INTERRUPTOR DE MEDIA TENSION - Parte 2 - RELES DE PROTECCION:
Partes de un Interruptor de Media Tensión
El relé de protección es un dispositivo inteligente que protege y controla la red eléctrica. Las empresas proveen estos dispositivos en función del número de funciones de protección que tengan. El relé de protección puede parametrizarse y controlarse desde la sala de control o mediante una interfaz hombre-máquina local.
La función de un relé de MT es supervisar de modo continuo el estado de la red eléctrica y retirar la tensión (por ejemplo, abriendo un interruptos de Media ó Alta tensión) cuando son objeto de perturbaciones serias, tales como cortocircuitos, fallos de aislamiento, sobrecargas, etc. En otras palabras: es un dispositivo que controla el estado de un interruptor mediante una entrada eléctrica.
Están ubicados generalmente en el compartimiento superior frontal del gabinete que aloja al interruptor y comparten el espacio con otros elementos de baja tensión que requiere este sistema de protección para circuitos y demás elementos del sistema de distribución en Media y/o Alta Tensión. Ver figura siguiente.
Ubicación relativa de los Relés y otros elementos de Baja Tensión.
Hay muchos tipos de relés de protección. Los relés tienen diferentes funciones y se desarrollan para diferentes propósitos. Normalmente, los relés de protección miden las magnitudes de la red y funcionan en función de los valores medidos. Captan los eventos y notifican las alarmas.
Los tipos de relés típicos son los siguientes
– Relé de protección del generador,
– Relé de protección del motor,
– Relé de protección del transformador,
– Relé de regulación de tensión,
– Relé de sobreintensidad,
– Relé de fallo a tierra,
– Relé de distancia,
– Relé diferencial de línea
– Relé de control.
El disyuntor, breaker (Media ó Alta Tensión) o interruptor automático tiene que poder soportar el arco eléctrico que provocará la separación física entre sus bornes ya que esa apertura se realiza en carga o en condiciones de falla. Entre las diversas finalidades que tienen, los dispositivos de protección:
- Detectar las fallas o condiciones anormales para dar las alertas necesarias o, si fuese necesario, aislar los equipos o instalaciones falladas tan pronto como sea posible.
- Contribuyen a la protección de las personas contra los riesgos eléctricos.
- Evitan daños en los equipos.
- Limitan las tensiones térmicas, dieléctricas y mecánicas en los equipos.
- Mantienen la estabilidad y la continuidad del servicio en el sistema eléctrico.
- Protegen las instalaciones adyacentes
El sistema de protección debe ser concebido para atender una contingencia doble; es decir, se debe considerar la posibilidad que se produzca un evento de falla en el sistema eléctrico, al cual le sigue una falla del sistema de protección, entendido como el conjunto Relé-Interruptor. Por tal motivo, se debe establecer las siguientes instancias:
- Las protecciones principales (primaria) que constituye la primera instancia en una zona de protección y debe tener una actuación lo más rápida posible.
- Las protecciones de respaldo (secundaria) que constituye la segunda instancia de actuación de la protección y deberá tener un retraso en el tiempo, de manera de permitir la actuación de la protección principal en primera instancia. La protección de respaldo, la cual detecta la falla y actúa en segunda instancia cuando no ha actuado la protección principal. Para ser un verdadero respaldo, este relé debe ser físicamente diferente de la protección principal y estar ubicado “aguas arriba” de la primera.
Ajustar la protección significa definir los límites o umbrales de su característica de operación para detectar las fallas, las condiciones anormales del sistema y las condiciones indeseadas de los equipos. Es decir, ajustar la protección es definir los umbrales de las señales de entrada, los cuales determinarán la operación de la protección. El ajuste de la protección está determinado por la capacidad y el comportamiento de los equipos e instalaciones del sistema eléctrico, en todas las condiciones de operación, ya sean temporales como permanentes.
Funcionamiento de un Relé de Protección:
Diagrama de bloques – funcionamiento del relé y accesorios
Relé sin alimentación auxiliar / Relé con alimentación auxiliar
El relé no se conecta directamente a la red sino que toma la lectura de la red mediante unos Transformadores de Potencial (TP) y/o de corriente (TC), estos transformadores dan una lectura proporcional al relé. Este sabiendo la relación de transformación del relé instalado sabe interpretar el dato como si estuviera tomando el dato in-situ.
La protección más extendida y en la que se basa este estudio es la sobreintensidad (50/51), esta controla el paso de la intensidad por el equipo protegido y cuando su valor supera el umbral ajustado en el relé, este cierra un contacto que normalmente se utiliza para disparar el interruptor, activar una alarma, mandar una señal al centro de telecontrol, etc. En función del tiempo de disparo se pueden establecer dos grandes grupos:
- Protección de tiempo independiente.
- Protección de tiempo dependiente.
La protección por tiempo independiente es muy fácil de ajustar ya que siempre actúa en el mismo tiempo para cualquier valor de intensidad que supere el umbral asignado (I de falla), tal y como se muestra en la figura de la izquierda:
Relé de sobrecorriente de tiempo independiente
Relé de sobrecorriente de tiempo inverso
El ajuste de la protección de tiempo dependiente es un poco más complicado ya que dependiendo de la relación de la intensidad y el umbral asignado Is variará en el tiempo tal y como se muestra en la figura siguiente. Es decir, cuanto mayor sea el valor de la intensidad menor será el tiempo de actuación. Por este motivo se suelen llamar también protecciones a tiempo inverso.
En este grupo existen una gran familia de ajustes predefinidos, los más usuales son los de tiempo inverso, muy inverso, extremadamente inverso e inverso largo. Cada una de ellas con una curva determinada tal y como se muestra en la figura:
Curva de Tiempo Inverso / muy Inverso y Extremadamente Inverso.
Aunque lo más habitual es combinar al menos dos tipos de ajuste en el mismo relé, pudiendo ser:
Diseño de un Sistema de Protección:
La protección, no obstante, tiene sus límites ya que primero debe producirse el fallo para que el sistema de protección pueda reaccionar. La protección no puede impedir, por lo tanto, las perturbaciones, sólo puede limitar sus efectos y su duración (al limitar la duración, el coste económico de reparación disminuye considerablemente). Además, la elección de un sistema de protección suele ser a menudo un compromiso técnico y económico entre la disponibilidad y la seguridad de la alimentación eléctrica.
Para determinar las corrientes de falla se debe simular todos los tipos de cortocircuitos, algunos de los cuales pueden tener contacto a tierra a través de una resistencia de falla. Esta simulación debe efectuarse en las barras de las centrales y subestaciones, así como a lo largo de la línea. En los cálculos de cortocircuito se debe considerar las impedancias para las condiciones más desfavorables, de acuerdo a lo siguiente:
- Para los generadores se debe usar las impedancias sub-transitorias no saturadas
- Para los transformadores se debe usar las impedancias en las tomas (taps) de operación más desfavorables.
- Para las líneas se debe usar las impedancias propias; y en el caso de líneas en paralelo, las impedancias mutuas de secuencia cero. Los cálculos deben permitir determinar no sólo las corrientes totales de falla en las barras de las subestaciones, sino también los aportes a las corrientes de falla de cada circuito conectado a dichas barras.
Para el análisis de fallas cercanas a los generadores es necesario considerar el comportamiento real de la máquina, lo que conlleva a considerar la curva de la corriente de cortocircuito de la máquina en función del tiempo.
Para poder realizar correctamente un Estudio y Coordinación de Protecciones se deben conocer los datos correspondientes a las cargas, transformadores, conductores, motores, capacitores, etc y elaborar un Diagrama Unifilar con todos esos componentes y conocer el comportamiento del sistema en conjunto.
El comportamiento del sistema en condiciones normales se obtiene realizando un Estudio de Flujo de Cargas en cada uno de los casos de régimen de funcionamiento (alimentación normal, Generación de Emergencias u otros).
El comportamiento en casos de fallas (condición anormal) se obtiene realizando un Estudio de Cortocircuito. Aquí se ajustan las protecciones de acuerdo a la capacidad de los elementos, sus curvas de daño y de tal forma de que se cumpla con los principios de selectividad (sólo debe abrir la protección ubicada inmediatamente “aguas arriba” del punto de falla.
Tan importante es que una protección actúe cuando tiene que actuar como que no actúe cuando no tiene que actuar. Si la falla se ha producido dentro del área de cobertura de la protección ésta debe dar la orden de abrir los interruptores que aíslen el circuito en falla. Si, por el contrario, la falla se ha producido fuera de su área de vigilancia, la protección debe dejar que sean otras protecciones las que actúen para despejarla, ya que su actuación dejaría fuera de servicio un número de circuitos más elevado que el estrictamente necesario para aislar la falla y, consecuentemente, implicaría un innecesario debilitamiento del sistema.
Los Relés pueden proteger una gran serie de parámetros de medida de la red, tales como:
Máxima intensidad de fase (ANSI 50/51)
Máxima intensidad de fase con retención de tensión (ANSI 50V/51V)
Máxima intensidad de tierra (ANSI 50N/51N o 50G/51G)
Fallo disyuntor (ANSI 50BF)
Máxima de componente inversa (ANSI 46)
Máxima intensidad de fase direccional (ANSI 67)
Máxima intensidad de tierra direccional (ANSI 67N/67NC)
Máxima potencia activa direccional (ASNI 32P)
Máxima potencia reactiva direccional (ANSI 32Q/40)
Imagen térmica (ANSI 49 RMS)
Mínima intensidad de fase (ANSI 37)
Arranque demasiado largo, bloqueo del rotor (ANSI 48-51LR)
Limitación del número de arranques (ANSI 66)
Mínima tensión directa y control del sentido de rotación (ANSI 27D-47)
Mínima tensión remanente (ANSI 27R)
Mínima tensión (ANSI 27/27S)
Máxima tensión (ANSI 59)
Máxima tensión residual (ANSI 59N)
Máxima tensión inversa (ANSI 47)
Máxima frecuencia (ANSI 81H)
Mínima frecuencia (ANSI 81L)
Reenganchador (ANSI 79)
Vigilancia de temperatura (ANSI 49T-38)DE
Comparativa de simbología típica y Códigos ANSI
Modelo y funciones ANSI de Relés SEL. Cortesía SEL
Evolución de los Sistemas de Protecciones:
Los relés electromecánicos han sido una parte fundamental de las subestaciones eléctricas desde hace muchas décadas. Estos dispositivos se utilizan para proteger y controlar los sistemas eléctricos, y han evolucionado considerablemente a lo largo de la historia. A continuación, te presentaré una breve historia de los relés electromecánicos en las subestaciones.
Primeros relés electromecánicos: Los primeros relés electromecánicos comenzaron a desarrollarse a finales del siglo XIX y principios del siglo XX. Estos relés estaban basados en principios electromagnéticos y mecánicos. Utilizaban bobinas y contactos para detectar y responder a las condiciones anormales en los sistemas eléctricos. Estos relés fueron los primeros dispositivos de protección utilizados en las subestaciones eléctricas, y su funcionamiento se basaba en principios simples pero efectivos.
Relés electromecánicos diferencial y de sobrecorriente: En las décadas siguientes, los relés electromecánicos se desarrollaron aún más para adaptarse a las necesidades de las subestaciones eléctricas. Se introdujeron relés diferenciales, que se utilizaban para detectar corrientes diferenciales entre dos o más transformadores o líneas de transmisión, lo que permitía protegerlos de fallas internas o externas.
Además, se desarrollaron relés de sobrecorriente, que se utilizaban para detectar corrientes excesivas en los sistemas eléctricos. Estos relés ayudaban a proteger los equipos y líneas eléctricas de daños causados por sobrecargas o cortocircuitos.
Avances posteriores: Con el avance de la tecnología, los relés electromecánicos fueron mejorando en términos de precisión, velocidad de respuesta y características de protección. Se introdujeron sistemas de temporización y ajustes más sofisticados, lo que permitía una mayor flexibilidad en la configuración y adaptación a diferentes condiciones de operación.
Sin embargo, a medida que avanzaba el siglo XX, surgieron nuevas tecnologías electrónicas y digitales que comenzaron a reemplazar gradualmente a los relés electromecánicos en las subestaciones eléctricas. Los relés electrónicos y digitales ofrecían ventajas significativas en términos de tamaño, precisión, comunicación y capacidad de procesamiento de señales.
Actualidad: En la actualidad, los relés electromecánicos son menos comunes en las subestaciones eléctricas modernas. Han sido reemplazados en gran medida por relés electrónicos y digitales basados en microprocesadores y tecnologías de comunicación avanzadas. Estos nuevos relés ofrecen una mayor funcionalidad, flexibilidad y capacidad de monitoreo y diagnóstico remoto.
Aunque los relés electromecánicos pueden ser considerados como tecnología obsoleta en comparación con las alternativas más modernas, aún se pueden encontrar en algunas instalaciones eléctricas antiguas o en regiones donde la infraestructura eléctrica no ha sido actualizada.
En las imágenes tenemos un relé electromecánico de sobrecorriente de tiempo inverso mostrando sus ajustes de tiempo y corriente y un relé diferencial. Se puede observar el disco metálico con el resorte de oposición, los contactos y las bobinas de accionamiento.
Esquemas de Protecciones:
Los Equemas de Protecciones consisten en acomodar
Protección de sobrecorriente (50-51):
El relé 50-51 es un tipo de relé de protección utilizado en sistemas eléctricos para proteger los transformadores de corriente alterna (CA) contra condiciones anormales de funcionamiento, como cortocircuitos y sobrecargas. A continuación se explican las funciones y características principales del relé 50-51:
Función 50 (Relé de sobrecorriente instantánea): El relé 50 es responsable de detectar corrientes de cortocircuito y sobrecorrientes en el sistema eléctrico. Cuando se detecta una corriente anormal, el relé 50 envía una señal para desactivar el circuito protegido.
Función 51 (Relé de sobrecorriente temporal): El relé 51 es utilizado para proteger el equipo eléctrico contra sobrecargas prolongadas. Monitorea la corriente durante un período de tiempo determinado y si la corriente excede el umbral preestablecido, el relé 51 actúa para desconectar el circuito y evitar daños al equipo.
Ajustes de tiempo y corriente: El relé 50-51 permite ajustar los valores de corriente y tiempo para adaptarse a las características del sistema eléctrico en el que se encuentra. Estos ajustes se realizan en función de las necesidades específicas y la sensibilidad requerida para la protección del equipo.
Coordinación de protección: El relé 50-51 se utiliza en la coordinación de protecciones, lo que implica establecer niveles de disparo adecuados y tiempos de actuación para garantizar que el relé correspondiente más cercano al punto de falla sea el que actúe, evitando así una desconexión generalizada del sistema y minimizando el impacto en la continuidad del suministro eléctrico.
Selección de curvas características: El relé 50-51 permite seleccionar diferentes curvas características de sobrecorriente para adaptarse a las diferentes condiciones de operación y tipos de carga del sistema eléctrico. Estas curvas se basan en estándares y normas específicas para garantizar una protección adecuada del equipo.
Comunicación y monitoreo: Algunos relés 50-51 pueden incluir capacidades de comunicación y monitoreo, lo que permite la supervisión remota del estado del relé, la configuración de parámetros y la recopilación de datos de eventos para el análisis y la resolución de problemas.
Es importante tener en cuenta que las características y funciones específicas del relé 50-51 pueden variar dependiendo del fabricante, el modelo y los requisitos particulares del sistema eléctrico en el que se instalará.
Protección Diferencial:
La Protección Diferencial opera al momento en que la diferencia fasorial entre dos o mas magnitudes eléctricas similares supera un valor preestablecido; mayormente son del tipo de diferencial de corriente.
El relé 87, también conocido como relé de diferencial de corriente, es un tipo de relé de protección utilizado en sistemas eléctricos para proteger equipos sensibles, como transformadores, generadores y motores, contra corrientes de fuga y corrientes asimétricas. A continuación se explican las funciones y características principales del relé 87:
Función de protección diferencial: La función principal del relé 87 es comparar las corrientes de entrada y salida de un equipo eléctrico y detectar cualquier diferencia entre ellas. Si existe una corriente de fuga o una corriente asimétrica mayor a un umbral preestablecido, el relé 87 actúa para desconectar el equipo y evitar daños.
Sensibilidad ajustable: El relé 87 permite ajustar la sensibilidad para adaptarse a las características del sistema eléctrico en el que se encuentra. Esto implica establecer los umbrales de corriente diferencial y los ajustes de tiempo adecuados para garantizar una protección óptima del equipo sin generar disparos innecesarios.
Protección de Direccional:
Un relé de protección direccional es un dispositivo utilizado en sistemas eléctricos de potencia para proteger y coordinar las operaciones de la red. Estos relés son responsables de detectar y responder a condiciones anormales, como cortocircuitos o fallas, con el fin de aislar la parte afectada de la red y minimizar el impacto en el sistema.
La función principal de un relé de protección direccional es supervisar la dirección del flujo de corriente en un sistema eléctrico y tomar medidas de protección en función de esa dirección. Esto es particularmente útil en casos en los que se requiere una respuesta selectiva para identificar y aislar una falla en una sección específica del sistema. Por ejemplo, en un sistema de transmisión de energía, el relé de protección direccional puede detectar una corriente de falla que fluye en la dirección opuesta al flujo normal y enviar una señal para abrir el disyuntor y desconectar esa sección de la red.
Los relés de protección direccional suelen estar equipados con elementos de protección adicionales, como sobrecorriente, sobretensión, falta de fase, entre otros, para brindar una protección completa y eficiente del sistema eléctrico.
Protección de Distancia (21):
El relé 21, también conocido como relé de distancia, es un tipo de relé de protección utilizado en sistemas eléctricos de alta tensión para detectar y proteger las líneas de transmisión y distribución contra fallas, como cortocircuitos y fallas a tierra. A continuación se explican las funciones y características principales del relé 21:
Función de protección por distancia: La función principal del relé 21 es medir la impedancia o la distancia hasta el punto de falla en la línea eléctrica. Basándose en esta medición, el relé determina si una falla ocurre dentro de una zona de protección predeterminada y actúa para desactivar el circuito o sección afectada.
Zonas de protección: El relé 21 permite establecer diferentes zonas de protección para adaptarse a la topología y las características del sistema eléctrico. Cada zona corresponde a una distancia específica desde el punto de instalación del relé, y el relé actuará si se produce una falla dentro de esa zona.
Curvas de tiempo y características de impedancia: El relé 21 permite ajustar las curvas de tiempo y las características de impedancia para adaptarse a las condiciones y los requisitos específicos del sistema eléctrico. Estos ajustes se basan en estándares y prácticas de la industria para garantizar una protección adecuada y una coordinación con otros dispositivos de protección.
Comunicación y monitoreo: Muchos relés 21 están equipados con capacidades de comunicación y monitoreo, lo que permite la supervisión remota del estado del relé, la configuración de parámetros y la recopilación de datos de eventos para el análisis y la resolución de problemas.
Coordinación de protección: El relé 21 se utiliza en la coordinación de protecciones para garantizar que los relés de distancia instalados en diferentes puntos a lo largo de la línea actúen en secuencia y desactiven únicamente la sección afectada por una falla, minimizando así el impacto en la continuidad del suministro eléctrico.
Es importante tener en cuenta que las características y funciones específicas del relé 21 pueden variar dependiendo del fabricante, el modelo y los requisitos particulares del sistema eléctrico en el que se instalará.
Protección de motor
El relé de protección de motor, también conocido como relé de sobrecarga o relé térmico, es un dispositivo utilizado para proteger los motores eléctricos contra condiciones anormales de funcionamiento, como sobrecargas y fallas en el arranque. A continuación se presentan las funciones y características principales del relé de protección de motor:
Detección de corriente: El relé de protección de motor monitorea continuamente la corriente que fluye hacia el motor. Si la corriente supera un umbral preestablecido, indica una posible sobrecarga o una condición de fallo.
Sobrecarga térmica: Los relés de protección de motor utilizan principios de sobrecarga térmica para detectar condiciones de sobrecarga prolongadas. Esto se logra mediante el uso de elementos bimetálicos o sensores de temperatura para medir el calentamiento del motor. Si el calentamiento supera un límite establecido, el relé actúa para desconectar el motor.
Protección contra fallo de arranque: El relé de protección de motor también puede proporcionar protección contra fallos en el arranque del motor. Esto se logra mediante la detección de condiciones anormales durante el proceso de arranque, como corrientes excesivas o falta de corriente en alguna de las fases.
Ajustes de sensibilidad: Los relés de protección de motor permiten ajustar la sensibilidad de disparo para adaptarse a las características del motor y los requisitos de protección específicos. Esto implica establecer umbrales de corriente y ajustes de tiempo adecuados para evitar disparos innecesarios y garantizar una protección efectiva.
Reajuste y reinicio automático: Algunos relés de protección de motor tienen la capacidad de reajustarse y reiniciarse automáticamente después de que se haya corregido la condición de falla. Esto evita la necesidad de una intervención manual para restablecer el funcionamiento del motor.
Indicadores visuales y señales de alarma: Los relés de protección de motor a menudo están equipados con indicadores visuales, como luces LED, que indican el estado de funcionamiento del relé y si se ha activado una protección. También pueden generar señales de alarma audibles o enviar notificaciones a sistemas de control o monitoreo.
Es importante tener en cuenta que las características y funciones específicas del relé de protección de motor pueden variar dependiendo del fabricante, el modelo y los requisitos particulares del motor y el sistema eléctrico en el que se utiliza. Además, es recomendable seguir las recomendaciones y estándares de seguridad establecidos por los fabricantes y las normativas locales para garantizar una protección adecuada de los motores.
Coordinación de Protecciones:
Es la coordinación de los dispositivos de corte automático para que un defecto, ocurrido en un punto cualquiera de la red, sea eliminado por el interruptor automático colocado inmediatamente aguas arriba del defecto, y sólo por él.
Selectividad total: Para todos los valores del defecto, desde la sobrecarga hasta el cortocircuito franco, la distribución es totalmente selectiva si D2 se abre y D1 permanece cerrado.
Selectividad parcial: La selectividad es parcial si la condición anterior no se cumple hasta la máxima corriente de cortocircuito, sino solamente hasta un valor inferior. Este valor se conoce como límite de selectividad.
Sin selectividad En caso de defecto el interruptor automático D1 puede abrirse.
Curvas TCC:
Las curvas TCC (Time Current Curves) son una representación gráfica de las características de funcionamiento de los elementos comparados con las curvas de daños de los equipos. Comparando esas curvas podemos visualizar, de una manera gráfica y sencilla, si las protecciones aseguran que los equipos conectados no sufran daño en casos de sobrecorrientes.
La curva de daño siempre debe ir a la derecha de la curva de su elemento de protección.
Secuencia de Operaciones:
En el siguiente esquema podemos apreciar parte de un Estudio de Coordinación de Protecciones mostrando el orden de apertura de los dispositivos de sobrecorriente que hay en serie desde el punto de falla hacia la fuente. El la Tabla se muestran, de forma ordenada, los ID de las protecciones, la corriente de falla y el tiempo de apertura del mismo.
Bibliografía e información para consultas:
– SEPAM – SCHNEIDER Relé SEPAM
– SCHNEIDER – Protecciones en Media Tensión
– SCHNEIDER – Protecciones de la Red Eléctrica en Media Tensión
– Numeración de las Protecciones Eléctricas
– HANDBOOK FOR PROTECTIONS ENGINEERS
– GUÍA DE INTERPRETACIÓN nrz104_EP – Instalaciones Privadas Generadoras de MT y AT
– Criterios de protección de sistemas – 2005-V2
Envíanos un mensaje por Email
Le responderemos en breve tiempo a su solicitud de Servicios o información requerida