCRETA DE FOURIER. . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2. ALGORITMO DE CICLO COMPLETO PARA EXPANDIR UNA SEN˜AL
BASADO EN FOURIER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.7. ALGORITMO DE FILTRADO DE ARMO´NICOS BASADO EN FOURIER. . . . . 31
2.8. RESTRICCIO´N DE ARMO´NICOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.9. COMPONENTE FUNDAMENTAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.9.1. COMPONENTE DE SEGUNDA ARMO´NICA.. . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.9.2. COMPONENTE DE QUINTA ARMO´NICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.10.DIAGRAMA DE FLUJO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.11.PROGRAMACIO´N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
i
´INDICE GENERAL ii
2.12.PSEUDOCO´IGO DEL DIAGRAMA DE FLUJO.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.12.1. INGRESO DE DATOS Y VALORES DE AJUSTE. . . . . . . . . . . . . . . 39
2.12.2. LECTURA Y REPRESENTACIO´N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.12.3. CA´LCULO DE AJUSTE DE LA CURVA DE OPERACIO´N DEL RELE´. . . 40
2.12.4. CA´LCULO DE FASORES DE CORRIENTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.12.5. CA´LCULO DE CORRIENTE DIFERENCIAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.12.6. COMPARACIO´N DE SEN˜ALES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3. VALIDACIO´N DEL ALGORITMO. 43
3.1. SISTEMA DE PRUEBA 1: ENERGIZACIO´N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2. SISTEMA DE PRUEBA 2: OPERACIO´N NORMAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3. SISTEMA DE PRUEBA 3: SOBREEXITACIO´N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4. SISTEMA DE PRUEBA 4: FALLA MONOFA´SICA INTERNA. . . . . . . . . . . . 62
3.5. ELECCIO´N DE UN SISTEMA DE SIMULACIO´N ALTERNATIVO. . . . . . . . . 68
3.5.1. SISTEMA DE PRUEBA 1: ENERGIZACIO´N. . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.5.2. SISTEMA DE PRUEBA 2: OPERACIO´N NORMAL. . . . . . . . . . . . . . 71
3.5.3. SISTEMA DE PRUEBA 3: FALLA INTERNA. . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 75
4.1. CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2. RECOMENDACIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Bibliograf´ıa 78
A. 81
A.1. SWITCHGEAR DEL TRANSFORMADOR DE POTENCIA DE LA SUBESTA-
CIO´N AZOGUES I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
B. 83
B.1. POTENCIA COMPLEJA [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
C. 85
C.1. ANA´LISIS ELE´CTRICO-ESTAD´ISTICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
D. 87
D.1. LA TRANSFORMADA DISCRETA DE FOURIER [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . 87
D.2. LA TRANSFORMADA INVERSA DE FOURIER [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
E. 90
E.1. CORRIENTE DIFERENCIAL [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
F. 92
F.1. COMPONENTE REAL E IMAGINARIA[8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
G. 94
G.1. AJUSTESDELACURVAT´IPICADEOPERACIO´NDELRELE´ DIFERENCIAL.[9,
10, 11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
H. 97
H.1. ALGORITMO DE PROGRAMACIO´N MFILE-MATLAB. . . . . . . . . . . . . . . 97

´
Indice de figuras
1.1. DiagramaunifilardelSistemaEl´ectricodePotenciadelaEmpresaEl´ectricaAzogues.
Fuente: Empresa El´ectrica Azogues, Departamento T´ecnico. . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Subestaci´on Guap´an. Fuente: Empresa El´ectrica Azogues, Departamento T´ecnico. . 3
1.3. Diagrama unifilar del Sistema El´ectrico de Potencia de la S/E Azogues I. Fuente:
Empresa El´ectrica Azogues, Departamento T´ecnico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4. Diagrama fasorial y conexiones del transformador de potencia. . . . . . . . . . . . . 8
1.5. Corrientes en el alimentador 121. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6. Corrientes en el alimentador 122. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7. Corrientes en el alimentador 123. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.8. Corrientes en el alimentador 124. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.9. Potencias del alimentador 121. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.10.Potencias del alimentador 122. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.11.Potencias del alimentador 123. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.12.Potencias del alimentador 124. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.13.Potencia despachada por el transformador de potencia de la S/E Azogues I. . . . . . 14
2.1. Esquema b´asico de protecci´on diferencial para el transformador.. . . . . . . . . . . . 16
2.2. Conexi´on de los TC’s en el lado de alto y bajo voltaje del transformador. . . . . . . 17
2.3. Comportamiento magn´etico del nu´cleo del transformador tras la energizaci´on. . . . . 18
2.4. Curva de actuaci´on de rel´e mediante la corriente de estabilizaci´on. . . . . . . . . . . 19
2.5. Protecci´on diferencial anal´ogica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6. Protecci´on diferencial anal´ogica est´atica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7. Representaci´on esquem´atica del algoritmo de Fourier de ciclo completo. . . . . . . . 31
2.8. Curva t´ıpica de operaci´on del rel´e diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.9. Diagrama de flujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.10.Barrido de muestras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1. Sen˜al original de corriente I secundaria simulada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
a
3.2. Sen˜al original de corriente I secundaria importada a Matlab. . . . . . . . . . . . . . 45
a
3.3. Sen˜al muestreada de corriente I secundaria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
a
3.4. Sistema El´ectrico de Potencia de prueba.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5. Corriente trif´asica primaria de energizaci´on en vac´ıo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6. Corriente trif´asica secundaria de energizaci´on en vac´ıo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.7. Corriente trif´asica primaria muestreada a 1,44KHz, de energizaci´on en vac´ıo. . . . . 47
3.8. Corriente trif´asica secundaria muestreada a 1,44KHz, de energizaci´on en vac´ıo.. . . 48
3.9. Magnitud de fasores de corriente diferencial de componente fundamental. . . . . . . 48
3.10.Corriente diferencial sobre la curva de operaci´on del rel´e.. . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.11.Corriente diferencial de segunda arm´onica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.12.Porcentaje de corriente diferencial de segunda arm´onica. . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.13.Sen˜al de activaci´on del rel´e diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.14.Corriente diferencial de quinta arm´onica.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.15.Porcentaje de corriente diferencial de quinta arm´onica. . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.16.Corriente trif´asica primaria de operaci´on normal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2