Designing the protections for a transmission line

Abstract

The main objective of system protection is to provide isolation of the faulted area in the power grid, so the rest of the system keeps in normal conditions. It should be noted that the use of the term protection does not mean that the protection devices can prevent trouble, such as faults or electric shocks because of human contacts. The protective relays trip after the fault has occurred, so protection means that the protection device minimizes the duration of the trouble and limits the potential damage and problems. Transmission protection devices are designed to identify and isolate the faulted section. The biggest challenge for the electrical engineers focus on protection is to reach the aim without compromising the security of the system. The device selected should provide redundancy to limit the impact of device failure, and back-up protection to ensure dependability. Protective relays require accurate reproduction of the conditions in the power system for correct sensing and operation. This input information from the electrical grid is provided by the current transformer (CT) and voltage transformer (VT). CTs and VTs provide a reduction of the primary current and primary voltage magnitudes. The secondary side of these devices is standardized for the convenience of application and relay design. The most common protection technique now is known as differential protection. This protection strategy is based on the concept that the electrical quantities entering and leaving the protected zone are compere through current transformers (CTs). Hence, if the difference between both magnitudes is zero or small enough is assumed that there is no fault. This is because generally internal faults produce huge operating currents. This technique is applicable to all parts of the system, from generators, lines, buses to capacitors or reactors. In this project we have protected the transformer with a differential protection. Transmission lines are a key part of the electrical system, because the transmission lines serve as the path to transfer power between generation and load. Typical transmission lines work at voltages levels from 69 KV to765 KV. The fast growing current population, along with economic and environmental concerns have pushed utilities to operate the system really close to its limits. The physical construction of the transmission line also affect the protection system, since the type of conductor, the space between conductors and the size of the conductor determine the impedance of the line. In order to demonstrate that all the inputs affect the impedance of the line, an electrical transmission line model has been developed through MATLAB. The goal of this dissertation is to provide a protection system, which includes distance relays and differential relays, to protect lines A and B, along with the transformer. Furthermore, as the transmission lines are connected through a transformer to a wind farm, our aim is to demonstrate the effects of wind variability on the reaches of the zones of distance relays.

El objetivo principal de un sistema de protección eléctrico es aislar la parte afectada por una falla del resto del sistema eléctrico, quedando el resto del sistema en condiciones normales. Aunque el término “protección” a priori de a entender que al sistema actúa para prevenir los potenciales problemas, como fallas o accidentes eléctricos sufridos por los seres humanos. Los relés actúan después de que la falla haya ocurrido, por lo tanto en este caso, protección significa que los dispositivos empleados para proteger el sistema eléctrico minimizan la duración de la falla y limita los potenciales problemas que puedan surgir. Los sistemas de protección son diseñados para identificar y aislar la sección afectada por la falla eléctrica. El mayor reto para los ingenieros eléctricos es lograr el objetivo de proteger el sistema sin comprometer la seguridad del mismo. El método empleado deberá minimizar las posibilidades de que el sistema de protección falle, y a la vez asegurar que existe una protección que actúe en el caso de que la protección principal falle y así asegurar fiabilidad en la protección. Los relés necesitan recibir información precisa de las condiciones del sistema eléctrico para poder actuar de forma correcta. Los valores de la corriente y la tensión que circulan por el sistema en ese momento la reciben a través de los transformadores de intensidad (TIs) y de los transformadores de tensión (TTs). Los TIs y TTs reducen la intensidad y la tensión respectivamente, para que los relés puedan recibir dichas magnitudes. El lado secundario de estos dispositivos de protección esta estandarizado para que así sea más cómodo el diseño del relé. El método más común de protección es conocido como protección diferencial. Esta estrategia de protección se basa en el concepto de que las magnitudes eléctricas que entran y salen de la zona protegida son comparadas mediante los transformadores de intensidad y tensión. Por lo tanto, si la diferencia entre ambas magnitudes es cero o muy pequeña se asume que no hay ninguna falla en el elemento protegido. Esta suposición se basa en que las fallas internas son corrientes extremadamente elevadas. Este método de protección es aplicable a todas las partes de un sistema, desde generadores, líneas, nudos hasta condensadores y bobinas. En este proyecto se protege el transformador mediante una protección diferencial. Las líneas de transmisión son una parte importante del sistema eléctrico, ya que las líneas de transmisión sirven para transportar la energía desde los generadores hasta las cargas. Las típicas líneas de transmisión eléctrica funcionan a tensiones de entre 69 KV hasta 765 KV. El rápido aumento de la población, junto con las preocupaciones económicas y medioambientales ha llevado a las empresas a cargar el sistema hasta estar próximo a su límite. El cómo esté construida la línea de transmisión también afecta al sistema de protección, ya que el tipo de conductor, el espacio entre conductores y el tamaño del conductor afectan directamente a al valor de la impedancia de la línea. Para demostrar que todos estos factores afectan a la impedancia de la línea y por tanto al sistema de protección, el proyecto incorpora un modelo creado con MATLAB en el que en función de los inputs introducidos, la línea tiene una impedancia determinada. El objetivo de este proyecto es proporcionar un sistema de protección, el cual incluye relés de distancia y relés diferenciales, para proteger las líneas A y B, junto con el transformador: Por otra parte, como las líneas de transmisión eléctrica están conectadas entre sí mediante un transformador a un parque eólico, nuestro objetivo es demostrar el efecto que tiene la variabilidad del viento en el alcance de las zonas de protección de los relés de distancia.