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FUNDAMENTOS DE LA PROTECCIÓ N DEL SISTEMA DE ENERGÍA AHMED FOUAD ATTA UNIVERSIDAD DE HELWAN / FACULTAD DE INGENIERÍA (DEPARTAMENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA)

1. INTRODUCCIÓ N La protecció n es la rama de la ingeniería de la energía eléctrica que se ocupa de los principios de diseñ o y funcionamiento de los equipos (llamados "relés" o "relés de protecció n") que detectan las condiciones anormales del sistema de energía, e inician las medidas correctivas lo má s rá pidamente posible para devolver el sistema de energía a su estado normal. La rapidez de respuesta es un elemento esencial de los sistemas de relés de protecció n; a menudo se requieren tiempos de respuesta del orden de unos pocos milisegundos. Por consiguiente, no es posible la intervenció n humana en el funcionamiento del sistema de protecció n. La respuesta debe ser automá tica, rá pida y debe causar una cantidad mínima de interrupció n en el sistema de energía. Todo el tema se rige por estos requisitos generales: diagnó stico correcto del problema, rapidez de respuesta y mínima perturbació n del sistema de energía. Para lograr estos objetivos, debemos examinar todos los posibles tipos de fallos o condiciones anormales que puedan ocurrir en el sistema de energía. Debemos examinar má s a fondo la posibilidad de que el propio equipo de relé de protecció n no funcione correctamente, y proporcionar una funció n de protecció n de reserva. Debe quedar claro que se necesita un equipo extenso y sofisticado para realizar estas tareas.

2. LA NATURALEZA DE LA RETRANSMISIÓ N Ahora discutiremos ciertos atributos de los relés que son inherentes al proceso de retransmisió n. En general, los relés no evitan dañ os en el equipo: funcionan después de que se haya producido algú n dañ o detectable. Su propó sito es limitar, en la medida de lo posible, los dañ os adicionales al equipo, minimizar el peligro para las personas, reducir la tensió n en otros equipos y, sobre todo, retirar el equipo averiado del sistema de energía lo má s rá pidamente posible para que se mantenga la integridad y estabilidad del sistema restante. 1

2.1.

CONFIABILIDAD, FIABILIDAD Y SEGURIDAD

Fundamentos de la protecció n del sistema de energía

Los relés, a diferencia de la mayoría de los demá s equipos, tienen dos formas alternativas en las que pueden ser poco fiables: pueden no funcionar cuando se espera que lo hagan o pueden funcionar cuando no se espera que lo hagan. Esto lleva a un doble aspecto definition de la fiabilidad de los sistemas de retransmisió n: un sistema de retransmisió n fiable debe ser fiable y seguro.

2

Fiabilidad: la medida de la certeza de que los relés funcionará n correctamente para todos los fallos para los que está n diseñ ados. Seguridad: la medida de la certeza de que los relés no funcionará n incorrectamente por cualquier fallo.

Ejemplo: Considere la falla F en la línea de transmisió n que se muestra en la Figura 1.8. En el funcionamiento normal, esta falla debe ser despejada por los dos relés R1 y R2 a través de los interruptores B1 y B2. Si R2 no funciona para esta falla, se ha vuelto poco fiable por una pérdida de fiabilidad. Si el relé R5 opera a través del interruptor B5 para el mismo fallo, y antes de que el interruptor B2 lo despeje, se ha vuelto poco fiable por una pérdida de seguridad.

2.2. SELECTIVIDAD DE LOS RELÉ S Y ZONAS DE PROTECCIÓ N Los relés suelen tener entradas de varios transformadores de corriente (TC), y la zona de protecció n está delimitada por estos TC. Los CTs proporcionan una ventana a través de la cual los relés asociados "ven" el sistema de energía dentro de la zona de protecció n. Mientras que los TC proporcionan la capacidad de detectar un fallo dentro de la zona de protecció n, los disyuntores (CB) proporcionan la capacidad de aislar el fallo desconectando todos los equipos de energía dentro de la zona. Los relés se considerará n seguros si responden só lo a los fallos dentro de su zona de protecció n. Por lo tanto, el límite de una zona suele ser defined por un CT y un CB. Cuando el CT es parte del CB, se convierte en un límite de zona natural. Para cubrir todos los equipos de potencia mediante sistemas de protecció n, las zonas de protecció n deben cumplir los siguientes requisitos:

• Todos los elementos del sistema de energía deben estar comprendidos en al menos una zona. Una buena prá ctica de retransmisió n es asegurarse de que los elementos má s importantes estén incluidos en al menos dos zonas. • Las zonas de protecció n deben superponerse para evitar que cualquier elemento del sistema quede desprotegido. Sin tal superposició n, el límite entre dos zonas no superpuestas puede quedar desprotegido. La regió n de superposició n debe ser finite pero pequeñ a, de modo que la probabilidad de que ocurra una falla dentro de la regió n de superposició n sea mínima. Tales fallas hará n que la protecció n perteneciente a ambas zonas opere, sacando así de servicio un segmento mayor del sistema de energía. Una zona de protecció n puede estar cerrada o abierta. Cuando la zona está cerrada, todos los aparatos de energía que entran en la zona son monitoreados en los puntos de entrada de la zona. Tal zona de protecció n también se conoce como "diferencial", "unidad" o "absolutamente selectiva". Por el contrario, si la zona de protecció n no es inequívocamente defined por los TC, es decir, el límite de la zona varía con la corriente de falla, se dice que la zona es "no unitaria", "no restringida" o "relativamente selectiva".

Ejemplo: Esta falla se encuentra en una zona cerrada, y causará que los interruptores B1 y B2 se disparen. La falla en F2, al estar dentro del solapamiento entre las zonas de protecció n de la línea de transmisió n y el bus, causará que los interruptores B1,B2,B3 y B4 se disparen, aunque la apertura de B3 y B4 es innecesaria. Ambas zonas de protecció n son zonas cerradas.

Ahora considera la falla en el F3. Esta falla se encuentra en dos zonas abiertas. La falla debería hacer que el interruptor de circuito B6 se dispare. B5 es el interruptor de

respaldo de esta falla, y se disparará si por alguna razó n B6 no logra despejar la falla.

2.3. VELOCIDAD DE RELEVO Por supuesto, es deseable eliminar un fallo del sistema de energía lo má s rá pido posible. Sin embargo, el relé debe tomar su decisió n basá ndose en formas de onda de voltaje y corriente que está n severamente distorsionadas debido a fenó menos transitorios que deben seguir a la ocurrencia de una falla. Aunque el tiempo de funcionamiento de los relés a menudo varía entre límites amplios, los relés son generalmente classified por su velocidad de funcionamiento como sigue: 1. Instantá neo. Estos relés funcionan tan pronto como se toma una decisió n segura. No se introduce ningú n retraso temporal intencionado para ralentizar la respuesta del relé. 2. Retraso de tiempo. Se inserta un retardo temporal intencional entre el tiempo de decisió n del relé y el inicio de la acció n de disparo. 3. A alta velocidad. Un relé que opera en menos de un tiempo specified. El tiempo specified en la prá ctica actual es de 50 milisegundos (3 ciclos en un sistema de 60 Hz). 4. Velocidad ultra alta. Este término no está incluido en las normas de los relés, pero se considera comú nmente que funciona en 4 milisegundos o menos.

2.4. PROTECCIÓ N PRIMARIA Y DE RESERVA Un sistema de protecció n puede fallar en su funcionamiento y, como resultado, no puede despejar un fallo. Por lo tanto, es esencial que se tomen medidas para eliminar el fallo mediante algú n sistema o sistemas de protecció n alternativos. Estos sistemas de protecció n alternativos se denominan sistemas de protecció n duplicados, de reserva o de fallo de interruptor. En los sistemas de EHV es comú n utilizar sistemas de protecció n primaria duplicados en caso de que un elemento de una cadena de protecció n primaria pueda dejar de funcionar. Por lo tanto, esta duplicació n tiene por objeto cubrir el fallo de los propios relés. En los sistemas de bajo voltaje, incluso los propios relés no pueden ser duplicados. En

tales situaciones, só lo se utilizan relés de reserva. Los relés de reserva son generalmente má s lentos que los primarios y eliminan má s elementos del sistema de los que pueden ser necesarios para despejar un fallo.

Los relés de fallo de los interruptores son un subconjunto de los relés de reserva locales que se proporcionan specifically para cubrir un fallo del interruptor. Esto se puede lograr de varias maneras. El sistema de relés de fallo del interruptor má s comú n y simple consiste en un temporizador separado que se activa cuando se activa la bobina de disparo del interruptor y se desactiva cuando desaparece la corriente de fallo a través del interruptor.

Ejemplo: Considere la falla en el lugar F de la figura. Está dentro de la zona de protecció n de la línea de transmisió n AB. Los relés primarios R1 y R5 despejará n esta falla actuando a través de los interruptores B1 y B5. En la estació n B, se puede instalar un relé primario duplicado R2 para disparar el interruptor B1 y así cubrir la posibilidad de que el relé R1 no se dispare. R2 funcionará al mismo tiempo que R1 y puede utilizar los mismos o diferentes elementos de la cadena de protecció n. Por ejemplo, en las líneas de EHV es usual proveer CTs separados, pero usar el mismo dispositivo de potencial con bobinas separadas. Los disyuntores no está n duplicados pero la batería sí. En los circuitos de baja tensió n no es raro que se compartan todos los transductores y los circuitos de CC. El relé de reserva local R3 está diseñ ado para operar a una velocidad má s lenta que R1 y R2; probablemente está configurado para ver má s del sistema. first intentará activar el interruptor B1 y luego su relé de fallo de interruptor activará los interruptores B5, B6, B7 y B8. Este es un relé de respaldo local, a menudo conocido como protecció n contra fallas de interruptores, para el interruptor B1. Los relés R9, R10 y R4 constituyen la protecció n de respaldo remoto para la protecció n primaria R1. Estos sistemas de protecció n no comparten ningú n elemento del sistema de protecció n asociado a R1, y por lo tanto no es posible que existan modos de falla comunes entre R1 y R4, R9 y R10. Estas protecciones remotas de respaldo será n má s lentas que las de R1, R2 o R3; y también eliminan del servicio elementos adicionales del sistema de energía, a saber, las líneas BC, BD y BE, lo que también desenergizaría cualquier carga conectada a estas líneas. Un conjunto similar de relés de reserva se utiliza para el sistema detrá s de la estació n A.

2.5. DISPARO Y CIERRE DE UNA Y TRES FASES Dado que una gran proporció n de los fallos en un sistema de energía son de naturaleza temporal, el sistema de energía puede volver a su estado anterior al fallo si se vuelven a cerrar los disyuntores disparados lo antes posible. El reenganche manual es demasiado lento para el propó sito de restaurar el sistema de energía a su estado previo a la falla cuando el sistema está en peligro de volverse inestable. El reenganche automá tico de los interruptores se inicia mediante relés dedicados para cada dispositivo de conmutació n, o puede ser controlado desde una subestació n o una computadora central de reenganche.

 Algunos de los enclavamientos comunes para el recerrado son los siguientes: 1. Comprobació n de voltaje. Se utiliza cuando la buena prá ctica operativa exige que una cierta pieza del equipo sea energizada desde un lado de specific. Por ejemplo, puede ser deseable energizar siempre un transformador desde su lado de alto voltaje. Por lo tanto, si es probable que una operació n de reconexió n energice ese transformador, sería bueno verificar que el disyuntor del lado de bajo voltaje esté cerrado só lo si el transformador ya está energizado. 2. Comprobació n de sincronizació n. Esta comprobació n se puede utilizar cuando es probable que la operació n de cierre energice una pieza del equipo desde ambos lados. En tal caso, puede ser conveniente comprobar que las dos fuentes que estarían conectadas por el interruptor de recierre está n en sincronismo y aproximadamente en fase con cada una de ellas. Si los dos sistemas ya está n en sincronismo, sería sufficient para comprobar que la diferencia de á ngulo de fase entre las dos fuentes está dentro de ciertos límites specified. Si es probable que los dos sistemas no estén sincronizados, y el cierre del disyuntor va a sincronizar los dos sistemas, es necesario monitorear los fasores de los voltajes en los dos lados del disyuntor de recierre y cerrar el disyuntor a medida que los fasores se acercan entre sí. 3. Comprobació n del equipo. Esta comprobació n es para asegurar que alguna pieza del equipo no se energice inadvertidamente. El cierre automá tico puede ser de alta velocidad, o puede ser retrasado. El término alta velocidad generalmente implica el cierre en tiempos menores a un segundo. Muchas empresas de servicios pú blicos pueden iniciar el reconexió n de alta velocidad para

algunos tipos de fallas (como las fallas en tierra), y no para otros.

3. Elementos de un sistema de protecció n

3.1. BATERÍA Y SUMINISTRO DE CC Dado que la funció n principal de un sistema de protecció n es eliminar un fallo, la capacidad de disparar un interruptor de circuito a través de un relé no debe verse comprometida durante un fallo, cuando el voltaje de CA disponible en la subestació n puede no ser de suficiente magnitud. Por ejemplo, una falla trifá sica de cierre puede resultar en cero voltaje de CA en las salidas de CA de la subestació n. Por lo tanto, la energía de disparo, así como la energía requerida por los relés, no puede ser obtenida del sistema de CA, y es generalmente proporcionada por la batería de la estació n. La batería también está clasificada para mantener una adecuada alimentació n de CC durante 8-12 horas después de un apagó n de la estació n. La batería está conectada permanentemente a través de un cargador al servicio de CA de la estació n, y normalmente, en condiciones de estado estacionario, está floats en el cargador.

3.2. INTERRUPTOR DE CIRCUITO... Tomaría demasiado espacio describir varios diseñ os de interruptores y sus principios de operació n aquí. En cambio, describiremos algunas características destacadas de los interruptores, que son particularmente significant desde el punto de vista de la retransmisió n. El conocimiento del funcionamiento y el rendimiento de los interruptores es esencial

para comprender los relés de protecció n. Es la acció n coordinada de ambos lo que resulta en la eliminació n exitosa de las fallas.

En la actualidad, un disyuntor EHV puede interrumpir corrientes de falla del orden de 105 A en voltajes de sistema de hasta 800 kV. Puede hacerlo tan rá pidamente como la corriente cero first después del inicio de una falla, aunque má s a menudo interrumpe en la segunda o tercera corriente cero. A medida que los contactos del interruptor se mueven para interrumpir la corriente de falla, hay una carrera entre el establecimiento de la fuerza dieléctrica del medio de interrupció n y la velocidad a la que el voltaje de recuperació n reaparece a través de los contactos del interruptor. Si el voltaje de recuperació n gana la carrera, el arco se reinicia, y el interruptor debe esperar la siguiente corriente cero cuando los contactos está n má s alejados. Se pueden encontrar interruptores de varios diseñ os en un sistema de energía, y su nombre se debe al medio utilizado para interrumpir la corriente de falla. Ademá s, mejores materiales aislantes, mejores sistemas de apagado de arco y requisitos de operació n má s rá pidos dieron como resultado una variedad de características de los interruptores: medio de interrupció n de aceite, gas, aire o vacío; medio aislante de aceite, aire, gas o dieléctrico só lido; Mecanismos de funcionamiento mediante bobina de impulso, solenoide, resorte-motorneumá tico o hidrá ulico.

La zona se superpone con diferentes tipos de TC e interruptores de circuito

3.3. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RELÉ S El problema fundamental en la protecció n de los sistemas de energía es define las cantidades que pueden diferenciar entre condiciones normales y anormales. Este problema de ser capaz de distinguir entre condiciones normales y anormales se agrava por el hecho de que "normal" en el sentido actual significa que la perturbació n está fuera de la zona de protecció n. Este aspecto - que es de los má s importantes significance en el diseñ o de un sistema de retransmisió n seguro - domina el diseñ o de todos los sistemas de protecció n.

3.3.1. Detecció n de fallas I. Detecció n de nivel Este es el má s simple de todos los principios de funcionamiento de los relés. Como se ha indicado anteriormente, las magnitudes de la corriente de falla son casi siempre mayores que las corrientes de carga normales que existen en un sistema de energía. La corriente de carga completa del motor es de 245 A. Permitiendo una capacidad de sobrecarga de emergencia del 25%, una corriente de 1,25 × 245 = 306 A o inferior debería corresponder al funcionamiento normal. El nivel por encima del cual opera el relé se conoce como el ajuste de captació n del relé. Para todas las corrientes por encima del nivel de captació n, el relé funciona, y para las corrientes inferiores al valor de captació n, el relé no toma ninguna medida. Por supuesto, es posible disponer el relé para que funcione para valores má s pequeñ os.

of motor

Características del relé detector

del nivel de protecció n de sobrecorriente Tenga en cuenta of motor un relé de baja tensió n es un ejemplo de este tipo de relé.

que:

II. Comparació n de magnitudes Este principio de funcionamiento se basa en la comparació n de una o má s cantidades de funcionamiento entre sí. El relé funcionará cuando la divisió n de la corriente en los dos circuitos varíe en una tolerancia determinada. La figura muestra dos líneas paralelas idénticas que está n conectadas al mismo bus en cada extremo. Se podría utilizar un relé de comparació n de magnitudes que compare las magnitudes de las dos corrientes de línea IA y IB. Si |IA| es mayor que |IB|+ ∈ (donde ∈ es una tolerancia adecuada), y la línea B no está abierta, el relé declararía una falla en la línea A y la dispararía.

III. Comparació n diferencial El concepto de comparació n diferencial es bastante simple, y puede entenderse mejor refiriéndose al devanado del generador que se muestra en la figura. Como el devanado es eléctricamente continuo, la corriente que entra por un extremo, I1, debe ser igual a la corriente que sale por el otro extremo, I2. Se podría utilizar un relé de comparació n de magnitudes descrito anteriormente para comprobar si hay un fallo en el devanado protegido. Cuando se produce un fallo entre los dos extremos, las dos corrientes ya no son iguales. Alternativamente, se podría formar una suma algebraica de las dos corrientes que entran en el devanado protegido, es decir (I1 - I2), y utilizar un relé detector de nivel para detectar la presencia de un fallo.

IV. Comparació n del á ngulo de fase Este tipo de relé compara el á ngulo de fase relativo entre dos cantidades de CA. La comparació n del á ngulo de fase se utiliza comú nmente para determinar la direcció n de una corriente con respecto a una cantidad de referencia. Por ejemplo, la potencia normal flow en una direcció n dada dará como resultado que el á ngulo de fase entre la tensió n y la corriente varíe alrededor de su á ngulo de factor de potencia, digamos aproximadamente ±30◦.Cuando la potencia flows en la direcció n opuesta, este á ngulo se convertirá (180◦ ± 30◦). Estas relaciones se explican para dos líneas de transmisió n en la Figura. Esta diferencia en las relaciones de fase creadas por una falla se explota haciendo relés que responden a las diferencias de á ngulo de fase entre dos cantidades de entrada, como la tensió n de la falla y la corriente de la falla en el presente ejemplo.

V. Medició n de la distancia En lugar de comparar la corriente de la línea local con la corriente de la línea del extremo lejano, el relé compara la corriente local con el voltaje local. Esto, en efecto, es una medida de la impedancia de la línea vista desde el terminal del relé. Un relé de impedancia se basa en el hecho de que la longitud de la línea (es decir, su distancia) para un determinado diá metro y espaciado del conductor determina su impedancia.

VI. Retransmisió n del piloto Ciertos principios de retransmisió n se basan en la informació n obtenida por la retransmisió n desde una ubicació n remota. La informació n suele ser - aunque no siempre - en forma de estado de contacto (abierto o cerrado). La informació n se envía a través de un canal de comunicació n utilizando una línea portadora de energía, microondas o circuitos telefó nicos.

VII. Contenido armó nico Las corrientes y los voltajes de un sistema de energía suelen tener una forma de onda sinusoidal de la frecuencia fundamental del sistema de energía. Sin embargo, hay desviaciones de una sinusoide pura, como los voltajes y corrientes del tercer armó nico producidos por los generadores que está n presentes durante el funcionamiento normal del sistema. Otros armó nicos se producen durante condiciones anormales del sistema, como los armó nicos impares asociados a la saturació n de los transformadores, o los componentes transitorios causados por la energizació n de los transformadores. Estos anormales Las condiciones pueden detectarse mediante la detecció n del contenido armó nico a través de filters en relés electromecá nicos o de estado só lido, o mediante el cá lculo en relés digitales. Una vez que se determina que existe una condició n anormal, se puede decidir si se requiere alguna acció n de control.

VIII. Detecció n de frecuencias El funcionamiento normal del sistema de energía es a 50 o 60 Hz, dependiendo del país. Cualquier desviació n de estos valores indica que existe un problema o que es inminente. La frecuencia puede medirse mediante los circuitos de filter, contando los cruces de cero de las formas de onda en una unidad de tiempo o mediante técnicas especiales de muestreo y de computació n digital. Los relés de detecció n de frecuencia pueden utilizarse para tomar medidas correctivas que hagan que la frecuencia del sistema vuelva a la normalidad.

3.3.2. Diseñ os de relés La siguiente discusió n cubre una muestra muy pequeñ a de los diseñ os posibles y só lo pretende indicar có mo los pará metros requeridos para la detecció n de fallos y la protecció n pueden ser utilizados por un relé. Los detalles de Specific pueden obtenerse de la literatura de los fabricantes. Los relés son dispositivos que requieren entradas de bajo nivel (voltajes, corrientes o contactos). Derivan sus entradas de transductores, como transformadores de corriente o voltaje, y contactos de conmutació n. Son só lo dispositivos de detecció n de fallas y requieren un dispositivo de interrupció n asociado - un interruptor de circuito - para despejar la falla.

3.3.2.1. Fusibles El fusible es un detector de nivel, y es tanto el sensor como el dispositivo de interrupció n. Se instala en serie con el equipo que se está protegiendo y funciona fundiendo un elemento fusible en respuesta a la corriente flow. El tiempo de fusió n es inversamente proporcional a la magnitud de la corriente flowing en el fusible.  Las dos principales desventajas de los fusibles son las siguientes: 1. La característica de disparo ú nico mencionada anteriormente requiere que se sustituya un fusible fundido antes de que se pueda restablecer el servicio. 2. En un circuito trifá sico, una falla monofá sica a tierra hará que se funda un fusible, desenergizando só lo una fase, permitiendo que el equipo conectado - como los motores permanezca conectado a las fases restantes, con el consiguiente calentamiento y vibració n excesivos debido al desequilibrio del suministro de voltaje.

3.3.2.2. Relés electromecá nicos Los primeros diseñ os de relés utilizaban fuerzas de actuació n que se producían por la interacció n electromagnética entre las corrientes y fluxes, de forma muy parecida a la de un motor. En los relés electromecá nicos, las fuerzas de accionamiento se crearon por una combinació n de las señ ales de entrada, la energía almacenada en los resortes y los salpicaderos.

 Tipos de relés electromecá nicos:

1. Relés de tipo émbolo

2. Relés de tipo inducció n Estos relés se basan en el principio de funcionamiento de un motor monofá sico de CA. Como tal, no pueden ser usados para corrientes de DC. Los relés de tipo inducció n requieren dos fuentes de magnetismo alterno flux en las que el elemento mó vil puede girar. Los dos fluxes deben tener una diferencia de fase entre ellos; de lo contrario, no se produce ningú n par de funcionamiento.  Dos variantes de estos relés son bastante está ndar: una con un disco de inducció n y la otra con una copa de inducció n:

Los relés de inducció n de tipo disco o copa pueden ser energizados desde fuentes de voltaje para producir relés de bajo o alto voltaje. Ademá s, al proporcionar a una de las bobinas una fuente de corriente y a la otra una fuente de voltaje, el relé puede hacerse para responder a un producto de entradas de corriente y voltaje. Hay que recordar que el á ngulo de fase entre las corrientes de la bobina de corriente y la bobina de voltaje aparece en la ecuació n de par.

3.3.2.3. Relés de estado só lido Todas las funciones y características disponibles con los relés electromecá nicos pueden ser realizadas por dispositivos de estado só lido, ya sea como componentes discretos o como circuitos integrados. Los circuitos de relés de estado só lido pueden dividirse en dos categorías: circuitos analó gicos que son circuitos de detecció n de fallos o de medició n, o circuitos ló gicos digitales para el funcionamiento en variables ló gicas.  Algunos ejemplos de circuitos que pueden proporcionar las características deseadas del relé: 1. Relés de sobrecorriente instantá neos de estado só lido

The

entrada

operació n: la corriente I se pasa a través de la derivació n resistiva R, de onda completa rectified por el puente rectifier B, filtered para eliminar la ondulació n por el R-C filter y se aplica a una suma de alta ganancia amplifier A. La otra entrada de la suma amplifier se suministra con un voltaje de referencia ajustable er. Cuando la entrada de la entrada positiva del sumador amplifier excede el ajuste de referencia, la salida del amplifier se eleva, y este cambio de paso se retrasa por un circuito de retardo de tiempo, para proporcionar inmunidad contra señ ales transitorias espurias en el circuito de entrada.

2. Relés de distancia de estado só lido (Mho) La ecuació n de rendimiento del relé mho es E - IZr sin(θ + ϕ) = 0, La característica mho puede visualizarse como el límite del círculo, con todos los puntos dentro del círculo que conducen a un viaje y todos los puntos fuera del círculo que producen una señ al de no-viaje - o de bloqueo.

El negativo de esta señ al, así como la señ al del voltaje de entrada del relé, se alimentan a amplifiers de alta ganancia, que sirven para producir pulsos rectangulares con puntos de cruce cero de la forma de onda sinusoidal original retenida en la salida, como se muestra en la siguiente figura. Las porciones positivas y negativas de estas ondas cuadradas son aisladas por dos puentes de media onda, y suministradas a una puerta ló gica Y.

Suponiendo que las entradas de corriente y voltaje de onda sinusoidal en estado estable,

las salidas de las dos puertas AND está n en el nivel ló gico 1 durante la duració n igual al á ngulo de fase entre los fá seres -IZr y E. Si el á ngulo es mayor que 90◦, es decir, si la duració n de las salidas de estas dos puertas AND es mayor que 4,16 ms (para un sistema de alimentació n de 60 Hz), el relé debería funcionar

3.3.2.4. Relés de computadora A menudo se ha observado que un relé es un ordenador analó gico. Acepta las entradas, las procesa electromecá nicamente, o electró nicamente, para desarrollar un par, o una salida ló gica que representa una cantidad del sistema, y toma una decisió n que resulta en un cierre de contacto o una señ al de salida. Con la llegada de los microprocesadores robustos y de alto rendimiento, es obvio que una computadora digital puede realizar la misma funció n. Dado que las entradas de relé habituales consisten en tensiones y corrientes del sistema de energía, es necesario obtener una representació n digital de estos pará metros. Para ello se toman muestras de las señ ales analó gicas y se utiliza un algoritmo informá tico adecuado para crear representaciones digitales apropiadas de la

señ ales. Esto se hace mediante un algoritmo digital filter. Los bloques funcionales que se muestran en la figura representan un posible configuration para una retransmisió n digital. Las señ ales de corriente y voltaje del sistema de energía son procesadas por acondicionadores de señ al que consisten en circuitos analó gicos, tales como transductores, circuitos de supresió n de sobretensiones y anti-aliasing filters, antes de ser muestreadas y convertidas a forma digital por el convertidor analó gico-digital. El reloj de muestreo proporciona pulsos a la frecuencia de muestreo. Las frecuencias de muestreo típicas que se utilizan en los modernos relés digitales varían entre 8 y 32 veces la frecuencia fundamental del sistema de energía. Las señ ales de entrada analó gicas suelen ser congeladas por un circuito de muestreo y retenció n, a fin de lograr el muestreo simultá neo de todas las señ ales, independientemente de la velocidad de conversió n de datos del convertidor analó gico-digital. El algoritmo de retransmisió n procesa los datos muestreados para producir una salida digital. El algoritmo de retransmisió n procesa los datos muestreados para producir una salida digital. El algoritmo es, por supuesto, el nú cleo del relé digital, y se han desarrollado y publicado muchos algoritmos en la literatura. Una gran ventaja del relé digital era su capacidad de autodiagnó stico, una capacidad que só lo podía obtenerse en un relé analó gico - si es que se podía obtener - con gran esfuerzo, coste y complejidad. Ademá s, el relé digital proporciona una capacidad de comunicació n. A medida que continuaron las investigaciones sobre los relés digitales y se montó confidence, se añ adió otra dimensió n a la fiabilidad del sistema de protecció n. El La capacidad de adaptarse, en tiempo real, a las condiciones cambiantes del sistema es una característica inherente al relé digital dominado por el software.

3.4. TRANSDUCTORES La funció n de los transformadores de corriente y voltaje (conocidos colectivamente como transductores) es transformar las corrientes y los voltajes del sistema de energía a magnitudes má s bajas, y proporcionar aislamiento galvá nico entre la red de energía y los relés y otros instrumentos conectados a los devanados secundarios del transductor. Las clasificaciones de los bobinados secundarios de los transductores se han normalizado, de modo que un grado de intercambiabilidad entre los relés y medidores de diferentes fabricantes puede ser logrado. En los Estados Unidos y varios otros países, los devanados secundarios de los transformadores de corriente tienen una capacidad nominal de 5 A, mientras que en Europa también se utiliza un segundo está ndar de 1 A secundario. Los devanados secundarios de los transformadores de voltaje está n clasificados a 120 V para las conexiones de voltaje entre fases, o, de manera equivalente, a 69,3 V para las conexiones de fase a neutro.

3.4.1. Transformadores de corriente: Algunos transformadores de corriente se utilizan para la medició n y, por consiguiente, su rendimiento es de interés en condiciones de carga normales. Los transformadores de medició n pueden tener muy significant errores durante las condiciones de falla, cuando las corrientes pueden ser varias veces su valor normal durante un tiempo muy corto. Dado que las funciones de medició n no son necesarias durante las fallas, esto no es significant. Los transformadores de corriente utilizados para la retransmisió n está n diseñ ados para tener pequeñ os errores durante las condiciones de fallo, mientras que su rendimiento durante el funcionamiento normal de estado estacionario, cuando no se requiere que el relé funcione, puede no ser tan preciso. Rendimiento en estado estable de los transformadores de corriente Los diferentes valores de los pará metros de los circuitos equivalentes son responsables de la diferencia de rendimiento entre los diversos tipos de TC, y su rendimiento puede calcularse a partir de un circuito equivalente comú nmente utilizado en el aná lisis de los transformadores.

Dado que el bobinado primario de un TAC está conectado en serie con la red de energía, su corriente primaria I1 es dictada por la red. Por consiguiente, la impedancia de fuga del devanado primario Zx1 no tiene ningú n efecto en el rendimiento del transformador, y puede ser omitida. Refiriéndose a todas las cantidades del devanado secundario, se obtiene el circuito equivalente simplified de la figura 3.1 b). Utilizando la relació n de espiras (l : n) del transformador ideal de la figura (a) se puede write: ,

La impedancia de carga Zb incluye la impedancia de todos los relés y medidores conectados en el devanado secundario, así como la de los cables que conectan los terminales del devanado secundario del TC situado en el patio de la subestació n con el equipo de protecció n, que se encuentra en la caseta de control de la subestació n, Zb también se conoce como la carga del TC. El voltaje Em a través de la impedancia magnetizante Zm es dado por:

y la corriente magnetizadora que me da Im:

La corriente primaria I1 (referida al devanado secundario) viene dada por:

Para los pequeñ os valores de la impedancia de la carga, Eb y Em también son pequeñ os, y por consiguiente Im es pequeñ o. El error de transformació n de corriente por unidad defined por:

Las tomografías funcionan mejor cuando está n conectadas a cargas de muy baja impedancia. El error de la TC se presenta en términos de un factor de correcció n de la

relació n R en lugar del error por unidad E discutido anteriormente. El factor de correcció n de la relació n R es defined como la constante por la cual el

La relació n de vueltas de la placa de identificació n n de un transformador de corriente debe ser multiplicada para obtener la relació n de vueltas efectiva. Dado que la rama magnetizadora de un transformador prá ctico no es lineal, el Zm no es constante, y la característica de excitació n real del transformador debe tenerse en cuenta al determinar el factor R para una situació n determinada. La característica magnetizante de una TC típica se muestra en la siguiente figura

 Designació n de clase está ndar El rendimiento de la TC puede realizarse a través de su designació n de clase está ndar como defined por el Instituto Nacional Americano de Está ndares (ANSI) y el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electró nicos (IEEE). La designació n de clase ANSI/IEEE de un TAC consiste en dos pará metros enteros, separados por la letra "C" o "T": por ejemplo, 10C400 o 10T300, Los nú meros enteros de first describen el límite superior del error cometido por el TC cuando el voltaje en sus terminales secundarios es igual al segundo nú mero entero, mientras que la corriente en el transformador es 20 veces su valor nominal, La letra 'C' en la designació n de la clase implica que el diseñ o del transformador es tal que se puede calcular el rendimiento del TC, mientras que la letra 'T' signifies algunas incertidumbres en el diseñ o del transformador, y el rendimiento del TC debe determinarse probando el TC.

 Marcas de polaridad en los bobinados de la TC Las marcas de polaridad de los devanados del transformador son un medio para describir las direcciones relativas en las que los dos devanados se enrollan en el nú cleo del transformador. Los terminales identified por marcas só lidas indican los extremos iniciales de los dos devanados, en un transformador, si se considera que una de las

corrientes del devanado flowing en el terminal marcado, se debe considerar que la corriente del otro devanado sale de su terminal marcado, An

La forma alternativa es etiquetar los terminales del devanado primario H1 y H2, y se puede suponer que los terminales del devanado secundario Xl y X2.H1 y X1 tienen la marca de la polaridad. Ambas convenciones se muestran en la siguiente figura

 Rendimiento transitorio de los transformadores de corriente El rendimiento de los TC cuando llevan la corriente de carga no es preocupante en lo que respecta a las necesidades de retransmisió n. Cuando se producen fallos, las magnitudes de la corriente podrían ser mucho mayores, la corriente de fallo podría tener cantidades sustanciales de componentes de CC y podría haber remanencia en el nú cleo del TC. Todos estos factores pueden conducir a la saturació n del nú cleo de la TC, y causar significant distorsió n de la forma de onda de la corriente secundaria. El hecho importante que se observa en la figura es el comportamiento temporal de los enlaces de flux. El DC El componente de la corriente de falla hace que los enlaces de flux aumenten considerablemente por encima de su pico de estado estable. Ahora consideremos el efecto de la saturació n. La línea punteada de la figura representa el nivel de flux en el que el nú cleo del transformador entra en saturació n. Como una aproximació n, asumamos que en la regió n saturada la magnetizació n La curva es horizontal, es decir, la inductancia incremental del nú cleo es cero. Así, durante la duració n que está por encima de la línea de puntos en la figura, se mantiene constante en el nivel de saturació n, y la inductancia magnetizante Lm en el circuito equivalente de la figura se convierte en cero. A medida que este cortocircuito la impedancia de carga, la corriente secundaria para este período también se convierte en cero. Esto está

representado por la curva i2 no sombreada de la figura. Hay que tener en cuenta que los enlaces de flux volverá n a tener un desplazamiento de CC cero con el tiempo, de modo que el transformador de corriente saldrá de la saturació n después de algú n tiempo, dependiendo de los pará metros del circuito.

 Conexiones especiales de los transformadores de corriente 1. Transformadores de corriente auxiliares: Los transformadores de corriente auxiliares se utilizan en muchas aplicaciones de retransmisió n para proporcionar una separació n galvá nica entre el secundario principal del TC y algú n otro circuito. También se utilizan para proporcionar un ajuste de la relació n de transformació n de corriente global. El TC auxiliar, sin embargo, hace sus propias contribuciones a los errores generales de transformació n. La carga conectada en el devanado secundario del TC auxiliar es reflected en el secundario del TC principal. 2. Conexiones en el ojo y en el delta: En los circuitos trifá sicos, a menudo es necesario conectar los secundarios de los TC en conexiones en estrella o delta para obtener ciertos cambios de fase y cambios de magnitud entre las corrientes secundarias de los TC y las requeridas por los relés conectados a los TC. La conexió n en estrella que se muestra en la figura (a) produce corrientes proporcionales a las corrientes de fase en las cargas de fase Zf y una corriente proporcional a 3I0 en la carga del neutro Zn. Esta conexió n no introduce desplazamientos de fase>

La conexió n delta que se muestra en la figura 3.10(b) produce corrientes proporcionales a (Ia - Ib), (Ib - Ic)y(Ic - Ia) en las tres cargas Zf. Si las corrientes primarias está n equilibradas, (Ia - Ib) =√3|Ia| exp(jπ/6), y se introduce un cambio de fase de 30◦ entre las corrientes primarias y las corrientes suministradas a

las cargas Zf. Invirtiendo la direcció n de las bobinas del delta, se puede obtener un cambio de fase de -30◦.

3. Desvíos de corriente de secuencia cero: Recordemos la conexió n en estrella de los secundarios de la TC Cada una de las cargas de fase Zf lleva corrientes de fase, que incluyen los componentes de secuencia positiva, negativa y cero. A veces se desea que la corriente de secuencia cero sea desviada de estas cargas. Esto se consigue conectando CTs auxiliares que proporcionan un camino alternativo para la secuencia cero actual. Esto se ilustra en la siguiente figura. El neutro de los principales secundarios de la TC no está conectado al neutro de carga. 4. Tomografía de flujo de sumidero: Es posible obtener la corriente de secuencia cero utilizando una sola TC, en lugar de conectar las secundarias de tres TC. Si se pasan conductores trifá sicos a través de la ventana de un TAC toroidal.

hay que reconocer que tal aplicació n de la TC só lo es posible en circuitos de baja tensió n, donde los tres conductores de fase pueden pasar a través del nú cleo de la TC en estrecha proximidad unos de otros. Si los conductores trifá sicos está n encerrados en una vaina metá lica y ésta puede transportar parte (o toda) la corriente de secuencia cero, debe compensarse enroscando el cable de conexió n a tierra de la vaina a través del nú cleo del TC.

4. Protecció n de los elementos del sistema de energía 4.1. PROTECCIÓ N DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓ N: Las líneas de transmisió n está n expuestas principalmente a cortocircuitos entre fases o de fase a tierra. Esta es también la principal fuente de dañ os en todos los demá s equipos eléctricos. El rango de la posible corriente de falla, el efecto de la carga, la cuestió n de la direccionalidad y el impacto del sistema configuration forman parte del problema de protecció n de las líneas de transmisió n. La solució n a este problema, por lo tanto, es un microcosmos de todos los demá s problemas y soluciones de retransmisió n. Dado que las líneas de transmisió n son también los enlaces con las líneas adyacentes o los equipos conectados, la protecció n proporcionada a la línea de transmisió n debe ser compatible con la protecció n de todos estos otros elementos. Para ello es necesario coordinar los ajustes, los tiempos de funcionamiento y las características. Un sistema radial, es decir, uno con una sola fuente generadora, puede tener la corriente de falla flowing en una sola direcció n: de la fuente a la falla. En un bucle o red, sin embargo, la corriente de falla puede flow en cualquier direcció n, y el sistema radial debe ser capaz de distinguir entre las dos direcciones. La longitud de la línea, como es de esperar, tiene un efecto directo en la configuració n de un relé, no hay ninguna impedancia apreciable entre el final de un segmento de línea y el comienzo del siguiente. Por lo tanto, un relé no puede ajustarse só lo en la magnitud de la corriente de falla para diferenciar entre una falla al final de una zona o al principio de la siguiente. El problema se complica aú n má s si la línea es corta, es decir, como se muestra en la figura, su impedancia es mucho menor que la impedancia de la fuente. En tal caso hay muy poca diferencia en la magnitud de la corriente para una falla en un extremo de la línea en comparació n con una falla en el otro. Es entonces difficult para establecer un relé de manera que só lo proteja su propia línea y no se exceda en la siguiente.

En orden de costo y complejidad ascendente, los dispositivos de protecció n disponibles para la protecció n de las líneas de transmisió n son: 1. fusibles. 2. seccionadores, reconectores. 3. sobrecorriente instantá nea. 4. inverso, retraso de tiempo, sobrecorriente. 5. sobrecorriente direccional. 6. distancia. 7. piloto. 

Fusibles, seccionadores, reconectores:

El sistema de distribució n está dividido en principales y laterales. Las redes de distribució n son sistemas trifá sicos que constituyen la columna vertebral del servicio de distribució n; los laterales son grifos monofá sicos conectados a la red. Los clientes industriales y comerciales que requieren un servicio trifá sico se alimentan de la red. Los clientes residenciales y los clientes industriales má s pequeñ os suelen ser atendidos por los laterales. La funció n del ingeniero de planificació n de la distribució n es igualar las cargas monofá sicas para que la carga de la subestació n esté esencialmente equilibrada. La figura muestra una representació n de una sola línea de un circuito de distribució n típico. En la prá ctica, el alimentador horizontal sería una tubería principal trifá sica y cada toma sería una carga monofá sica, cada carga proveniente de una fase diferente. hay cierta preocupació n por la seguridad y los posibles dañ os físicos que podrían producirse por una violenta tipo de fallo. Esto ha llevado a la aplicació n de fusibles limitadores de corriente (CL), que reducen drá sticamente la energía de paso para una falla de alta corriente en comparació n con otros tipos de fusibles. El dispositivo de protecció n má s utilizado en un circuito de distribució n es el fusible. Las características de los fusibles varían considerablemente de un fabricante a otro, y el specifics debe obtenerse de la literatura apropiada de los fabricantes. Los dispositivos de interrupció n, ademá s del propio fusible, son seccionadores y reconectadores. Un seccionalizador no puede interrumpir una falla. Cuenta el nú mero de veces que ve la corriente de falla y se abre después de un nú mero preestablecido mientras el circuito está desenergizado. Un reconectador tiene una capacidad limitada

de interrupció n de fallas y se reconecta automá ticamente en una secuencia programada.

Fundamentos de la protecció n del sistema de energía

En referencia a las cifras, una falla en A debe ser despejada por el fusible del ramal, dejando el servicio a la línea principal y a los otros ramales sin perturbaciones. Una falla en B debe ser despejada por el seccionador, pero, como el seccionador no puede interrumpen una falla, el despeje real es realizado por el reconector. Sin embargo, el seccionador "ve" la corriente de falla y registra un conteo. El reconectador también ve la falla y se dispara, desenergizando la línea. Si el ajuste del seccionalizador es '1' ahora se abrirá , permitiendo al reconectador reconectar y restaurar el servicio al resto del sistema. Si el El ajuste del seccionalizador es má s de '1', por ejemplo '2', el seccionador no se abrirá después de la first En lugar de eso, el reconector se vuelve a cerrar por segunda vez. Si la falla sigue activa, el seccionador verá un segundo conteo de la corriente de falla. El reconectador se disparará de nuevo, permitiendo que el seccionalizador se abra, eliminando la falla, y el reconectador se ha vuelto a cerrar con éxito, restaurando el servicio hasta el seccionador. Por una falla en C, el reconectador se dispara y se vuelve a cerrar como está programado. El seccionalizador no ve la falla y no cuenta. 

Relevadores de sobrecorriente con retardo de tiempo inverso:

La principal aplicació n de los relés de sobrecorriente es en un sistema radial donde proporcionan protecció n tanto de fase como de tierra.

Fundamentos de la protecció n del sistema de energía

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Fundamentos de la protecció n del sistema de energía

Estableciendo reglas: Hay dos ajustes que deben aplicarse a todos los relés de sobrecorriente con retardo de tiempo: la captació n y el retardo de tiempo. 1. Configuració n de la camioneta: Esta es una funció n fundamental y debe ser establecida de manera que siempre funcione para las fallas en esa zona de protecció n. Esto requerirá má rgenes por encima de las corrientes de funcionamiento normales y por debajo de las corrientes de falla mínimas. Si es posible, este ajuste también debería proporcionar una copia de seguridad para una secció n de línea adyacente o un equipo adyacente, como un transformador de línea. Sin embargo, cabe destacar que la funció n de reserva es una consideració n secundaria. La captació n de un relé (como se muestra en la figura) es el valor mínimo de la corriente, la tensió n u otra cantidad de entrada de funcionamiento que se alcanza mediante aumentos progresivos del pará metro de funcionamiento que hará que el relé alcance su estado de funcionamiento completo cuando se inicie desde la condició n de restablecimiento.

2. Ajuste del tiempo de demora: La característica de retardo de tiempo del relé es un pará metro independiente que se obtiene de varias maneras, dependiendo del diseñ o del relé. El dial está marcado desde un ajuste de 1/2 a 10, Esta es una relació n tiempo-corriente inversa, es decir, cuanto mayor es la corriente de funcionamiento, menos tiempo se tarda en pasar de la posició n de reposició n a la posició n de funcionamiento. El propó sito del ajuste del retardo es permitir que los relés se coordinen entre sí. Se debe proporcionar una familia de curvas para que dos o má s relés, viendo la misma falla como 28

Fundamentos de la protecció n del sistema de energía

defined por los mú ltiplos de la captació n, puedan operar en diferentes momentos.

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El principio de la coordinació n de los relés puede explicarse por referencia a la figura que muestra una serie de líneas radiales y las características de tiempodistancia de los relés de tiempo inverso asociados. Se trata de curvas de funcionamiento de los relés seleccionadas para cada uno de los relés, trazadas en funció n de la localizació n de la falla. Dado que la magnitud de la corriente de falla disminuye a medida que la falla se aleja de la fuente. Para la falla F1 en el extremo má s alejado de la fuente generadora, el relé Rd, interruptor de disparo (4), opera first; el relé Rcd en el interruptor (3) tiene un ajuste de palanca de tiempo mayor que incluye una demora de tiempo de coordinació n S para permitir que el interruptor (4) se dispare si puede; de manera similar, el relé Rbc, en el interruptor (2), se coordina con el relé en el interruptor (3) al tener una demora de tiempo aú n mayor (incluyendo el mismo tiempo de coordinació n S); y finally, el relé Rab en el interruptor (1) tiene la demora de tiempo má s larga y no se disparará a menos que ninguno de los otros interruptores se dispare, siempre que pueda ver la falla, es decir, siempre que la corriente de falla sea mayor que su ajuste de captació n.

 Relés de sobrecorriente instantá neos: Cuanto má s cerca esté la falla de la fuente, mayor será la magnitud de la corriente de la falla, pero mayor será el tiempo de disparo. La adició n de relés de sobrecorriente instantá nea hace viable este sistema de protecció n. Si un relé

instantá neo se puede ajustar para ver casi hasta, pero sin incluir, la siguiente barra, todos los tiempos de despeje de la falla se pueden reducir, como se muestra en la figura frontal

Estableciendo reglas: Como el relé instantá neo no debe ver má s allá de su propia secció n lineal, los valores para los que debe operar son mucho má s altos que incluso las cargas de emergencia. Por lo tanto, la carga no suele ser una consideració n para los ajustes del relé instantá neo, por lo que no es necesario ajustar un relé de sobrecorriente instantá nea con má rgenes como el 200% de la carga y un tercio de la corriente de falla. Para superar el problema de sobrealcance transitorio, es comú n establecer un relé instantá neo alrededor de 125-135% por encima del valor má ximo para el cual el relé no debe operar, y 90% del valor mínimo para el cual el relé debe operar.

 Relés de sobrecorriente direccionales: La retransmisió n de sobrecorriente direccional es necesaria para los circuitos de fuentes mú ltiples, cuando es esencial limitar el disparo del relé para las fallas en una sola direcció n. Sería imposible obtener una selectividad correcta del relé mediante el uso de un relé de sobrecorriente no direccional en esos casos. Si la misma magnitud de la corriente de falla pudiera flow en cualquier direcció n en la ubicació n del relé, la coordinació n con los relés delante y detrá s del relé no direccional no se puede lograr excepto en el sistema muy inusual configurations. Por lo tanto, la retransmisió n de la sobrecorriente se hace direccional para proporcionar la coordinació n de los relés entre todos los relés que pueden ver una falla determinada. Los relés direccionales requieren dos entradas, la corriente de funcionamiento y una cantidad de referencia, o polarizació n, (ya sea de voltaje o corriente) que no cambia con la localizació n de la falla. Refiriéndonos a la figura, con el interruptor X cerrado, supongamos que la corriente que pasa por (4) y (5) para una falla en F1 es de 100 A y para una falla en F2 es de 400 A. Ajustar el relé en (4) para la captació n en 25 A da 4 × pu para la falla en F1 y 16 × pu para la falla en F2. Este relé debe, por lo tanto, ser direccional para ver las fallas só lo en la direcció n del interruptor (4) al interruptor (3). Ajustar el relé a (5) a 125 A, sin embargo, le permite tener 3,2 × pu para la falla en su zona protegida en F2, pero menos de 1,0 × pu para la falla en F1. Por lo tanto, no tiene que ser direccional. Sin embargo, tal condició n puede cambiar con el crecimiento del sistema y pasar desapercibida hasta que se produzca un falso disparo. Por lo tanto, es una buena prá ctica utilizar relés direccionales en ambos lugares.

Hay dos enfoques para proporcionar direccionalidad a un relé de sobrecorriente: 1. El control direccional..: el diseñ o del relé es tal que el elemento de sobrecorriente no funcionará hasta que el elemento direccional funcione, lo que indica que la falla está en la direcció n de disparo.

2. Sobrecorriente direccional..: este relé tiene contactos independientes, conectados en serie con la bobina de disparo del interruptor. Ambos contactos del relé deben cerrarse antes de obtener una salida de disparo.

 protecció n de distancia: Los relés de distancia se utilizan normalmente para proteger las líneas de transmisió n. Responden a la impedancia entre la ubicació n del relé y la ubicació n de la falla. Como la impedancia por milla de una línea de transmisió n es bastante constante, estos relés responden a la distancia de una falla en la línea de transmisió n - y de ahí su nombre. Se pueden aplicar principios similares en el caso de una línea de transmisió n trifá sica, siempre y cuando se elijan los voltajes y corrientes apropiados para energizar el relé de distancia. El diagrama R-X es una herramienta indispensable para describir y analizar la característica de un relé de distancia, y lo examinaremos inicialmente con referencia a una línea de transmisió n monofá sica. El relé de distancia está configurado para no alcanzar el terminal remoto. El corolario de esto definition, por supuesto, es que el relé verá menos fallos que el ajuste. La protecció n de "sobrealcance" es una forma de protecció n en la que los relés de un terminal operan para fallos má s allá del siguiente terminal. Pueden verse obligados a disparar hasta que una señ al entrante de un terminal remoto haya indicado si el fallo está má s allá de la secció n de línea protegida.

El relé de distancia está configurado para no alcanzar el terminal remoto. El corolario de esto definition, por supuesto, es que el relé verá menos fallos que el ajuste. La protecció n de "sobrealcance" es una forma de protecció n en la que los relés de un terminal operan para fallos má s allá del siguiente terminal. Pueden verse obligados a disparar hasta que una señ al entrante de un terminal remoto haya indicado si el fallo está má s allá de la secció n de línea protegida. Refiriéndose a la figura , la zona de protecció n deseada se muestra con una línea de puntos. La situació n ideal sería que todas las fallas dentro de la zona punteada se disparen instantá neamente. Sin embargo, debido a la incertidumbre del extremo, para estar seguros de no sobrepasar la secció n del final de la línea, debemos aceptar una zona de bajo alcance (zona 1). Es costumbre establecer la zona 1 entre el 85 y el 90% de la longitud de la línea y que sea operada instantá neamente. el á rea entre el final de la zona 1 y el autobú s B no está protegida. Por consiguiente, el relé de distancia está equipado con otra zona, que deliberadamente se extiende má s allá del terminal remoto de la línea de transmisió n. Esto se conoce como la zona 2 del relé de distancia, y debe ser reducida a 0,3s, El alcance de la segunda zona se establece generalmente en 120-150% de la longitud de la línea AB. Con el fin de proporcionar una funció n de respaldo para toda la línea, se acostumbra a proporcionar otra zona de protecció n para el relé en A. Esta se conoce como la tercera zona de protecció n, y normalmente se extiende hasta el 120-180% de la siguiente secció n de línea. La tercera zona debe coordinarse en tiempo y distancia con la segunda zona del circuito vecino, y normalmente el tiempo de funcionamiento de la tercera zona es del orden de 1 s.  Diagrama R-X Para el relé de tipo producto, como el de distancia, el aná lisis de la respuesta del relé para todas las condiciones es difficult porque el voltaje varía para cada

falla, o varía para la misma falla pero con diferentes condiciones del sistema. Para resolver esto difficulty, es comú n utilizar un diagrama R-X tanto para analizar como para visualizar la respuesta del relé. Utilizando só lo dos cantidades, R y X (o Z

y θ), evitamos la confusió n introducida al utilizar las tres cantidades E, I y θ. Hay una ventaja adicional de significant en el sentido de que el diagrama R-X nos permite representar tanto el relé como el sistema en el mismo diagrama. Consideremos un cortocircuito ideal (resistencia cero) en la posició n F en el sistema monofá sico que se muestra en la figura. Ahora considere la falla en la ubicació n F como se muestra en la figura anterior. El aparato correspondiente se muestra en F en la figura . Como la ubicació n de la falla se mueve a lo largo de la línea de transmisió n, el punto F se mueve a lo largo de la recta línea AB en la figura 5.5. Así, la línea de transmisió n vista por el relé se mapea en la línea AB en el plano RX. La línea AB forma un á ngulo θ con el eje R, donde θ es el á ngulo de impedancia de la línea de transmisió n. (Para una línea de transmisió n aérea, θ se encuentra entre 70◦ y 88◦ , dependiendo de la tensió n del sistema, los á ngulos má s grandes se asocian con tensiones de transmisió n má s altas). Cuando la falla está en la línea de transmisió n, la impedancia aparente se traza en la línea AB; para todas las demá s fallas o condiciones de carga, la impedancia se traza lejos de la línea AB.  Conexiones de la t.c. y la t.v. para el relé de distancia (3-f)

 Resistencia a las fallas: la trayectoria de la falla tendrá una resistencia, que puede consistir en una resistencia de arco o una resistencia de arco en serie con la resistencia de pie de la torre en el caso de una falla en el suelo. La resistencia de la base de la torre es prá cticamente constante durante la falla (y oscila entre 5 y 50 ), mientras que la resistencia del arco cambia con el tiempo a

medida que la corriente de falla continú a en flow. Durante el período inicial del arco, digamos en el first unos pocos milisegundos, la resistencia del arco es

insignificante, y a medida que el canal del arco se alarga en el tiempo, la resistencia del arco aumenta. la resistencia del arco de falla para una falla de línea de transmisió n de 345 kV en un lugar con una capacidad de cortocircuito de 1500 MVA es (76 × 3452/1500 × 103) ∼ = 50. La resistencia de la falla introduce un error en la estimació n de la distancia de la falla y, por lo tanto, puede crear un funcionamiento poco fiable de un relé de distancia.

 Tipos de relés de distancia: Se reconocen cuatro tipos de relés generales segú n las formas de sus zonas de operació n: (1) relés de impedancia, 2) relés de admisió n o mho, 3) relés de reactancia y 4) relés de cuadrilá tero. Estas cuatro formas características de los relés se ilustran en la figura:

El relé de impedancia tiene una forma circular centrada en el origen del diagrama R-X. El relé de admitancia (o mho) tiene una forma circular que pasa por el origen. El El relé de reactancia tiene una zona límite defined por una línea paralela al eje R. La zona se extiende hasta infinity en tres direcciones como se muestra en la figura (c). El cuadrilá tero característica, como su nombre indica, es defined por cuatro líneas rectas. Esta ú ltima característica só lo está disponible en estado só lido o en relés de ordenador.

 Protecció n piloto de las líneas de transmisió n: protecció n no piloto utilizando sobrecorriente y relés de distancia, contienen un difficulty fundamental. No es posible despejar instantá neamente una falla de ambos extremos de una línea de transmisió n si la falla está cerca de un extremo de la línea. Esto se debe al hecho de que, al detectar un fallo utilizando só lo la informació n obtenida en un extremo, los fallos cercanos al extremo remoto no pueden despejarse sin la introducció n de algú n tipo de retardo temporal. siempre existe una incertidumbre en los límites de una zona de protecció n. para evitar la pérdida de coordinació n por un fallo en F2, los relés de la terminal B se disparan instantá neamente por la zona first y los relés de la terminal A utilizan un retardo de tiempo para la segunda zona o el disparo de reserva. Esto resulta en un lento despeje por una falla en la F1. La solució n ideal sería utilizar el principio diferencial. Los canales de comunicació n que se utilizan generalmente son • portador de la línea de energía • microondas • fiber ó ptica • cable de comunicació n. Los esquemas de retransmisió n pueden ser classified como comparació n direccional, comparació n de fase, diferencial de corriente o cable piloto, dependiendo del tipo de detecció n utilizado, y se describen ademá s como bloqueo, desbloqueo o disparo de transferencia dependiendo de có mo se utilice la señ al transmitida. Los esquemas de viaje de transferencia se dividen de nuevo en directos, permisivos de bajo alcance y permisivos de alto alcance. Por supuesto, hay ventajas y desventajas asociadas a cada esquema y la aplicació n specific depende de todos los factores y condiciones individuales involucrados. La retransmisió n de distancia direccional es la má s utilizada en todo el mundo, pero tiene problemas de aplicació n y ajuste cuando hay condensadores en serie. La comparació n de fase y el diferencial de corriente son inmunes a esos problemas, y só lo requieren entradas de corriente, eliminando la necesidad de fuentes potenciales.

4.2. PROTECCIÓ N DE MAQUINARIA ROTATIVA: La protecció n de los equipos rotativos implica la consideració n de má s posibles fallos o condiciones anormales de funcionamiento que cualquier otro elemento del sistema. Aunque la frecuencia de los fallos, en particular en el caso de los generadores y los grandes motores, es relativamente baja, las consecuencias en el costo y el rendimiento del

sistema suelen ser muy graves.

Algunas de las condiciones anormales que deben ser tratadas son las siguientes: 1. Fallas de bobinado: estator - fase y falla de tierra 2. Sobrecarga 3. Sobrevelocidad 4. Voltajes y frecuencias anormales. Para los generadores debemos considerar lo siguiente. 5. Subexcitació n 6. Motor y arranque. En cuanto a los motores, nos preocupamos por lo siguiente. 7. Pérdida (rotor bloqueado) 8. Una sola fase 9. Pérdida de excitació n (motores sincró nicos).

4.2.1. Fallas del estator:  Protecció n de fallo de fase: Para los cortocircuitos en un bobinado de estator, es una prá ctica está ndar usar protecció n diferencial en generadores con una potencia nominal de 1000 kVA o superior y en motores con una potencia nominal de 1500 hp o superior o con una potencia nominal de 5 kV o superior. Los equipos rotativos constituyen una aplicació n clá sica de esta forma de protecció n, ya que el equipo y todos los periféricos asociados, como transformadores de corriente (TC), interruptores, etc., suelen estar muy pró ximos entre sí, lo que reduce al mínimo la carga y los posibles errores debidos a los largos recorridos de los cables. Los TC utilizados para el diferencial del generador está n casi invariablemente situados en los autobuses y conducen inmediatamente adyacentes al devanado del generador. Esto se hace para limitar la zona de protecció n, de modo que un fallo en el generador es inmediatamente identifiable para la rá pida evaluació n de los dañ os, la reparació n y el restablecimiento del servicio. En los circuitos diferenciales de los motores, se deben ubicar tres CTs dentro del interruptor para incluir los cables del motor dentro de la zona de protecció n. Los otros tres CTs está n localizados en la conexió n neutral del motor. Se deben

sacar seis cables del motor: tres en el lado del cable entrante para conectarlos al dispositivo de conmutació n y tres en el neutro del motor para

acomodar los CTs antes de que se haga la conexió n neutral (ver Figura). Por encima de 1500 CV esta es la prá ctica de fabricació n está ndar. Por debajo de 1500 hp la provisió n y las conexiones para los TC deben ser specified cuando se compra el motor. este arreglo sería ideal si los CTs siempre reprodujeran las corrientes primarias con precisió n. Sin embargo, en realidad, los TC no siempre dará n la misma corriente secundaria para la misma corriente primaria, incluso si los TC son comercialmente idénticos. La diferencia de la corriente secundaria, incluso en condiciones de carga en régimen permanente, puede deberse a las variaciones de las tolerancias de fabricació n y a la diferencia de carga secundaria, es decir, longitudes desiguales de los cables del relé, cargas desiguales de los medidores e instrumentos que pueden estar conectados en uno o ambos secundarios. Lo que es má s probable, sin embargo, es la corriente de "error" que puede producirse durante las condiciones de cortocircuito. El relé diferencial porcentual resuelve este problema sin la sensibilidad de sacrificing. La disposició n esquemá tica se muestra en las figuras

 Protecció n de falla de tierra: The afecta a la the que is by en tierrasolidly phase falla to de retransmisió n, como en la figura

método de conexió n a tierra cantidad de protecció n proporcionó diferencial relé. Cuando el generador es , hay sufficient corriente para una fase a tierra operar casi cualquier diferencial

Si el generador tiene una impedancia de neutro para limitar la corriente de tierra, hay problemas de aplicació n de los relés que deben considerarse para los relés diferenciales que se conectan en cada fase. como se muestra en la figura

Cuanto má s alta sea la impedancia de conexió n a tierra, menor será la magnitud de la corriente de falla y má s difficult es para que el relé diferencial detecte fallas de tierra de baja magnitud. Si un TC y un relé está n conectados entre la tierra y el punto neutro del circuito, se proporcionará una protecció n sensible para un fallo de fase a tierra, ya que el relé neutro (51N) ve toda la corriente de tierra y puede ajustarse sin tener en cuenta la corriente de carga. A medida que la impedancia de tierra aumenta, la corriente de falla disminuye y se vuelve má s difficult para establecer un relé de tipo corriente. Cuanto menor es la captació n del relé, mayor es su carga en el TC y má s difficult es para distinguir entre las fallas a tierra y el desequilibrio normal del tercer armó nico. Esta corriente desequilibrada que flows en el neutro puede llegar a ser hasta el 10-15% de la corriente nominal. Otra corriente de tierra espuria puede flow debido a desequilibrios en el sistema primario. La tierra falsa

total.

Una alternativa al relé de tierra conectado residualmente en las aplicaciones de motor es la TC toroidal, que se muestra en la figura La relació n CT puede ser cualquier valor está ndar que proporcione la corriente de retransmisió n de la corriente terrestre disponible para una captació n adecuada. Como no habrá corriente de error, el relé puede ser un relé instantá neo ajustado a un valor bajo.

Si un generador está conectado directamente a un sistema de transmisió n a tierra, como se ha mostrado anteriormente, el relé de tierra del generador puede funcionar por fallos de tierra en el sistema. Por lo tanto, es necesario que el relé de tierra del generador se coordine con cualquier otro relé que vea el mismo fallo. Si el generador está conectado al sistema a través de un transformador estrella-triá ngulo, la corriente de secuencia cero no puede flow en el bus del generador má s allá de la conexió n delta del transformador elevador. Por lo tanto, los fallos en el lado de la estrella no operará n los relés de tierra en el lado delta. como se muestra en la figura

4.2.2. Fallas del rotor: Los circuitos de field de los modernos motores y generadores funcionan sin conexió n a tierra. Por lo tanto, una sola toma de tierra en el field de una má quina síncrona no produce

ningú n efecto dañ ino inmediato. Sin embargo, la existencia de una falla de tierra tensiona otras porciones del devanado del field, y la aparició n de una segunda tierra causará un severo desequilibrio, calentamiento del hierro del rotor y vibració n.

Dos esquemas de detecció n terrestre comú nmente aplicados field. La tierra en el circuito de detecció n está permanentemente conectada a través de la muy alta impedancia del relé y los circuitos asociados. Si se produce una conexió n a tierra en el bobinado de field o en los buses y los interruptores de circuito externos al rotor, el relé recogerá y activará una alarma. como se muestra en la figura La principal preocupació n con los rotores en la construcció n de motores de inducció n de jaula de ardilla o bobinas aisladas en la inducció n de rotores de cuerda o la construcció n de motores sincró nicos implica el calentamiento de los rotores. En casi todos los casos, esto es el resultado de un funcionamiento desequilibrado o de una condició n de estancamiento. Por lo tanto, se ofrece protecció n contra estas situaciones en lugar de intentar detectar directamente el calentamiento del rotor.

4.2.3. Corrientes desequilibradas: Las fallas asimétricas pueden producir un calentamiento má s severo en las má quinas que las fallas simétricas o el funcionamiento equilibrado de tres fases. Las corrientes de secuencia negativa que flow durante estos fallos desequilibrados inducen corrientes de rotor de 120 Hz que tienden a flow en la superficie del forjado del rotor y en las cuñ as y anillos de retenció n no magnéticos del rotor. La pérdida de I2R resultante eleva rá pidamente la temperatura. Las condiciones típicas que pueden dar lugar a las corrientes desequilibradas del generador son: • monofá sica accidental del generador debido a cables abiertos o al trabajo en el autobú s; • desequilibrados de los transformadores de aumento del generador; • condiciones de fallo del sistema desequilibrado y un fallo de los relés o interruptores; • planificado de disparo monofá sico sin cierre rá pido. Cuando se produce un desequilibrio de este tipo, no es raro que se apliquen relés de

secuencia negativa (46) en el generador para dar la alarma first, alertando al operador de la situació n anormal y permitiendo que se tomen medidas correctivas antes de retirar la má quina del servicio.

4.2.4. Sobrecarga: La protecció n contra sobrecargas se aplica siempre a los motores para protegerlos contra el sobrecalentamiento. Los motores de potencia fraccional suelen utilizar elementos de calentamiento térmico como tiras bimetá licas compradas con el arrancador del motor Los relés de sobrecarga térmica ofrecen una buena protecció n para las sobrecargas ligeras y medias (de larga duració n), pero pueden no ser buenos para las

sobrecargas pesadas, como se muestra en a) Un relé de sobrecorriente de inducció n de larga duració n ofrece una buena protecció n para las sobrecargas pesadas, pero sobreprotege para las sobrecargas ligeras y medianas (b) Una combinació n de dos dispositivos puede proporcionar una mejor protecció n térmica como en el apartado c) Los relés digitales aprovechan la capacidad de modelar matemá ticamente el rotor y el estator y utilizan algoritmos que calculan la temperatura del conductor resultante de la corriente de funcionamiento, añ aden el efecto de la temperatura ambiente y calculan la transferencia de calor y el decaimiento del calor. Por lo tanto, responden a los efectos de mú ltiples arranques. Un motor que está girando disipa má s calor que un motor parado, ya que el medio de enfriamiento flows má s efficiently. Cuando se aplica el voltaje total, un motor con un rotor bloqueado es particularmente vulnerable a los dañ os debido a la gran cantidad de calor generado. Si el motor no acelera, las corrientes del estator pueden variar típicamente de 3

a 7 o má s veces el valor de carga completa, dependiendo del diseñ o del motor y la impedancia del sistema de suministro. Los relés digitales son particularmente adecuados para este tipo de ló gica combinada con la detecció n de temperatura. Dos enfoques son posibles para resolver este dilema. 1. Utiliza un interruptor de velocidad cero del motor que supervisa un relé de sobrecarga adicional establecido para la protecció n del rotor bloqueado.

2. Utilice un relé que incorpore el cambio de temperatura y discrimine entre el aumento repentino durante el bloqueo del rotor y el aumento gradual durante los aumentos de carga.

Las prá cticas de protecció n son diferentes para los generadores y los motores. En el caso de los generadores, la protecció n contra sobrecargas, si se aplica, se utiliza principalmente para proporcionar una protecció n de reserva en caso de fallos del bus o del alimentador, en lugar de proteger la má quina directamente. un relé de sobrecorriente controlado por voltaje o un relé de impedancia puede utilizarse para distinguir entre carga completa y sobrecorriente.

4.2,5. Exceso de velocidad: En situaciones prá cticas, el exceso de velocidad no puede producirse a menos que la unidad se desconecte del sistema. La protecció n contra el exceso de velocidad para los generadores se suele proporcionar en el motor principal. Las má quinas má s antiguas utilizan un dispositivo centrífugo que funciona desde el eje. Los diseñ os má s modernos emplean equipos electrohidrá ulicos o electró nicos muy sofisticados para realizar la misma funció n. Durante la sobrevelocidad, la turbina presenta un mayor peligro que el generador. La sobrevelocidad no es un problema para los motores, ya que los relés de sobrecorriente normales los protegerá n.

4.2.6. Voltajes y frecuencias anormales:  Sobretensió n: El voltaje en los terminales de un generador es una funció n de la excitació n y la velocidad. La sobretensió n puede provocar dañ os térmicos en los nú cleos debido a la excesiva altura de flux en los circuitos magnéticos. El exceso de flux satura el nú cleo de acero y flows en el adyacente estructuras que causan altas pérdidas por corrientes de Foucault en el nú cleo y en el material conductor adyacente. La sobreexcitació n severa puede causar dañ os rá pidos y fallos en el equipo. La sobretensió n existe al 105% del voltaje nominal y por unidad de frecuencia o por unidad de voltaje y 95% de frecuencia. El transformador puede soportar hasta el 110% del voltaje nominal sin carga y el 105% con carga nominal con un factor de potencia del 80%.

 Bajo voltaje:

La baja tensió n só lo representa un problema para el generador , ya que afecta al

sistema auxiliar. La baja tensió n impide que los motores alcancen la velocidad nominal al arrancar o hace que pierdan velocidad y se sobrecarguen. los relés de sobrecarga eventualmente detectará n esta condició n.

 Sobrefrecuencia: La sobrefrecuencia está relacionada con la velocidad de la unidad y está protegida por el dispositivo de sobrevelocidad. Es posible utilizar un relé de sobrefrecuencia como respaldo de los dispositivos mecá nicos. los relés de sobrefrecuencia pueden alertar al operador. los dispositivos gobernantes protegerá n la unidad de la sobrevelocidad.

 Baja frecuencia: El funcionamiento a frecuencia reducida debe ser a kVA reducido. La baja frecuencia es una condició n del sistema que afecta a la turbina má s que al generador. La turbina es má s susceptible debido a las tensiones mecá nicas resonantes que se desarrollan como resultado de las desviaciones de la velocidad sincró nica. El despojo de la carga del sistema se considera la protecció n primaria de subfrecuencia de la turbina La cantidad de despojo de la carga varía segú n las regiones de coordinació n y las empresas de servicios pú blicos individuales, pero varía entre el 25 y el 75% de la carga del sistema. Se requiere una protecció n adicional para evitar dañ os en la turbina de vapor. Para que la unidad esté disponible para el reinicio, es deseable disparar la turbina para evitar dañ os. Esta acció n en sí misma se considera como una ú ltima línea de defensa y seguramente causará un apagó n en el á rea.

4.2.7. Pérdida de sincronismo: La principal diferencia en los requisitos de protecció n entre los motores de inducció n y los motores síncronos es el efecto del sistema de excitació n. La pérdida de sincronismo de un motor síncrono es la resultado de una baja excitació n exactamente como con el generador síncrono.

4.2.8. Pérdida de excitació n: Cuando un generador síncrono pierde la excitació n funciona como un generador de inducció n que funciona a una velocidad superior a la del síncrono y el sistema proporciona el apoyo reactivo necesario. Los generadores de polos salientes, que se utilizan comú nmente con las má quinas hidrá ulicas, tienen un bobinado tan amortiguado y no tienen el problema. Sin embargo, ademá s del sobrecalentamiento, tanto las má quinas síncronas de polo saliente como las de rotor redondo requieren un nivel mínimo de excitació n para

mantenerse estables en todo su rango de carga.

La típica curva de capacidad del generador, có mo los varios límites asociados con la sobre y la subexcitació n. El fabricante del generador suministra todas las características de temperatura que se muestran en la figura

có mo varía la impedancia con la pérdida de excitació n para varios tamañ os de sistemas. A pesar de la complejidad del fenó meno y de la variació n de las condiciones, el resultado final es sorprendentemente simple. Dado que la impedancia final se encuentra en el cuarto cuadrante del diagrama R-X, cualquier característica del relé que inicie una acció n en este cuadrante es aplicable. Figura

En casi todos los casos, se proporciona una alarma en el lugar de la oscilació n de la impedancia para que el operador pueda tomar la medidas correctivas apropiadas. Si esto es seguido por un viaje después de un retraso de tiempo o un mayor avance en el camino de oscilació n es una decisió n de la utilidad.

4.2.9. Energizació n inadvertida: Un error comú n y catastró fico que se ha notificado muchas veces consiste en el cierre inadvertido de interruptores o conmutadores de alta tensió n mientras una unidad está en

marcha o a cierta velocidad inferior a la velocidad sincró nica.

Cuando se energiza de esta manera, si se ha aplicado field, el generador se comporta como un motor sincró nico o un generador mal sincronizado. El resultado puede destruir el eje u otro elemento giratorio. Hay varias causas para esta conmutació n incorrecta. En este caso se puede utilizar la misma protecció n prevista para la puesta en marcha. Algunas empresas de servicios pú blicos utilizan circuitos de protecció n dedicados que se activan cuando la unidad se pone fuera de servicio.

4.2.10. Vibració n torsional: El potencial de dañ o del eje puede ocurrir por una variedad de eventos del sistema eléctrico. Ademá s de los cortocircuitos o la mala sincronizació n, los estudios han indicado que la resonancia subsíncrona o el reenganche automá tico, en particular el reenganche a alta velocidad, pueden producir oscilaciones de par que provoquen fatiga y eventuales dañ os.

4.2.11. Conexiones de bobinas: La mayoría de las má quinas tienen conexiones de estrella (wye). Así que tres relés que está n conectados a las CT conectadas a la estrella proporcionan protecció n tanto de fase como de tierra. como se muestra en la figura

Con los devanados conectados en delta no hay conexió n a tierra y las corrientes de fase difieren de las corrientes de los devanados por √3 y un cambio de fase de 30◦. Hay que tener cuidado de obtener la corriente correcta flow, como se muestra en la figura

De manera similar, los bobinados de fase dividida pueden ser protegidos, como

se muestra en la figura

Si la conexió n neutra se hace dentro de la má quina y só lo el cable neutro es de la Tierra, los relés diferenciales só lo pueden ser proporcionados para fallas en tierra, como se muestra en la figura

4.2.12. Disparos secuenciales: El propó sito del disparo secuencial de un generador síncrono es minimizar la posibilidad de dañ ar la turbina como resultado de una condició n de sobrevelocidad que se produzca tras la apertura de los interruptores del generador. El disparo secuencial se logra activando el motor principal antes de activar el generador y los interruptores de field. Los relés de potencia inversa, los interruptores de presió n y/o los interruptores de límite de las vá lvulas se utilizan para determinar que la entrada de vapor se ha eliminado y luego para completar la secuencia de disparo. El disparo secuencial es esencial porque la sobrevelocidad de la turbina es una condició n de funcionamiento má s dañ ina que la de los motores.

4.3. PROTECCIÓ N DEL TRANSFORMADOR: Las fallas de los transformadores, es decir, los cortocircuitos, son el resultado de fallas eléctricas internas, siendo la má s comú n la falla de fase a tierra. Algo menos comunes son las fallas de giro a giro. A diferencia de una línea de transmisió n, la extensió n física de un transformador está limitada al interior de una subestació n, y por consiguiente la retransmisió n diferencial, la forma má s deseable de protecció n disponible, puede utilizarse para proteger los transformadores. En general, un transformador puede estar protegido por fusibles, relés de sobrecorriente, relés diferenciales y relés de presió n, y se puede vigilar para detectar problemas incipientes con la ayuda de mediciones de la temperatura del devanado y aná lisis químicos del gas por encima del aceite aislante. Cuá l de ellos se utilizará en un caso dado depende de varios factores como: Tamañ o del transformador, ubicació n y funció n, voltaje, conexió n y diseñ o.

4.3.1. Protecció n contra sobrecorrientes: Como en todas las aplicaciones de protecció n con relés de sobrecorriente, los fallos externos o las corrientes de carga de estado permanente deben distinguirse de las corrientes producidas por los fallos internos. El efecto de los fallos externos que no se eliminan rá pidamente, o de las cargas pesadas de estado estacionario, es el sobrecalentamiento de los bobinados del transformador y la degradació n del aislamiento.

 Protecció n con fusibles: No se utilizan fusibles para proteger los transformadores con capacidades superiores a 2.5 MVA. La filosofía bá sica utilizada en la selecció n de fusibles para el lado de alta tensió n de un transformador de potencia es similar a la utilizada en otras aplicaciones de fusibles. Claramente, la capacidad de interrupció n del fusible debe exceder la má xima corriente de cortocircuito que el fusible será llamado a interrumpir. La capacidad continua del fusible debe exceder la carga má xima del transformador. Típicamente, la capacidad del fusible debe ser superior al 150% de la carga má xima. La característica de fusió n mínima del fusible debe estar coordinada con (es decir, debe estar bien separada de) los dispositivos de protecció n en el lado inferior del transformador de potencia.

 Relés de sobrecorriente con retardo de tiempo: La protecció n contra la sobrecarga excesiva, o la falla externa persistente, es proporcionada por los relés de sobrecorriente con retardo de tiempo. El ajuste de la captació n suele ser el 115% de la sobrecarga má xima aceptable. Los relés de sobrecorriente con retardo de tiempo deben coordinarse con los dispositivos de protecció n del lado inferior. Estos pueden incluir relés de bus de bajo voltaje para fallos de fase a fase, relés direccionales de fase en transformadores paralelos y los temporizadores del relé de fallo de los

interruptores de bajo voltaje. Como se muestra en la figura 8.2, el dial de tiempo seleccionado para el relé debe coordinarse con los relés de sobrecorriente Rab y Rac, que protegen los alimentadores en el lado de baja tensió n.

 Relés instantá neos: Hay varias limitaciones impuestas al uso de los relés instantá neos; algunas de ellas dependen del diseñ o del relé. En todos los casos, por supuesto, el relé no debe funcionar en caso de afluencia, o para fallas en el lado inferior. La corriente magnetizadora pico en un transformador puede ser tan alta como 8-10 veces la corriente pico de carga completa. Dado que el relé verá fallos en el lado de baja, uno debe considerar estos fallos cuando estén totalmente compensados.

4.3.2. Porcentaje de protecció n diferencial: Considere el transformador de potencia monofá sico de dos bobinas que se muestra en la figura 8.3. Durante el funcionamiento normal del transformador, la suma algebraica de los amperios-vueltas de los devanados primario y secundario debe ser igual al MMF requerido para configurar el flux de trabajo en el nú cleo del transformador. si se desarrolla una falla interna, esta condició n ya no es satisfied, y la diferencia de ils y i2s se hace mucho mayor; de hecho, es proporcional a la corriente de falla. La diferencia current: Id = i1s - i2s proporciona una medida altamente sensible de la corriente de falla. Si se conecta un relé de sobrecorriente como se muestra en la figura, proporcionará una excelente protecció n para el transformador de potencia. Hay que considerar varias cuestiones prá cticas antes de que se pueda poner en prá ctica un relé diferencial viable: En primer lugar, puede que no sea posible obtener las proporciones de TC en el lado primario y el secundario que satisfagan la condició n N1n1 = N2n2. En segundo lugar, los errores de transformació n de los dos TC pueden diferir entre sí, lo que lleva a significant una corriente diferencial cuando hay una carga normal flow, o una falla externa. Finalmente, si el transformador de potencia está equipado con un cambiador de tomas, introducirá un cambio en la relació n del transformador principal cuando se cambien las tomas.

Un relé diferencial de porcentaje proporciona una excelente solució n a este problema. En un relé de diferencial de porcentaje, la corriente diferencial debe superar un porcentaje fixed de la corriente "pasante" en el transformador. La corriente pasante es defined como el promedio de las corrientes primaria y secundaria: ir =( i1s + i2s)/ 2 La corriente (ir) se conoce como corriente de retenció n - un nombre que proviene del diseñ o de los relés electromecá nicos, donde esta corriente producía un par de retenció n en el disco mó vil, mientras que la corriente diferencial producía el par de funcionamiento. El relé funciona cuando: id ≥ K*ir K: pendiente de la característica diferencial porcentual. El relé tiene un pequeñ o ajuste de corriente de captació n, es decir, el relé no funciona a menos que la corriente diferencial esté por encima de este valor de captació n. El ajuste de captació n suele ser muy bajo: los valores típicos son 0,25 A secundarios. Esto explica cualquier error residual del TC a valores bajos de corriente de carga del transformador.

 Causas de las falsas corrientes diferenciales: ciertos otros fenó menos causan una corriente diferencial sustancial a flow, cuando no hay ninguna falla, y estas falsas corrientes diferenciales son generalmente sufficient para causar que un relé diferencial porcentual se dispare, a menos que se tomen algunas precauciones especiales. 1. Magnetizando la corriente de entrada durante la energizació n: Considere la aproximació n de dos pendientes de una característica magnetizante que se muestra en la figura (a). A medida que los enlaces de flux van por encima del punto de saturació n de la rodilla, se extrae una corriente mucho mayor de la fuente. La magnitud de esta corriente está determinada por la pendiente de la característica magnetizante en la regió n saturada, y por la inductancia de fuga del transformador.

Debe quedar claro que en la mayoría de los transformadores modernos son posibles corrientes de entrada muy grandes, dependiendo del instante de energizació n, y el remanente flux

en el nú cleo del transformador. Dado que la corriente de irrupció n flows só lo en el primario y no en el secundario del transformador, está claro que produce una corriente diferencial que es el 200% de la corriente de retenció n, y causaría una operació n falsa.

2. Contenido armó nico de la corriente de irrupció n: Dejemos que la característica magnetizante sea una línea vertical en el plano V-i, y que sea una línea recta con una pendiente finite en la regió n saturada Esto hace que la forma de onda actual de la Figura(a) adquiera la forma que se muestra en la Figura Como veremos en breve, el funcionamiento falso de un relé diferencial porcentual para un transformador se evita aprovechando el hecho de que la corriente de irrupció n es rica en componentes armó nicos, mientras que la corriente de falla es un componente de frecuencia fundamental pura (excepto un posible componente de CC en descomposició n). La magnitud relativa de varios componentes armó nicos con respecto a la tabla frontal de componentes de frecuencia fundamental hasta el 13º armó nico, y para los á ngulos de saturació n de 60◦,90◦ y 120◦.

3.La irrupció n magnetizante durante la eliminació n de la falla: A medida que el voltaje aplicado a los devanados del transformador salta de un valor bajo de pre-falla al valor normal (o mayor) de post-falla, los enlaces de flux en el nú cleo del transformador se ven obligados una vez má s a cambiar de un valor bajo de pre-falla a un valor cercano al normal. Dependiendo del instante en que se elimine la falla, la transició n puede forzar un desfase de CC en los enlaces de flux, y se producirían formas de onda de corriente primaria similares a las que se encuentran durante la energizació n. Cabe señ alar que, como no hay ningú n remanente de flux en el nú cleo durante este proceso; la irrupció n es en general menor que la que se produce durante la energizació n del transformador.

4. Sobreexcitació n del transformador: Durante la sobreexcitació n, el transformador flux permanece simétrico, pero entra en saturació n durante períodos iguales en los medios períodos positivos y negativos de la forma de onda. Esta condició n se ilustra en la figura

5. Saturació n de la TC: Para ciertas fallas externas, donde las corrientes de falla son grandes, es probable que uno de los CTs se sature. La forma de onda de corriente resultante de esa bobina secundaria de la TC se muestra en la figura. La corriente diferencial en el relé será entonces igual al á rea sombreada, que es la diferencia entre la forma de onda de la corriente no saturada y la forma de onda de la corriente saturada.

 Relés diferenciales supervisados: Dejar dentro o alrededor del transformador desensibilizar (o desactivar) el relé diferencial durante la energizació n es una prá ctica deficiente, ya que es precisamente durante la energizació n inicial del transformador, cuando el transformador está first energizado, o puede que se hayan realizado algunos trabajos de reparació n en el transformador, cuando éste necesita protecció n. Esto es para asegurar que el trabajo de reparació n se ha completado con éxito, y no hay herramientas de mantenimiento inadvertidas. El método que se utiliza actualmente en los grandes transformadores se basa en la utilizació n de la caracterizació n armó nica de las corrientes de irrupció n y de sobreexcitació n. La corriente diferencial es casi puramente sinusoidal cuando el transformador tiene una falla interna, mientras que está llena de armó nicos cuando la corriente de irrupció n magnetizante está presente, o cuando el transformador está sobreexcitado. Por lo tanto, la corriente diferencial es filtered con filters sintonizada con un conjunto apropiado de armó nicos, y la salida de la filters es

usado para restringir el relé diferencial. Una funció n de restricció n armó nica que utilice todos los armó nicos para la restricció n puede estar en peligro de evitando un disparo por una falla interna si los TC se saturan, los TC saturados producen un tercer armó nico predominante en la corriente. Se debe tener cuidado para asegurarse de que el

tercer componente armó nico producido en una corriente secundaria saturada de TC durante una falla interna no es de magnitud sufficient para bloquear el disparo del relé diferencial. Algunos relés modernos utilizan armó nicos de segundo y fifth para la restricció n, de modo que el relé no se dispara por irrupció n y sobreexcitació n, pero no se bloquea el disparo por fallas internas con saturació n de TC.

4.3.3. Protecció n de transformador trifá sico: En condiciones de carga normal, las corrientes en los devanados primario y secundario está n en fase, pero las corrientes de línea en los lados de la estrella y delta del transformador trifá sico está n desfasadas en 300 . Este desplazamiento de fase provoca una corriente diferencial estacionaria, incluso cuando se tiene en cuenta correctamente la relació n de giro del transformador principal. La solució n es que los transformadores de corriente del lado de la estrella del transformador de potencia estén conectados en delta, y los transformadores de corriente del lado de la estrella del transformador de potencia estén conectados en estrella. también es necesario ajustar las relaciones de giro de los TC para que la conexió n delta en el lado de la estrella del transformador de potencia produzca corrientes de relé que se correspondan numéricamente con las corrientes de relé producidas por los TC conectados en la estrella. Por lo tanto, las corrientes de los devanados de los TC en delta deben ser (1/√3) veces las corrientes de los TC en estrella. Cabe señ alar que los TC del lado de la estrella del transformador de potencia está n conectados de tal manera que las corrientes en los relés está n exactamente en fase, y corrientes muy pequeñ as flow en los bobinados diferenciales de los tres relés en condiciones normales. Las corrientes se calculan prestando la debida atenció n a las marcas de polaridad en las bobinas de CT.

4.3.4. Protecció n de transformador multi-bobina: transformadores trifá sicos, consideraciones similares se aplican también a los transformadores monofá sicos. Considere el transformador de tres bobinas que se muestra en la figura . Se supone que un bobinado está conectado en triá ngulo, mientras que los otros dos está n conectados en estrella.

Por supuesto, los CT deben estar conectados en el lado delta y en el lado delta del transformador de energía. Las relaciones CT se eligen de manera que cuando dos bobinas cualesquiera está n en servicio, se producen corrientes secundarias iguales. Es interesante observar que bajo ciertas condiciones un relé diferencial de dos bobinas puede utilizarse para proteger un transformador de tres bobinas. Si el transformador está conectado a una fuente só lo en un lado, los otros dos transformadores de dos devanados podrían ponerse en paralelo para producir una corriente secundaria neta, que luego puede utilizarse en un esquema de protecció n de dos devanados.

4.3.5. Protecció n de voltios por hertzios: Los nú cleos de los transformadores está n normalmente sujetos a niveles de flux que se acercan al punto de la rodilla en su característica magnetizante. Típicamente, el voltaje nominal a la frecuencia nominal puede estar un 10% por debajo del nivel de saturació n. Si el nú cleo flux superara el nivel de saturació n, los patrones de flux en el nú cleo y la estructura circundante cambiarían, y significant flux se podrían alcanzar niveles en el tanque del transformador y en otros miembros estructurales. Como éstos no está n laminados, es probable que se produzcan corrientes de remolino muy altas, lo que produciría graves dañ os en el transformador.

Como el flux es proporcional al voltaje, e inversamente proporcional a la frecuencia de funcionamiento, la cantidad de retransmisió n del significant es la relació n entre el voltaje por unidad y la frecuencia por unidad.

En la figura se muestra una curva de capacidad típica. Los relés de muchos voltios/hertz tienen dos ajustes, uno má s bajo para la alarma y otro má s alto que puede usarse para el disparo.

4.3.6. Protecció n no eléctrica:  Dispositivos de presió n: Una forma muy sensible de protecció n de los transformadores es la que proporcionan los relés basados en un principio mecá nico de funcionamiento : Cuando se produce una falla dentro de un tanque transformador de aceite-filled, el arco de falla produce gases, que crean ondas de presió n dentro del aceite. En la construcció n de tanques del tipo "conservador", que es má s comú n en Europa, la onda de presió n creada en el petró leo es detectada por una paleta de presió n en la tubería que conecta el tanque transformador con el conservador. El movimiento de la veleta es detectado por un microinterruptor, que puede usarse para hacer sonar una alarma o disparar el transformador. Este tipo de relé se conoce como un relé Buchholz, llamado así por su inventor. En presencia de los relés de presió n de gas, los relés diferenciales pueden hacerse menos sensibles. De hecho, se puede intentar volver a cerrar en aquellos fallos que causan el funcionamiento del relé diferencial, pero no del relé de presió n.

 Dispositivos de temperatura: Los dispositivos de temperatura activan las alarmas a una central de despacho office, para alertar a los operadores, que pueden descargar el transformador a distancia abriendo el disyuntor, o pueden despachar a un operador a la estació n. Los sensores de punto caliente también se utilizan comú nmente para poner en marcha y detener ventiladores y bombas de refrigeració n. En casos extremos, cuando no es posible retirar la carga a distancia, o

enviar a un operador a la estació n, una alarma extremadamente alta disparará el banco.

4.4. INTRODUCCIÓ N A LA PROTECCIÓ N DE AUTOBUSES: La protecció n del bus ha sido la protecció n má s difficult implementada debido a la severidad de una operació n incorrecta en la integridad del sistema. Un bus es uno de los elementos má s críticos del sistema. Es el punto de conexió n de una variedad de elementos y un nú mero de líneas de transmisió n, y cualquier operació n incorrecta causaría la pérdida de todos estos elementos. Esto tendría el mismo efecto desastroso que un gran nú mero de fallos simultá neos. Sin embargo, sin la protecció n del bus, si se produce un fallo en el bus, los terminales remotos de las líneas deben dispararse. En efecto, esto podría crear una situació n peor que la pérdida de todos los elementos en el propio autobú s por dos razones: 1. La pérdida de los extremos remotos también resultará en la pérdida de cargas intermedias. 2. A medida que los sistemas se hacen má s fuertes, es cada vez má s difficult para que los extremos remotos vean todas las fallas debidas a las entradas. El principal problema de la protecció n del bus ha sido la saturació n desigual del nú cleo de los transformadores de corriente (TC). Esta saturació n desigual del nú cleo se debe a la posible gran variació n de la magnitud de la corriente y del residuo flux en los transformadores individuales utilizados en el sistema. En particular, en el caso de una falla externa cercana, un TC recibirá la contribució n total del bus mientras que los otros TC só lo verá n la contribució n de las líneas individuales. El requisito bá sico es que el esquema total proporcione el grado de selectividad necesario para diferenciar entre una falla interna y una externa. 

La protecció n de los autobuses de las subestaciones se logra casi universalmente mediante la retransmisió n diferencial.

La retransmisió n diferencial con relés de sobrecorriente requiere conectar los TC en cada fase de cada circuito en paralelo con un relé de sobrecorriente para esa fase como figura  



Cuando las condiciones son normales, el puente está equilibrado y no hay corriente flows a través de la bobina de funcionamiento del relé. Cuando se produce un fallo externo, si todos los TC reproducen la corriente primaria con precisió n, el puente se equilibra como en el caso normal y no hay corriente flows en la bobina de funcionamiento del relé. Cuando se produce una falla interna, este equilibrio, como es de esperar, también se interrumpe y la corriente flows a través de la

bobina de funcionamiento.

Para minimizar las posibles operaciones incorrectas, el relé de sobreintensidad puede ajustarse de forma menos sensible y/o con retraso de tiempo.

es comú n utilizar un relé diferencial de porcentaje. Estos relés tienen circuitos de restricció n y funcionamiento como se muestra en la figura Só lo se requiere una bobina de funcionamiento por fase, pero es necesario un bobinado de restricció n para cada fase de cada circuito. La corriente necesaria para hacer funcionar el relé es proporcional a la corriente flowing en los bobinados de sujeció n.

Incluso con el uso de relés diferenciales de porcentaje, el problema de la TC completamente saturada para un fallo externo cercano sigue existiendo. Para superar este problema, el relé diferencial de bus má s comú nmente usado, particularmente en los autobuses de voltaje extra alto (EHV), es el relé diferencial de voltaje de alta impedancia. Este diseñ o del relé evita los efectos de la saturació n del TC durante las fallas externas asumiendo la saturació n completa para la peor falla externa y calculando el voltaje de error a través de la bobina de operació n. La conexió n de este relé es la misma que se muestra en la figura El circuito L-C en serie con el relé de sobretensió n está sintonizado a 60 Hz para evitar que el relé de sobretensió n funcione mal con la compensació n de CC o los armó nicos.  Comparació n direccional: hay un nú mero de relés direccionales que pueden comparar la direcció n de la corriente flow en cada circuito conectado al bus. Si la corriente flow en uno o má s circuitos está alejada del bus, existe una falla externa. Si la corriente flow en todos los circuitos está dentro de la barra, existe una falla interna en la barra. El temporizador es necesario para proporcionar la coordinació n de los contactos. Dado que todos los relés direccionales está n conectados en serie, es esencial que todos ellos tengan la oportunidad de cerrarse antes de

que se inicie una señ al de disparo. particularmente en las corrientes de falla de alta magnitud. La aplicació n y los ajustes del relé deben ser revisados siempre que se hagan cambios en el sistema cerca del bus protegido.

 Protecció n diferencial parcial: Las figuras muestran una variedad de autobú s configurations que tienen un impacto significant en las conexiones y ajustes del diferencial de autobú s.

5. LA RETRANSMISIÓ N PARA EL RENDIMIENTO DEL SISTEMA El objetivo tradicional de los dispositivos de protecció n es proteger el equipo del sistema de energía. Esto se logra detectando un fallo o un funcionamiento indeseable y tomando medidas correctivas que en la mayoría de los casos implican disparar los disyuntores apropiados. Es también reconocer que la fuerza inherente del sistema de energía es la mejor defensa contra los fallos catastró ficos. Sin embargo, si el sistema ya está estresado por cualquier razó n, como por ejemplo, cortes de equipo, cargas má s pesadas de lo normal, clima extremo, etc., esta acció n correctiva puede exacerbar la situació n y dar lugar a cortes en á reas amplias. Como ya se ha mencionado, un esquema de protecció n convencional está dedicado a un equipo specific (línea, transformador, generador, barra colectora, etc.). Sin embargo, debe desarrollarse un concepto diferente que se aplique al sistema de energía en general o a una parte estratégica del mismo a fin de preservar la estabilidad del sistema, mantener la conectividad general del sistema y/o evitar dañ os graves al equipo durante eventos importantes. Para proteger la integridad del sistema de energía o partes estratégicas del mismo, a diferencia de los sistemas de protecció n convencionales que se dedican a los elementos del sistema de energía specific. Típicos de tales esquemas son: 1. desprendimiento de la carga de baja frecuencia 2. despojo de la carga de subtensió n 3. tropiezos y bloqueos fuera de paso 4. mitigació n de la congestió n 5. Control del compensador está tico de vá rices (SVC)/compensador está tico (STATCOM) 6. frenado diná mico 7. el funcionamiento del generador... 8. arranque negro de las turbinas de gas 9. separació n del sistema.