3. relevadores microprocesados
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2.2.- Relevadores microprocesados
Los relevadores microprocesados, también llamados digitales o numéricos, basan su
funcionamiento en un microprocesador, tal y como lo hacen las computadoras en la actualidad, surgieron
con el avance de la tecnología y actualmente dominan el mercado gracias a sus enormes ventajas sobre
los relevadores electromecánicos como:
a. menor espacio de montaje en tableros.
b. permiten al usuario generar alarmas especiales o funciones a través de programar
compuertas lógicas internas.
c. brindar con bastante precisión la localización de las fallas.
d. realizar infinidad de cálculos.
e. manejan con fluidez las componentes de secuencia positiva, negativa y cero de voltajes y
corrientes
f. generan reportes de eventos, graban datos de formas de ondas de corriente y voltaje, para
su posterior análisis.
g. muestran como se van activando las lógicas internas de este ayudando a comprender
mejor su operación.
h. ayudan a descubrir errores en la relación de transformadores de corriente y de potencial.
i. ayudan al análisis de fallas con alta resistencia al proporcionar diferentes mediciones de
impedancias.
j. requieren menor mantenimiento, por no tener piezas móviles, su capacidad de
autodiagnostico y tiempo de prueba mínimo.
k. ayudan en la economía al poder realizar multifunciones y disminuir requerimientos sobre
los transformadores de corriente y potencial.
l. su alambrado en tableros es mas sencillo
m. cuentan con puertos de comunicación pudiendo comunicarse con otros relevadores, así
como el acceso remoto del personal encargado.
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A continuación se describen varios conceptos que se manejan en los relevadores digitales
Señal continua o analógica
Es como la que generan los transformadores de corriente y de potencial ya que no presenta
interrupciones, es de la forma:
f(t) = Am Sen(2∏f t + Φ)
f(t) es la función de tiempo
Am es la amplitud máxima
f es la frecuencia, 2∏f es igual a 377 en
un sistema de 60 Hz
Φ es un ángulo inicial arbitrario
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
f(t)
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Diferencia de espacio en tablero entre un esquema electromecánico y otro microprocesado.
Señal discreta
Es la que presenta valores a intervalos definidos de tiempo, usualmente se representa como f(k) o
f(n). La ecuación continua se puede escribir en forma discreta cambiando “t” por “Δt”
f(k) = Am Sen (2∏f(kΔt) + Φ)
-200.00-150.00-100.00
-50.000.00
50.00100.00150.00200.00
f(k)
Compuertas lógicas
En estos relevadores es muy común tener en cuenta ciertas condiciones que se deben cumplir
antes de tomar la decisión de disparo. Las compuertas lógicas se implementan con transistores insertados
en circuitos integrados que actúan como pequeñísimos interruptores, para ellas la ausencia de voltaje se
interpreta como “0” y la presencia de voltaje (de entre 3 y 5 volts) se interpreta como “1”
Compuerta lógica AND
Es la requiere ambas entradas para dar salida. Su equivalente son dos contactos en serie.
A A*BB
SALIDAA B0 0 00 1 01 0 01 1 1
ENTRADAS
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Compuerta lógica OR
Para tener salida, al menos se debe tener una entrada, Su equivalente son contactos en paralelo.
A A*BB
or
SALIDAA B0 0 00 1 11 0 11 1 1
ENTRADAS
A
B
Compuerta lógica NOT o negación
Esta compuerta lógica provee un cero si a entrada en uno o viceversa. Una forma de representar la
negación es poner una barra arriba de la letra que representa esa variable.
A Ā
ENTRADA SALIDAA0 11 0
Comparador
Esta compuerta es ampliamente utilizada en estos relevadores ya que compara la cantidad
recibida medida por el relevador contra una referencia (ajuste). En la siguiente figura se tiene salida “C”
solo cuando “A” es mayor que “B”
A CB
Timers o relojes internos.
Los relevadores digitales usan y permiten programar relojes internos para muchos usos. Después
que aparece el “1” de la señal de arranque, este se debe mantener un tiempo “Ti” que es un tiempo de
retraso antes de obtener un “1”en la salida la cual se mantiene por un tiempo “Td”.
Es común que en ocasiones Ti=0 pero Td siempre es diferente de cero.
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Ti
Td
Ti Tiempo de inicio
Td Tiempo de duración
SalidaSeñal de Arranque
1
Ti
Td
Ejemplo 1
Ejemplo 2
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Filtro Pasabajas
Al presentarse fallas en el sistema de potencia, la señal de los transformadores de instrumento
puede tener un contenido de armónicas de frecuencias superiores a la fundamental de 60 Hz que provocan
distorsión en la forma de onda del voltaje y corriente que reciben los relevadores. Aun si no hay falla la
forma de onda de los transformadores de instrumento puede distorsionarse por algunas cargas como
hornos eléctricos, rectificadores, inversores, transformadores de potencia, etc. Por eso es necesario filtrar
las señales que recibe el relevador y dejar pasar solo la de 60 Hz. Normalmente en el diseño de
relevadores se usa el filtro tipo Butterworth de segundo orden con frecuencia de corte de 240 Hz
Frecuencia
Ganancia
Fc
Muestreo (S&H)
En una parte del relevador, después del filtro Pasabajas donde se toman valores discretos
(muestras) de la señal analógica y se memorizan (sample and hold)
Convertidor analógico-digital (ADC)
Este convierte los valores de muestra en unos y ceros, es decir los digitaliza.
Aliasing
El limite superior de la velocidad del muestreo esta relacionada con la velocidad del
microprocesador que utiliza el relevador, el limite inferior esta determinado por el teorema de Nyquist
que dice que la frecuencia de muestreo mínima debe ser al menos el doble de la máxima frecuencia de la
señal (o sea, en nuestro caso, 120 muestras por segundo) para que no haya confusión con pseudocurvas o
curvas “alias”
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En esta figura se observa el fenómeno de “aliasing” que consiste en la confusión de la curva original
cuando la frecuencia de muestreo es demasiado baja. Ambas curvas poseen los mismos puntos de
muestra.(http://www.diac.upm.es/acceso_profesores/asignaturas/web_psa/aliasing/aliasing.htm)
Remoción de la componente de CD
Después del filtro Pasabajas el relevador filtra la componente de corriente directa (offset) de la
curva que aparece al energizar un circuito R-L .Esta CD se hace mas presente cuando hay generadores en
la cercanía del relevador. Ver descripción del SEL-267
Algunos relevadores SEL utilizan el “Filtro CAL” o el “Filtro Coseno” o ambos.
Estos filtros eliminan la componente de CD y reducen el desplazamiento exponencial decreciente
que puede estar presente en la señal de entrada a causa de presentarse una falla.
El filtro digital CAL tiene las propiedades de un suavizador diferencial doble y requiere solo
adición y sustracción de datos muestra. Sean las últimas cuatro muestras de un canal X1, X2, X3 y X4.
Entonces el filtro digital se define como:
P = X1 – X2 – X3 + X4
Cuando todas las muestras tienen el mismo valor, la salida del filtro es cero. También elimina
rampas, lo cual se puede verificar considerando que las muestras toman los valores 1, 2,3 y 4. Otra vez la
salida es cero. Ver descripción del SEL-267.
Si no se elimina esta componente “offset” el cálculo del fasor a continuación sería erróneo.
Formación de los fasores.
Las señales provenientes de los transformadores de instrumento, después de quitarles las altas
frecuencias o armónicas así como la componente de CD y ser digitalizadas requieren ser convertidas a
fasores para ser procesadas (matemáticamente) por el relevador.
Para lograr esto, se puede aplicar la Transformada Discreta de Fourier (DFT) a los datos.
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N: Numero de muestras por ciclo
k: Es un subíndice que va de “1 a N” o de “0 a N-1”
xk Es el valor “k” de voltaje o corriente (muestra numero “k”)
El resultado es un fasor con su parte real y parte imaginaria, que se le puede poner calcular
magnitud y ángulo en la forma acostumbrada. Ver archivo en Excel “Calculo del fasor a partir de
muestras”
También se puede expresar en la forma de Euler que es mas compacta
Memoria
. El relevador va almacenando los valores de voltaje o corriente anteriores y los va comparando
con los actuales para que cuando se presente una situación anormal tomar la decisión de disparo. Se
maneja el concepto de “ventana de tiempo” que es el tiempo pasado en que el relevador aún recuerda
valores anteriores.
Muchos de los algoritmos propios de cada fabricante para detectar una situación anormal y tomar
una decisión utilizan esta memoria.
Modelo del relevador microprocesado
El relevador microprocesado consiste de varios elementos arreglados para determinar una
condición anormal a partir de las muestras de las señales de entrada y tomar acciones.
Elementos funcionales de un relevador de protección.
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X2
N1
N
k
xk cos2k
N
1i sin2kN
x
Quantizador S&H
Proc
esam
ient
o de
dat
os
Eliminación de CD (Filtro coseno)
Formación de fasores con DFT
Fasores de secuencia
Memoria
Quantizador S&H
Eliminación de CD (Filtro coseno)
Formación de fasores con DFT
Fasores de secuencia
VaVbVc
IaIbIc
Salida
Filtro pasabajos
Filtro pasabajos
Modelo del relevador microprocesado, siguiendo el orden de los bloques y con ayuda de las
descripciones anteriores se puede recorrer el proceso por el que pasan las señales de voltaje y corriente
antes de llegar a ser fasores matemáticos en el microprocesador donde el “algoritmo’ propio de cada
fabricante será capaz de reconocer las condiciones de falla y actuar con todos los atributos requeridos a
las protecciones eléctricas de hoy en día.
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Diagrama de bloques del relevador. Tomado del instructivo del relevador SEL267 pagina 2-5
Se utiliza un multiplexor para aplicar en orden las señales de voltaje y corriente al
microprocesador
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Señal de tiempo GPSIRIG-B
Disparo, Cierre, Alarma, Señales Lógicas
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