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SERIE PLANTAS ELECTRICAS Y SERIE PLANTAS ELECTRICAS Y SUBESTACIONESSUBESTACIONES

DISPOSITIVOS DE CONTROL Y DISPOSITIVOS DE CONTROL Y PROTECCIONPROTECCION

Autor:Ing. Francisco H. Nez Ramrez, MSEE

Maestra en Ingeniera de Potencia ElctricaIngeniero Mecnico-Electricista

CODIA 2252

Acerca del autorAcerca del autor

El autor posee la Maestra en Ingeniera de Potencia Elctricadel Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), Troy, New York, USA.

Grado de Ingeniera Elctrica y Mecnica de la Universidad Autnoma de Santo Domingo (UASD), honor Magna Cum Laude.

Profesor de la Universidad Autnoma de Santo Domingo y de la Universidad APEC, en la Repblica Dominicana, en las ctedras de potencia elctrica.

Profesional en ejercicio desde el ao de 1977 y consultor de ingeniera desde el ao de 1990.

CONTENIDOCONTENIDO

Dispositivos de Control y Proteccin.Transformadores de medicin.

Transformadores de corriente.Clase de precisin.Placa de caractersticas.

Transformadores potenciales o de tensin.Transformadores de tensin para medida.Transformadores de tensin para proteccin.Lmite de error de tensin y de ngulo de fase.Placa de caractersticas.

Transformadores combinados de corriente y de tensin.Rels de proteccin.

Propiedades de los rels de proteccin.Confiabilidad.Sensibilidad.Rapidez.Selectividad.Automaticidad.

CONTENIDO (Cont.)CONTENIDO (Cont.)

Clasificacin de los rels de proteccin.Por las caractersticas constructivas.

Rels electromagnticos.Rels de induccin.Rels electrodinmicos.Rels electrnicos.Rels trmicos.

Por la magnitud elctrica que controlan o miden.Rels de intensidad.Rels de tensin.Rels de producto.Rels de cociente.Rels diferenciales.Rels de frecuencia.

Por el tiempo de funcionamiento.Rels instantneos.Rels temporizados.

CONTENIDO (Cont.)CONTENIDO (Cont.)

Tipos bsicos de rels de proteccin.Rels de sobrecorriente.Rels direccionales.Rels diferenciales.Rels de distancia.Rels pilotos.Rels estticos.

Proteccin elctrica del generador.Rel de bloqueo del generador, 86G.Proteccin diferencial, 87T.Rel detector de tierra, 64G.

Proteccin elctrica del transformador principal.Deteccin de fallas internas.Rel de bloqueo, 86T.Proteccin diferencial, 87T.

Proteccin diferencial de barras.

DISPOSITIVOS DEDISPOSITIVOS DECONTROL Y PROTECCIONCONTROL Y PROTECCION

TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES DE MEDICIONDE MEDICION

Los dispositivos de medicin y rels de proteccin toman sus seales a partir de los denominados transformadores de medida o de control.

La razn del uso de estos transformadores estriba en la reduccin en los costos de dichos equipos, dado que no estarn sometidos a los efectos de altas tensiones y corrientes.

Adems se protege a los usuarios de los mismos contra los peligros que significan dichos niveles de potencia.

Los transformadores de medida son de dos tipos, a saber:

1)Transformadores de Corriente o CTs, por sus siglas en ingles Current Transformers.

2)Transformadores de Tensin o Potenciales o PTs, por sus siglas en ingles Potential Transformers.

TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES DE CORRIENTEDE CORRIENTE

Son transformadores de medicin en los cuales la corriente secundaria es proporcional a la primaria, y con un ngulo de desfase prcticamente nulo entre ellas.

Los transformadores de corriente se construyen para una gran variedad de corrientes primarias, estando la corriente secundaria de los mismos normalizada a 5 amperios.

En casos excepcionales se pueden especificar para una corriente secundaria de 1 amperio, cuando los conductores secundarios son de gran longitud, para minimizar las prdidas resistivas.

La razn por cociente entre las corrientes primaria y secundaria es lo que se conoce como relacin o razn de transformacin del transformador de corriente.

Los valores establecidos de corrientes primarias para transformadores de corriente de alta tensin son los siguientes: 100, 200, 300, 400, 600, 800, 1200, 1500, 2000, 4000 A, etc.

La Figura 1 muestra los componentes de un transformador de corriente CTA 145 Serie Balteau de Alsthom, para 245 kV de tensin mxima.

1. Diafragma.2. Domo metlico.3. Indicador de nivel de aceite.4. Bornes terminales primarios.5. Arrollamiento primario.6. Arrollamiento secundario.7. Aislamiento de papel aceite.8. Aceite aislante.9. Bushing interno.10. Soportes aislantes.11. Aislador de porcelana.12. Conexiones secundarias.13. Grapas sujecin aislador.14. Caja de terminales secundarios. 15. Base metlica de fijacin.

Figura 1: Componentes transformador de corriente @ 245 kV

(Fuente:Alsthom Images

)

La Figura 2 muestra de una manera esquemtica la conexin estrella de tres transformadores de corriente:

Figura 5.2: Conexionado de CTs en configuracin YFigura 2: Esquema conexin estrella transformadores de corriente.

(Fuente:Author

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)

La Figura 3 muestra de una manera esquemtica la conexin delta de tres transformadores de corriente:

Figura 5.3: Conexionado de CTs en configuracin DeltaFigura 3: Esquema conexin delta transformadores de corriente.

(Fuente:Author

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)

Clase de precisin para medicin

La clase de precisin se designa por el error mximo admisible, en por ciento, que el transformador puede introducir en la medicin, operando con su corriente nominal primaria y a frecuencia nominal.

Precisiones normalizadas en transformadores de corriente:

Clase Utilizacin

0.1 Aparatos para mediciones y calibraciones de laboratorio.

0.2 a 0.3 Mediciones de laboratorio y alimentaciones para los kilowatmetros hora de alimentadores de potencia.

0.5 a 0.6 Alimentacin para de kilowatmetros hora de facturacinen circuitos dedistribucin e industriales.

1.2 Alimentacin a las bobinas de corriente de los aparatos de medicinen general, indicadores o registradores y a los rels de las proteccionesdiferencial, de impedancia y de distancia.

3 a 5 Alimentacin a las bobinas de los rels de sobrecorriente.

Tabla 1: Clases de precisin para transformadores de medicin.

Las normas ANSI definen la clase de precisin de acuerdo con los siguientes valores: 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.6, 1.2, 3 y 5, cada clase de precisin especificada debe asociarse con una o varias cargas nominales de precisin, por ejemplo: 0.5 de precisin con una carga de 50 VA.

Los transformadores para medicin estn diseados para que el ncleo se sature para valores relativamente bajos de sobrecorriente, protegiendo de esta forma los instrumentos conectados al secundario del transformador.

Placa de Caractersticas

Los transformadores de intensidad deben llevar una placa de caractersticas, indeleble, en la que deben figurar las siguientes indicaciones segn norma IEC 60185:

1.Nombre del constructor o cualquier otra marca que permita su fcil identificacin.2. Nmero de serie y designacin del tipo.3.Corrientes nominales primaria y secundaria en amperes.4. Frecuencia nominal en Hz.5.Potencia de precisin y clase de precisin

correspondiente a cada ncleo.6. Tensin ms elevada de la red.7. Nivel de aislamiento nominal.

TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES POTENCIALES O DE TENSIONPOTENCIALES O DE TENSION

Transformadores Potenciales

Son transformadores de tensin utilizados para reducir las altas tensiones de los sistemas elctricos, a niveles bajos, para aplicarlos a los instrumentos de medicin y a rels de proteccin.

El ngulo de desfase entre las tensiones primaria y secundaria debe ser nulo, para una conexin apropiada.

El cociente entre dichas tensiones se denomina razn de transformacin de los transformadores potenciales.

La tensin primaria de los transformadores potenciales se selecciona de acuerdo con la tensin nominal de la instalacin; pero la tensin secundaria est normalizada a 120 voltios.

Por ejemplo: 600V; 2.4KV; 7.2KV; 12.5KV; 34.5KV; 69KV; 138KV; 230KV; 345KV:120V, etc.

La Figura 4 muestra un transformador de tensin tpico para alta tensin.

1 Tapa o domo2 Borne terminal primario3 Vinculo interior de alta tensin4Anillo equipotencial para atenuar

efecto corona (1)5 Ncleos magnticos y bobinados6 Aislador porcelana superior7Barras aislantes que soportan los

ncleos8Soporte metlico de la unidad

superior9Conexiones de baja tensin entre

las dos unidades10 Indicador nivel de aceite11 Envolvente de aluminio12 Aislador porcelana inferior13 Conexiones secundarias14 Grapas de fijacin del aislador

inferior a la base15 Caja de bornes secundarios16 Bornes secundarios17 Base metlicaFigura 4: Componentes de un transformador

potencial.

(1) El efecto corona es un fenmeno elctrico que se produce en los conductores de las lneas de alta tensin y se manifiesta en forma de halo luminoso a su alrededor.

El efecto corona es causado por la ionizacin del aire circundante al conductor debido a los altos niveles de tensin de la lnea. Al momento que las molculas que componen el aire se ionizan, stas son capaces de conducir la corriente elctrica.

Tal circulacin producir un incremento de temperatura en el gas, que se tornar de un color rojizo para niveles bajos de temperatura, o azulado para niveles altos.

La Figura 5 muestra el tipo bsico de conexin empleado en los transformadores potenciales.

Figura 5: Conexionado YY de transformadores potenciales.

(Fuente:Author

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Transformadores de tensin para medida

Son utilizados para alimentar equipos de medida. Una de sus caractersticas fundamentales es que deben ser exactos en las condiciones normales de servicio. El grado de exactitud de un transformador de medida se mide por su clase o precisin, la cual nos indica, en tanto por ciento, el mximo error que se comete en la medida.

Las clases de precisin normales para los TT monofsicos para medidas son: 0,1 0,2 0,5 1,0 3,0

Transformadores de tensin para proteccin

Son aquellos destinados a alimentar rels de proteccin. Si un transformador va a estar destinado para medida y proteccin, se construye normalmente con dos arrollamientos secundarios, uno para medida y otro para proteccin, compartiendo el mismo ncleo magntico, excepto que se desee una separacin galvnica.

Por esta razn, en la norma IEC, se exige que los transformadores de proteccin cumplan con la clase de precisin de los transformadores de medida.

Lmites de error de tensin y de ngulo de fase

El error de tensin y de desfasaje a la frecuencia nominal no debe superar los valores de la tabla siguiente de la IEC.

Clases de Precisin para Transformadores de Tensin

Clase de precisin

Lmites de tensin

Error de tensin %

Angulo de error en minutos

Angulo de error en centirradianes

0,1 0,8 1,2 Un 0,1 5 0,15

0,2 0,8 1,2 Un 0,2 10 0,30

0,3 0,8 1,2 Un 0,3 20 0,60

1,0 0,8 1,2 Un 1 40 1,20

3,0 1 Un 3 ---- ----

Tabla 2: Clases de precisin para transformadores de tensin.

Placa de Caractersticas

Los transformadores de tensin deben llevar una placa de caractersticas, indeleble, en la que deben figurar las siguientes indicaciones segn norma IEC 60186:

1.Nombre del constructor o cualquier otra marca que permita su fcil identificacin.2. Nmero de serie y designacin del tipo.3.Tensiones nominales primaria y secundaria en

voltios.4. Frecuencia nominal en Hz.5.Potencia de precisin y clase de precisin

correspondiente.6. Tensin ms elevada de la red.7. Nivel de aislamiento nominal.

TRANSFORMADORES COMBINADOS TRANSFORMADORES COMBINADOS DE CORRIENTE Y DE TENSIONDE CORRIENTE Y DE TENSION

Los transformadores combinados de medida son unidades para servicio exterior que contienen en su interior un transformador de intensidad y un transformador de tensin inductivo.

En la Figura 6 se puede apreciar el corte transversal de un transformador de medida combinado de la firma Alsthom

1. Diafragma.2. Cubierta.3. Nivel de aceite.4. Bornes primarios.5.Bobinado primario transformador

de corriente.6.Bobinado secundario transformador

de corriente.7. Aislacin de papel aceite.8. Aceite aislante.9. Aislador de porcelana.10.Bobinado secundario transformador

de tensin.11. Bobinado primario transformador de

tensin.12. Grapas de fijacin del aislador.13. Caja de terminales secundarios.14. Base metlica.

Figura 6: Componentes de un transformadorde corriente y potencial.

RELESRELESDE PROTECCIONDE PROTECCION

Para minimizar los efectos de las perturbaciones en los sistemas elctricos de potencia es necesario utilizar dispositivos de proteccin apropiados. Estos dispositivos son conocidos con el nombre genrico de rels de proteccin.

Un rel de proteccin es un dispositivo que al energizarse acta para indicar o aislar una condicin anormal de operacin.

PROPIEDADES DE LOS RELESPROPIEDADES DE LOS RELESDE PROTECCIONDE PROTECCION

Los rels de proteccin deben cumplir las condiciones siguientes:

Confiabilidad

Sensibilidad

Rapidez

Selectividad

Automaticidad

Confiabilidad

Los Rels de Proteccin siempre deben responder a la condicin de falla para lo cual fueron seleccionados.

Sensibilidad

La sensibilidad es la cualidad que le permite a un rel de proteccin activarse ante la presencia del mnimo valor de la perturbacin que pueda aparecer en el sistema.

Rapidez

Los rels de proteccin deben actuar en el menor tiempo posible para evitar la destruccin o daos permanentes de los equipos elctricos.

Selectividad

La selectividad de un esquema de proteccin consiste en la habilidad de dicho esquema de identificar una falla y sacar de operacin la menor cantidad posible de circuitos al eliminar la falla.

Automaticidad

Dada la complejidad de los sistemas elctricos de potencia, y la rapidez de propagacin de las perturbaciones en dichos sistemas, es necesario que la operacin de los rels de proteccin se realice de una manera automtica.

CLASIFICACION DE LOS CLASIFICACION DE LOS RELES DE PROTECCIONRELES DE PROTECCION

Los rels de proteccin se clasifican, en forma general, en funcin de lo siguiente:

1.Por las caractersticas constructivas:

a) Electromagnticos: Armadura Mvil y Ncleo de Succin

b) Induccin: Discoc) Electrodinmicos: Interaccin de Bobinasd) Electrnicose) Trmicos

Figura 7: Rel electromagntico de armadura mvil.

Un esquema de un rel electromagntico de armadura mvil es representado en la Figura 7:

(Fuente:Author

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Figura 8: Rel electromagntico de ncleo de succin.

Un esquema de un rel electromagntico de ncleo de succin es reseado en la Figura 8:

(Fuente:Author

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Figura 9: Rel de induccin de disco.

Un esquema de un rel de induccin de disco es mostrado en la Figura 9:

(Fuente:Author

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)

Figura 10: Rel electrodinmico o de interaccin de bobinas.

Un esquema de un rel electrodinmico o de interaccin de bobinas es representado en la Figura 10:

(Fuente:Author

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Figura 11: Rels electrnicos.

La Figura 11 muestra una fotografa de dos modelos de rels electrnicos:

(Fuente:Google

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Figura 12: Rel trmico.

Un rel trmico es mostrado en la fotografa de la Figura 12:

(Fuente:Google

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2. Por la magnitud elctrica que controlan o miden:

a) Intensidadb) Tensinc) Productod) Cocientee) Diferencialesf) Frecuencia

Rels de Intensidad

Como su nombre lo sugiere, actan por la accin de la intensidad de la corriente que atraviesa el rel; por esta razn se les conoce como rels de corriente.

Estos dispositivos pueden ser rels de mxima intensidad, cuando son accionados por una corriente mayor que la de operacin del equipo protegido.

Se definen, en cambio, como rels de mnima intensidad a aquellos que son accionados por una corriente menor que la de operacin del equipo protegido. Por lo general son rels electromagnticos o trmicos.

Rels de Tensin

Son conocidos tambin como rels voltimtricos y actan bajo el efecto de una tensin preestablecida. Se llaman rels de sobretensin o de mxima tensin si actan al sobrepasar un valor de tensin determinado.

Se denominan rels de subtensin o de mnima tensin si se activan cuando la tensin adquiere un valor menor que el preestablecido.

Rels de Producto

Como su nombre lo indica, actan por la accin del producto de dos magnitudes elctricas. Los ms conocidos son los rels de potencia, los cuales entran en funcionamiento por la accin del producto de la corriente que atraviesa el rel, por la tensin a que estn sometidos los bornes del mismo.

Rels de Cociente

Estos rels son accionados cuando el cociente de dos magnitudes elctricas llega a un cierto valor prefijado. Los ms empleados son los rels de mnima impedancia, que actan cuando la impedancia del sistema que protege, es decir el cociente entre su tensin y su corriente, disminuye por debajo de un valor preestablecido. Los rels de cociente son generalmente electrodinmicos o ferrodinmicos.

Rels Diferenciales

Los rels diferenciales son accionados cuando la diferencia de dos o ms magnitudes elctricas del mismo tipo sobrepasa un valor previamente establecido. Se caracterizan por su sensibilidad y selectividad. Se construyen del tipo electromagntico o del tipo de induccin.

Rels de Frecuencia

Estos rels son accionados por valores de frecuencia que se aparten del rango previamente establecido. Son construidos generalmente del tipo de induccin.

3. Por el tiempo de funcionamiento:

a) Accin Instantnea.b) Accin Diferida.

Rels de Accin Instantnea

Los rels de accin instantnea no poseen dispositivos de retardo, por lo que entran en funcionamiento en el mismo instante en que la magnitud elctrica controlada (corriente, tensin, impedancia, etc.) sobrepasa el valor de calibracin. Se les llama tambin rels instantneos.

El grafico muestra las caractersticas de funcionamiento de un rel instantneo de mxima intensidad. En el eje de abscisas se representan las intensidades de corriente y en el de ordenadas, los tiempos de funcionamiento o de desconexin del rel.

Figura 13: Curva caracterstica rel Instantneo de mxima intensidad.

Corriente de Ajuste

Tiempo de Activacin

(Fuente:Author

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Cuando el circuito protegido consume una corriente igual o menor que I0, el rel no es activado.

Pero si dicha corriente sobrepasa el valor I0 , el rel actuar en el tiempo t0 , que en los rels modernos es del valor de milsimas de segundo, es decir, prcticamente instantneo.

Independientemente del valor de la sobre intensidad, el tiempo de activacin ser t0 .

Rel de Accin Diferida o Temporizado

Se les denomina tambin rels temporizados (time delay relay). Poseen un dispositivo de temporizacin (de espera) de tal forma que el rel entra en funcionamiento despus de cierto tiempo de haber sido accionado por la variable elctrica controlada. El grfico de la figura muestra el comportamiento de un rel de accin diferida.

Figura 14: Curva caracterstica rel accin diferida.

Retardo Accin Comando

Corriente de AjusteTiempo de Activacin

TiempoTotal

Retardo

La curva caracterstica de un rel de accin diferida es mostrada en la Figura 14:

(Fuente:Author

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En la grafica I0 es la corriente nominal del rel, o corriente de energizacin del mismo; t0 es el tiempo propio de funcionamiento; y t1 es el retardo de la accin de comando.

El tiempo t0 + t1 es el tiempo total de la accin diferida o temporizada.

TIPOS BASICOS DETIPOS BASICOS DERELES DE PROTECCIONRELES DE PROTECCION

Existen numerosos rels y combinaciones de rels disponibles para la proteccin de los sistemas elctricos; pero realmente hay pocas diferencias fundamentales entre estos. Los rels bsicos utilizados en los sistemas de potencia son los siguientes:

Rels de Sobrecorriente

Rels Direccionales

Rels Diferenciales

Rels de Distancia

Rels Pilotos

Rels Estticos

Rel de Sobrecorriente

Es el ms simple de los rels de proteccin. Como su nombre lo indica, opera cuando fluye una corriente de un valor determinado, en una porcin particular del sistema de potencia.

Hay dos tipos bsicos de rels de sobrecorriente, el rel instantneo y el rel de tiempo retardado o temporizado.

El rel de sobrecorriente instantneo es diseado para operar sin retardo de tiempo, cuando la corriente de carga excede la corriente de ajuste del rel.

En general, el tiempo de operacin de este rel puede variar ampliamente, pudiendo ser tan bajo como 16 milisegundos, o tan alto como una dcima de segundo.

El rel de sobrecorriente temporizado posee una caracterstica operacional tal, que el tiempo de operacin vara inversamente con la intensidad de la corriente que fluye por el rel.

Esta propiedad esta indicada en la figura siguiente. El grafico muestra las tres curvas caractersticas de estos rels temporizados, inversa, muy inversa y extremadamente inversa.

Estas curvas difieren en el rgimen de reduccin del tiempo en funcin del incremento de la corriente.

Figura 15: Curvas caractersticas rels instantneos y temporizados.

Retardo Inverso

Retardo Muy Inverso

Retardo Extremadamente Inverso

La curva caracterstica de rels instantneos y temporizados:

(Fuente:Author

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Los rels de sobrecorriente son inherentemente no selectivos, dado que pueden detectar condiciones de sobrecorriente (fallas) no solamente en el equipo que protegen, sino tambin en equipos en su proximidad.

En algunos casos se suelen emplear rels direccionales, en combinacin con los rels de sobrecorriente para lograr selectividad.

Los rels de sobrecorriente han sido utilizados, de una forma u otra, en todos los componentes del sistema de potencia.

Cuando son usados en sistemas de alta tensin, se utilizan ms como proteccin de respaldo que como proteccin primaria.

(Fuente:Author

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Figura 16: Diagramas unifilar y trifsico rel instantneo sobrecorriente.

La Figura 16 muestra el diagrama unifilar de un motor elctrico protegido por rels de sobrecorriente:

(Fuente:Author

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La Figura 17 siguiente presenta el circuito de control para disparo del interruptor elctrico que alimenta el motor trifsico mostrado en los esquemas elctricos:

Figura 17: Circuito proteccin rel instantneo sobrecorriente.

Barra DC (+)

Barra DC (-)

Rels Direccionales o de Potencia Inversa

Un Rel Direccional o de Potencia Inversa responde a la posicin relativa entre una corriente y una tensin de referencia (u otra corriente).

Este puede actuar ante efectos tales como: flujo de corriente, flujo de potencia real, o flujo de potencia reactiva.

Si el rel es diseado para que acte ante condiciones de cortocircuito, este operar solo cuando la corriente de cortocircuito fluya en la direccin deseada.

Las Figuras 18 representan los diagramas unifilar, trifilar y de disparo para un sistema de proteccin con rels direccionales:

Figura 18: Diagramas unifilar y trifsico rels direccionales.

(Fuente:Author

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Si se produjera una falla en el punto F del diagrama unifilar, habra una inversin en el flujo de potencia a travs del rel direccional, provocada por el aporte que hace la carga a la falla.

Esto energizara el rel direccional 32, el cual actuara a su vez sobre la bobina de disparo del interruptor principal 52/TC.

Los rels direccionales generalmente no se utilizan solos, sino que se les combina con otros dispositivos de proteccin, entre los que se destacan, muy especialmente, los rels de sobrecorriente.

En este caso deben cumplirse dos condiciones para que la proteccin acte:

1.Que el flujo de la energa tenga un sentido determinado.

2.Que la corriente exceda un cierto lmite establecido.

Figura 19: Diagrama proteccin rels direccionales.

Las Figuras 19 representa el diagrama de proteccin de los rels direccionales o de potencia inversa:

(Fuente:Author

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Rels Diferenciales

Son dispositivos de proteccin que actan ante fallas tales como aterrizajes, cortocircuitos y aperturas de fases.

La proteccin diferencial consiste de dos transformadores de corriente y la bobina del rel diferencial propiamente dicho, para cada fase.

La Figura 20 muestran el diagrama elctrico de la proteccin diferencial aplicada a un equipo elctrico trifsico:

Figura 20: Diagrama elctrico rels diferenciales.

(Fuente:Author

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RelBuchholz

Indicadorde Nivel

Filtro deSlice Gel

En condiciones normales de operacin del equipo, se cumple que las corrientes secundarias de los transformadores de corriente, a la entrada y a la salida de cada devanado de armadura, son iguales en magnitud y desfasadas 180 grados elctricos, siendo por tanto su resultante nula.

Ir = Ir (Fase R)

Is = Is (Fase S)

It = It (Fase T)

En cambio, si ocurriera una falla interna en el elemento protegido, se induciran corrientes diferenciales diferentes en los transformadores de corriente, cuya resultante energizara la bobina de operacin del rel diferencial.

Este actuara sobre el interruptor de proteccin correspondiente, sacando de operacin al elemento protegido.

Por las mismas caractersticas operacionales, los rels diferenciales son los ms selectivos de los rels de proteccin existentes.

Por esta razn son ampliamente utilizados para proteccin de todos los componentes del sistema de potencia, con excepcin de las redes de transmisin y distribucin.

La nica limitacin para el uso de los rels diferenciales es la distancia entre los transformadores de corriente; que esta no debe ser mayor de 1000 pies, como regla general, para garantizar una operacin confiable.

La Figura 21 representa el diagrama elctrico de disparo del interruptor 52E ante una falla en una de las fases del equipo elctrico protegido:

Figura 21: Diagrama de disparo proteccin diferencial equipo elctrico.

(Fuente:Author

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Rels de Distancia

El mtodo ms comn de deteccin de falla en redes de transmisin es por medio de la medida de la impedancia. Esto se realiza con el uso de un rel que responde al cociente de voltaje y corriente, y por tanto a la impedancia o componente de impedancia.

Dado que la impedancia es una medida de la distancia a lo largo de la lnea de transmisin, a estos rels se les conoce ms comnmente como rels de distancia.

Los lmites de operacin de un rel de distancia se expresan, normalmente, en trminos de impedancia o componentes de impedancia, es decir, resistencia y reactancia.

En algunas ocasiones estas manifestaciones de la impedancia se expresan en forma de ecuaciones, o simplemente como figuras geomtricas.

Estas figuras se pueden graficar en un sistema coordenado, donde se representa la resistencia en el eje de abscisas y la reactancia en el eje de ordenadas.

Las tres caractersticas bsicas de los rels de impedancia son mostradas en los grficos de la Figura 22:

Figura 22: Grficos rels de resistencia, reactancia e impedancia.

Rel de Resistencia Rel de Reactancia

Rel de Impedancia(Fuente:Author

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Los rels de distancia son usados tanto para proteccin primaria, como para proteccin de respaldo, ante fallas trifsicas o de fase a fase, en un sistema elctrico de potencia dado.

Los rels de distancia poseen, normalmente, tres zonas de influencia, para diferentes tiempos y velocidades de operacin.

La primera zona, considerada de alta velocidad de operacin, cubre el 90% de la a longitud de la lnea. El tiempo de operacin de esta zona esta comprendido entre 1 y 3 ciclos (17- 50 milsimas de segundo).

La segunda zona cubre el rango 90% - 120% de la a longitud de la lnea. El tiempo de operacin de esta zona es de 12 a 30 ciclos (20-50 centsimas de segundo).

La tercera zona proteger toda la lnea, a partir del 120% del tramo considerado. El tiempo de operacin es de 60 a 180 ciclos (1 a 3 segundos).

Visor RelConexin Depsito

Expansin

Conexin DepsitoTransformador

Las caractersticas tiempo-distancia de los rels de distancia se muestran en la Figura 23 siguiente:

Figura 23: Caractersticas tiempo-distancia de los rels de distancia.

(Fuente:Author

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Esta zonificacin de los rels de distancia permite una mejor coordinacin en la proteccin de una red de transmisin. Esta situacin se muestra en la Figura 24, donde aparecen varios rels de distancia protegiendo una lnea de transmisin.

Figura 24: Coordinacin proteccin en rels de distancia.

(Fuente:Author

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Una correcta coordinacin de proteccin determinara que, ante una falla en el punto F indicado, los rels de distancia RD1, RD2 y RD3 actuaran en la secuencia siguiente:

1.Actuar el Rel RD3, en Zona 1, con un tiempo de respuesta T1 (17-50 milsimas de segundo), disparando el interruptor 52-3. De no ocurrir esto,

2.Actuar el Rel RD2, en Zona 2, con un tiempo de respuesta T2 (20-50 centsimas de segundo) > T1, disparando el interruptor 52-2. Y de no ocurrir esto,

3.Actuar el Rel RD1, en Zona 3, en un tiempo de respuesta T3 (1-3 segundos) > T2 > T1, disparando el interruptor 52-1.

Los rels de distancia son unidades trifsicas que reciben seales de tensin y corriente de la red a proteger. La Figura 25 representa las conexiones monofsicas y trifsicas de un rel de distancia.

Figura 25: Diagramas conexiones proteccin de distancia.

Las caractersticas tiempo-distancia de los rels de distancia se muestran en la Figura 25 siguiente:

(Fuente:Author

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La Figura 26 representa el diagrama elctrico de disparo del Interruptor 52-1, por efecto del Rel de Distancia 21:

Figura 26: Diagramas disparo proteccin de distancia.

(Fuente:Author

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Rel de Hilo Piloto

Los Rels de Hilo Piloto consisten en una adaptacin del principio de operacin de los rels diferenciales para proteccin de lneas.

La interconexin trifsica existente entre los transformadores de corriente, a ambos extremos de la lnea, hace poco prctico el uso de proteccin diferencial para redes de transmisin.

En los rels de hilo piloto, la corriente que transita por una red de transmisin dada es comparada directamente a travs de un Piloto.

Actualmente existen tres tipos bsicos de pilotos:

Hilo Piloto:Consiste de un circuito formado por dos hilos metlicos instalados a travs de los dos extremos de la lnea a proteger.

Corriente Portadora Piloto:Utiliza una de las lneas del sistema a proteger y la tierra para formar un circuito, al cual se le inyecta una corriente de alta frecuencia.

Microonda Piloto:Este sistema emplea un canal de radio UHF (Ultra High Frequency) entre los dos extremos de la red a proteger.

Hilo Piloto

Consiste de un circuito formado por dos hilos metlicos instalados a travs de los dos extremos de la lnea a proteger.

El Rel de Hilo Piloto es aplicable a redes cuyas longitudes no excedan las 20 millas (32 kilmetros).

Este tipo de rel es muy similar al rel diferencial porcentual, pero con la diferencia de que en el rel de hilo piloto la interconexin entre los transformadores de corriente, a ambos extremos de la lnea, es monofsica y no trifsica como ocurre en los rels diferenciales.

La Figura 27 siguiente muestra un ejemplo de proteccin por medio de Rel de Hilo Piloto:

Figura 27: Esquema proteccin rel hilo piloto.

(Fuente:Author

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La corriente trifsica de los transformadores de corriente es convertida en monofsica a travs del transformador de mezclado, y aplicada a la bobina de disparo del rel de hilo piloto.

Si la corriente de fase, al comienzo y al final del tramo, no varia en magnitud ni en ngulo de fase, se inducirn voltajes iguales en los extremos de los hilos pilotos.

De acuerdo con la conexin mostrada en la figura, cada voltaje se opondr al otro, y por tanto no fluir corriente a travs de las bobinas de disparo y de los hilos pilotos.

Cualquier falla de cortocircuito que se produzca en la lnea de transmisin provocar un desbalance de voltaje en los extremos de los hilos pilotos, que har operar los rels a ambos extremos de dicha red.

La resistencia variable se utiliza para ajustar el porcentaje de restriccin de acuerdo con la longitud de la lnea de transmisin.

Los diagramas elctricos de la Figura 28 siguiente muestran como acta la proteccin por hilo piloto sobre los interruptores de proteccin de la lnea a proteger.

Figura 28: Diagramas proteccin hilo piloto.

La Figura 28 siguiente muestra el diagrama de proteccin del Rel de Hilo Piloto:

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Rels Estticos

En los ltimos aos se ha logrado un notable avance en el desarrollo de los rels estticos, utilizando diodos, transistores y otros dispositivos de estado slido, tales como circuitos lgicos de computadoras.

Actualmente estn disponibles para proteccin convencional de lneas de transmisin, empleando principios de proteccin por sobrecorriente, direccional y diferencial.

En principio los rels de proteccin estticos son convertidores analgicos-digitales con funciones de medida.

Las seales elctricas de medida, tales como corriente, voltaje, frecuencia, etc., y los valores que resultan por diferenciacin, integracin u otra operacin matemtica, aparecen siempre a travs del rgano de medida como seales analgicas.

A la salida de este rgano aparece siempre una seal binaria que puede ser 0 o 1. Esta seal de salida es aplicada al rgano accionado para ejecutar la accin correspondiente y lograr la proteccin deseada.

La Figura 29 representa un esquema del principio de funcionamiento de los rels estticos. Como se deduce de la figura, cada rel de proteccin est constituido por rganos individuales.

Figura 29: Principio de operacin de los rels estticos.

Un esquema del principio de operacin del Rel Esttico es representado en la Figura 29:

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Las seales analgicas, es decir, progresivamente variables que proceden de los circuitos de medida (transformadores de corriente o transformadores potenciales) entran en el rgano de conversin que las convierte de tal manera que pueden ser fcilmente transformadas en el rgano de medida que sigue.

Este rgano de medida, que es el elemento ms importante para el funcionamiento del rel, conmuta su seal de entrada (anloga) a partir de cierto valor y suministra en su salida una seal binaria (digital) que puede ser 0 1.

En el rgano de salida esta seal binaria, an de poca potencia, es amplificada y transmitida a uno o ms rganos accionados. Estos ltimos ejecutan la accin deseada de proteccin y control.

Existe tambin un rgano de alimentacin que proporciona la potencia necesaria a los rganos de medida y de salida.

PROTECCION DELPROTECCION DELGENERADOR ELECTRICOGENERADOR ELECTRICO

La proteccin primaria del Generador de una Central Elctrica se realiza por medio de un relevador o rel conocido como Rel de Bloqueo del Generador (Lock Out Relay).

Este rel acta para abrir o disparar el Interruptor del Generador, con la finalidad de desconectarlo del sistema elctrico, ante una falla o perturbacin crtica en el Generador mismo o en dicho sistema. Su notacin es 86G.

El Rel de Bloqueo del Generador (86G) es actuado, a su vez, por los siguientes rels de proteccin:

1.Rels Diferenciales del Generador (87G).2.Rel Detector de Tierra del Generador (64G).3.Rel de Prdida de Excitacin (58F).4.Rels de Distancia del Generador (21G).5.Rels de Sobrecorriente del Generador, Instantneos o Temporizados (50G 51G).6.Rels Diferenciales del Transformador Principal (87T).7.Rels Diferenciales del Transformador Auxiliar (87TA).8.Rel Detector de Gases del Transformador Principal (63T).9.Rel Detector de Gases del Transformador Auxiliar (63TA).

PROTECCION DIFERENCIALPROTECCION DIFERENCIALDEL GENERADORDEL GENERADOR

La proteccin diferencial del generador tienen por finalidad detectar aterrizajes, cortocircuitos o aperturas de los devanados de armadura del mismo. Se instala un rel diferencial por cada fase de la armadura del Generador.

Los rels diferenciales se designan, en general, por los dgitos 87. Cuando se trata de Rels Diferenciales del Generador, se identifican como 87G.

La Figura 30 muestra la disposicin de los Rels Diferenciales del Generador Trifsico de una Central Elctrica.

Figura 30: Proteccin diferencial del generador.

La proteccin diferencial del generador es representada en la Figura 30:

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Como se observa en la figura, la Proteccin Diferencial del Generador consiste de transformadores de corriente (dos por cada fase) y las bobinas de los rels diferenciales propiamente dichos.

Para reducir el porcentaje de error en la manufactura de los transformadores de corriente, se suelen utilizar atenuadores (resistencias) en cada una de las fases de dichos transformadores de corriente.

Estas resistencias se instalan en serie con cada transformador de corriente. Por esta razn a los rels diferenciales se les suele llamar Rels Diferenciales Porcentuales.

Los transformadores de corriente detectan una seal de corriente a la entrada y salida de cada devanado de fase.

En condiciones normales de operacin, los secundarios de dichos transformadores de corriente de una misma fase registran una misma corriente.

Cualquier falla en las fases del Generador se manifestar por medio de una diferencia en las corrientes secundarias de los transformadores de corriente de una misma fase.

Esta diferencia de corriente produce una corriente resultante que energiza la bobina del rel 87G, correspondiente a la fase afectada.

Al energizarse dicha bobina, se cierra un contacto auxiliar de la misma, que a su vez energiza el Rel de Bloqueo del Generador, 86G. Un contacto auxiliar de dicho rel de bloqueo energiza la bobina de disparo del Interruptor del Generador (52G), sacando dicho Generador de operacin.

Figura 31: Diagrama proteccin rels diferenciales generador.

La Figura 31 muestra los circuitos de control para disparo del Interruptor de Armadura del Generador, por accionamiento de los Rels Diferenciales del Generador:

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RELE DETECTOR DE TIERRARELE DETECTOR DE TIERRADEL GENERADORDEL GENERADOR

El Rel Detector de Tierra del Generador se designa por la nomenclatura 64G. Como su nombre lo indica, la finalidad de este dispositivo es proteger la mquina contra la sobrecarga que se produce cuando se aterriza, de una manera constante y sostenida, cualquiera de las fases de la misma o del sistema al cual est conectada.

El diagrama elctrico de la Figura 32 muestra la disposicin del Rel Detector de Tierra del Generador, 64G.

Figura 32: Esquema conexin rel detector tierra generador.

La Figura 32 representa la proteccin por deteccin de tierra del generador:

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En caso de falla de lnea a tierra, se produce un desbalance de fases, desbalance ste que provoca la circulacin de corriente por el neutro del Generador.

Esta corriente produce una corriente secundaria en el transformador de puesta a tierra del Generador, la cual energiza el Rel Detector de Tierra del Generador, el cual a su vez energiza el rel de Bloqueo del Generador 86G, provocando la apertura del Interruptor del Generador.

Dado que los sistemas de potencia no son balanceados 100%, se utiliza el circuito resonante L-C que permite la energizacin del Rel 64G solo ante la presencia de una perturbacin de una frecuencia determinada, que se corresponde con la frecuencia de cortocircuito del Generador.

Con esto se evita que por causa del desbalance normal del sistema, se energice constantemente el Rel 64G.

Figura 33: Circuito proteccin rel detector tierra Generador.

La Figura 33 muestra el circuito de proteccin para disparo del Rel de Bloqueo del Generador 86G, y el consecuente disparo del Interruptor del Generador 52G:

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PROTECCION ELECTRICA DELPROTECCION ELECTRICA DELTRANSFORMADOR PRINCIPALTRANSFORMADOR PRINCIPAL

Deteccin de Fallas Internas

Las fallas internas en el Transformador Principal pueden ser detectadas por medio de Rels de Fallos, conocidos tambin como Rels de Presin o de Deteccin de Gases o Rels Buchholz.

Las fallas internas elctricas, tales como cortocircuitos entre las fases de los devanados de armadura, o aterrizaje de stos se detectan a travs de los Rels Diferenciales del Transformador Principal.

Ambos rels proveen una seal, la cual puede ser usada para alarma o disparo del Interruptor del Generador, para sacar de servicio al Transformador Principal.

Rel de Bloqueo, 86T

Debido a la multiplicidad de disparos que inciden sobre el Transformador Principal, ste est dotado de un rel conocido como Rel de Bloqueo del Transformador Principal, 86T, el cual recibe seales de disparo de diferentes orgenes y comanda la accin de actuar sobre el Rel de Bloqueo del generador, 86G, para sacar de servicio la mquina.

PROTECCION PROTECCION DIFERENCIAL DIFERENCIAL

Los Rels Diferenciales del Transformador Principal, 87T, al igual que los del Generador, detectan fallas elctricas internas, tales como cortocircuitos, aterrizajes y fases abiertas, en los devanados primarios y secundarios de dicho transformador.

La Figura 34 representa el esquema elctrico de conexin de los Rels Diferenciales del Transformador Principal.

Figura 34: Proteccin diferencial del Transformador Principal.

La Figura 34 representa el esquema elctrico de conexin de los Rels Diferenciales del Transformador Principal:

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Figura 35: Circuito disparo rels diferenciales transformador principal.

El circuito de control de la Figura 35 muestra la secuencia de disparo del Interruptor del Generador por accin de los Rels Diferenciales de l Transformador Principal:

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Como se pudo observar en la Figura 34, para la conexin Delta de los devanados del Transformador Principal, los transformadores de corriente se conectan en configuracin Estrella.

En cambio, para la conexin Estrella de dichos devanados, los transformadores de corriente se deben conectar en configuracin Delta.

La conexin de los transformadores de corriente en estas configuraciones procura crear los ngulos de fases requeridos en los secundarios de dichos transformadores de corriente, para compensar el desfase natural de 30 grados elctricos entre las conexiones estrella y la delta.

Secundarios CTs Fase R:

IR 30

IR 210

PROTECCION DIFERENCIALPROTECCION DIFERENCIALDE BARRASDE BARRAS

La Proteccin Diferencial de Barras de una subestacin elctrica consiste de transformadores de corriente a la entrada y salida de todos los campos de dicha subestacin elctrica.

De acuerdo con la Ley de Kirchhoff de las corrientes, la sumatoria de las corrientes que entran a un nodo es igual a cero. En ese principio es que se basa la proteccin diferencial de barras.

Esta proteccin tiene la peculiaridad de que al activarse la bobina del rel diferencial 87B, este acta para disparar todos los interruptores conectados a la referida barra.

Las Figuras 36 y 37 muestran el diagrama elctrico y el diagrama de disparo de la proteccin diferencial de barras para una subestacin con sistema de juego de barras principal y de transferencia.

Figura 36: Diagrama unifilar proteccin diferencial de barras.

El diagrama unifilar de la Figura 36 representa la proteccin diferencial de barras de un sistema de barra principal y barra de transferencia:

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Figura 37: Diagrama de disparo proteccin diferencial de barras.

El diagrama de disparo de la proteccin diferencial de barras es representado en la Figura 37:

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Referencias Bibliogrficas:

[1] Elementos de Centrales Elctricas. Tomos I y IIAutor: Gilberto Enrquez HarperEditora: Limusa, Mxico

[2] Anlisis Termodinmico de PlantasAutor: R. HaywoodEditora: Limusa, Mxico.

[3] Centrales de VaporAutor: G. A. GafferEditora: Reverte

[4] Plantas de Vapor. Arranque, Pruebas y OperacinAutor: Charles Donald SwiftEditora: CEOSA

[5] Centrales HidroelctricasAutor: ZopettiEditora:

[6] Centrales ElctricasEditora: Enciclopedia CEA de Electricidad

[7] Anlisis de Sistemas Elctricos de PotenciaAutores: J. Grainger, A. StevensonEditora: Mc Graw Hill.

[8] Anlisis de Sistemas Elctricos de Potencia.Autor: Enrique HarperEditora: Limusa.

[9] Anlisis y Diseo de Sistemas Elctricos de Potencia.Autor: J. Duncan Glover, M.S. SarmaEditora: Thomson.

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