Las redes de distribución con una alta penetración de fuentes de energía renovable del tipo solar funcionan a menudo con flujo de energía hacia la subestación durante el día y cambian de flujo durante la noche. Este fenómeno se está volviendo cada vez más común y requiere de la implementación de protección direccional en todos los dispositivos instalados en los alimentadores para conseguir la correcta detección de fallas y coordinación de las protecciones.

La dirección de la corriente en una línea se obtiene del cálculo de la diferencia angular entre dicha corriente y la tensión de línea. En términos simples, si los vectores de voltaje y corriente en la línea apuntan de la misma dirección, podemos hablar de sentido directo (“forward”), y si apuntan en direcciones opuestas, hablamos de sentido inverso (“reverse”).

Una práctica común de los dispositivos de protección electrónicos es convertir las corrientes y voltajes de fase medidos en componentes de secuencia (positiva, negativa y cero). Luego, la dirección de la corriente de fase se calcula a partir de la diferencia angular entre la componente de secuencia positiva de voltaje y la secuencia positiva de corriente. Considerando el esquema de la figura 1, durante una condición de falla podrían generarse corrientes en sentido directo o inverso desde el punto de vista de un equipo de protección (por ejemplo, un reconectador) ubicado en la mitad de la línea.

En primer lugar, tomando la condición más simple (es decir, asumir que la línea se comporta como una resistencia), se pueden calcular las magnitudes del voltaje y corriente de secuencia positiva, según se muestra en las figuras 2 y 3.

A partir del esquema de la figura 1, consideraremos la Falla A como una falla directa o hacia adelante. Entonces, el ángulo de falla entre V1 e I1 sería de aproximadamente 0º. Para el caso de una falla inversa (Falla B), la diferencia sería de aproximadamente 180º.

Comúnmente, el rango del ángulo de falla va desde +/- 90º para el “caso más adelantado/atrasado”. En este caso, un ángulo característico (RCA) de 0º indicaría que una falla se detectaría hacia adelante si está en el rango de -90 a +90 º, y en cualquier otro caso, la falla sería reversa.

Pero, ¿por qué es importante un rango de ángulos tan grande para una falla directa? En la realidad, una red de distribución no es puramente resistiva, y la razón de cambio angular entre el voltaje y la corriente depende de la relación entre la componente reactiva y resistiva de la red, es decir, los valores de X/R. Esta relación depende de la sección de los cables de la red de distribución, la distancia de falla desde la cabecera del alimentador, la impedancia de falla, etc.

Cuando observamos el diagrama vectorial durante una falla, los valores de resistencia están a lo largo del eje horizontal, y los valores reactivos están a lo largo del vertical. Cuanta más reactancia (capacitiva o inductiva), más se alejan los vectores del eje horizontal. Por la razón anterior, se debe establecer un rango de operación que permite detectar y operar adecuadamente frente a todos los casos de fallas directas, y rechazar todos los casos de fallas inversas (y viceversa). La tabla 5 muestra algunos valores comparativos entre dos conductores de aluminio.

Es importante observar que para relaciones X/R inferiores a 1, cuanto más largo es el cable del alimentador, presenta más resistencia. En otras palabras, si la falla es lejana al dispositivo de operación (por ejemplo, un reconectador), más cercana será la diferencia angular entre el vector de voltaje y corriente. Para relaciones X/R mayores a 1, cuanto más largo es el cable, presenta más reactancia. Por tanto, cuanto más lejana es la falla al dispositivo de operación, mayor será la diferencia angular entre el voltaje y la corriente.

Entonces, dependiendo de la sección del cable del alimentador, la diferencia angular será divergente o convergente debido a la relación entre X y R. La figura 6 muestra vectores de corriente cualitativos basados en la relación X y R. En resumen, la reactancia de la red de distribución es la razón por la que la sobrecorriente direccional tiene un “ángulo característico” o “ángulo de torque” (término heredado de las protecciones electromecánicas). Es posible suponer que si el ángulo en “dirección directa” se desplaza en función de la reactancia, entonces ocurrirá una desviación similar en la “dirección inversa”. Por ejemplo, la configuración de sobreintensidad direccional para un ángulo de torque de 60º, asume que la red es bastante reactiva, con rangos operativos resultantes de 150º a -30º para operación directa o hacia adelante.