Anàlisi de falles i el seu impacte a la xarxa de distribució de mitja tensió. Estudiar les funcions 50, 51, 50N, 51N, 87L, 87T i 21

Abstract

Aquest treball se centra en l’estudi, disseny i validació d’un sistema de protecció per a una xarxa de distribució de mitja tensió en anell, amb l’objectiu de garantir una actuació selectiva, segura i eficient davant de qualsevol tipus de curtcircuit. L’objectiu principal ha estat analitzar les diferents configuracions possibles de protecció mitjançant simulació a temps real amb HIL (Hardware-in-the-Loop), validant el comportament de relés ABB físics en entorns reals de prova. La metodologia seguida ha combinat el càlcul analític dels corrents de curtcircuit, la modelització de la xarxa en el programari Typhoon HIL i la configuració dels relés de protecció amb PCM600. A través del Smartlab s’han dut a terme simulacions en temps real per a múltiples escenaris de falles (trifàsiques, monofàsiques, bifàsiques i bifàsiques a terra), analitzant la resposta de les funcions de protecció amb diferents ajustos. Els resultats obtinguts demostren que les funcions de sobrecorrent no direccionals són insuficients per garantir la selectivitat en xarxes en anell. En canvi, la incorporació de funcions direccionals (67, 67N) combinades amb una correcta coordinació cronològica permet una protecció selectiva i robusta. També s’ha identificat la necessitat d’adaptar la configuració de les proteccions a la complexitat de la xarxa, especialment en presència de generació distribuïda, on es preveu que funcions com la protecció de distància (21) o la diferencial (87L) poden esdevenir imprescindibles. A nivell metodològic, el treball ha posat en evidència les limitacions físiques i digitals del laboratori HIL, que han obligat a ajustar diversos paràmetres de simulació, com la relació dels CTs o la potència del sistema modelat. Aquest coneixement ha estat clau per garantir la fiabilitat dels resultats obtinguts. Finalment, l’estudi aporta una proposta viable, econòmica i tècnicament efectiva per protegir xarxes reals amb topologia en anell, amb possibilitats clares d’escalabilitat.

Este trabajo se centra en el estudio, diseño y validación de un sistema de protección para una red de distribución de media tensión en anillo, con el objetivo de garantizar una actuación selectiva, segura y eficaz ante cualquier tipo de cortocircuito. El objetivo principal ha sido analizar distintas configuraciones de protección mediante simulación en tiempo real con HIL (Hardware-in-the-Loop), validando el comportamiento de relés ABB físicos en entornos reales de prueba. La metodología ha combinado el cálculo analítico de las corrientes de cortocircuito, la modelización de la red en Typhoon HIL y la configuración de los relés con PCM600. A través del Smartlab se han realizado simulaciones en tiempo real para varios escenarios de fallo (trifásicos, monofásicos, bifásicos y bifásicos a tierra), analizando la respuesta de las funciones de protección con distintos ajustes. Los resultados muestran que las funciones de sobrecorriente no direccionales son insuficientes para garantizar selectividad en redes en anillo. En cambio, las funciones direccionales (67, 67N), bien coordinadas cronológicamente, permiten una protección robusta y selectiva. También se observa la necesidad de adaptar las protecciones a la complejidad de la red, especialmente con generación distribuida, donde funciones como la protección de distancia (21) o la diferencial (87L) pueden ser clave. Metodológicamente, el estudio ha evidenciado limitaciones físicas y digitales del laboratorio HIL, que han obligado a ajustar parámetros de simulación como la relación de CTs o la potencia del sistema. Este aprendizaje ha sido clave para asegurar la fiabilidad de los resultados. Finalmente, el estudio aporta una propuesta viable, económica y técnicamente efectiva para proteger redes reales con topología en anillo, con claras posibilidades de escalabilidad.

This project focuses on the study, design, and validation of a protection system for a medium-voltage ring distribution network, with the objective of ensuring selective, safe, and efficient operation in the presence of any type of short circuit. The main goal was to analyze the different possible protection configurations using Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation, validating the behavior of real ABB relays in realistic testing environments. The methodology combined analytical calculation of short-circuit currents, modeling of the network in Typhoon HIL software, and configuration of protection relays using PCM600. Real-time simulations were carried out through the Smartlab for multiple fault scenarios (three-phase, single-phase, two-phase, and ground faults), analyzing the response of the protection functions under different settings. The results demonstrate that non-directional overcurrent functions are insufficient to guarantee selectivity in ring networks. In contrast, incorporating directional functions (67, 67N) combined with proper time coordination enables selective and robust protection. It was also confirmed that protection configurations must be adapted to the complexity of the network, especially in the presence of distributed generation, where distance or differential protections may become essential. From a methodological standpoint, the project highlighted the physical and digital limitations of the HIL laboratory, which required the adjustment of several simulation parameters, such as CT ratios and system power. This understanding was key to ensuring the reliability of the obtained results. Finally, the project offers a viable, cost-effective, and technically sound proposal for protecting real networks with ring topology, with clear scalability potential.