Generalidades de Las Protecciones Eléctricas

UNIDAD I.- GENERALIDADES DE LAS PROTECCIONES ELÉCTRICAS Y ANÁLISIS DE ANORMALIDADES.

Profesor: Rodr igo Del Canto Canto

ASIGNATURA: Protecciones Eléctricas en Media y Alta Tensión PROFESOR: Rodrigo Del Canto

Unidad I

Tabla de Contenidos TABLA DE CONTENIDOS.............. CONTENIDOS........................... ........................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................. ............................. .........................1 ...........1 CAPÍTULO 1 PROTECCIONES PROTECCIONES ELÉCTRICAS ELÉCTRICAS............. ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ............................. ................... ....22 1.1 I NTRODUCCIÓN Y DEFINICIONES ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .........................2 ...........2 1.1.1 Modelo Modelo conceptual de un sistema genérico de medida y control ..................... .......... ........... ........... ........... ..................... .......... ........... 3 1.1.2 Que es un Relé?...................................... Relé?................................................... ........................... ............................ ........................... ............................ ............................. ............................ .................. .... 5 1.2 CONDICIONES A NORMALES DE UN SISTEMA DE POTENCIA ........................... ......................................... ............................ ........................... ...........................6 ..............6 1.2.1 Cortocircuito Cortocircuito ........................... ........................................ ........................... ............................ ............................ ........................... .......................... ........................... ............................ ..................... ....... 6 1.2.2 Sobrecarga Sobrecarga ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ .......................... ........................... ............................. .................... ...... 7 1.2.3 Sobrevoltaje................ Sobrevoltaje.............................. ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 7 1.2.4 Infravoltaje Infravoltaje ............................ .......................................... ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 8 1.2.5 Sobrefrecuen Sobrefrecuencias cias ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... .......................... ............................9 ..............9 1.2.6 Subfrecuencia Subfrecuencias................. s............................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... .......................... ............................9 ..............9 1.2.7 Fase Abierta Abierta ........................... ......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ ................... ..... 10 1.2.8 Desbalance Desbalance de fases.............. fases............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ........................... ........................... ..................... ....... 10 1.2.9 Oscilaciones Oscilaciones de Potencia.......... Potencia........................ ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ .................. .... 11 1.3 CONCEPTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................11 ..............11 1.3.1 El Concepto Concepto de Zona de Protección Protección ........................... ......................................... ............................ ........................... ........................... ............................. ........................ ......... 11 1.3.2 El Concepto de Protección de Respaldo........... ........... ........... ........... ..................... .......... ........... ........... ........... ............. .......... ... 12 1.3.3 Principios Principios de un sistema sistema de protecciones........... protecciones........................ ........................... ........................... ........................... ........................... .......................... .................... ....... 13

1.3.3.1 Confiabilidad ........................................................ ..................................................................................... ............................................................ ............................................................ ....................................13 .......13 1.3.3.2 Selectividad ......................................................... ...................................................................................... ............................................................. ............................................................. ....................................13 .......13 1.3.3.3 Velocidad................................................. Velocidad.............................................................................. .......................................................... .......................................................... ...................................................13 ......................13 1.3.3.4 Sensibilidad ........................................................... ......................................................................................... ........................................................... .......................................................... ....................................14 .......14 1.3.3.5 Economía....................................... Economía.................................................................... .......................................................... ........................................................... ........................................................... ...............................14 ..14

1.4 COMPONENTES DE UNA PROTECCIÓN ELÉCTRICA ........................... ......................................... ............................ ............................ ........................... .........................14 ............14

CAPÍTULO 2 RELÉS Y TIPOS DE RELÉS ......................... ....................................... ........................... ........................... ........................... ........................... ...........................16 .............16 2.1 TIPOS DE R ELÉS ........................................ ........................... ..........................16 ............16 ELÉS DE ACUERDO A SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ........................... 2.1.1 Relés de Inducción............ Inducción.......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 16

2.1.1.1 Tipos de estructuras de accionamiento ...................................................... .................................................................................. ......................................................... ...............................18 ..18 2.1.2 Relés de Atracción Atracción de Armadura...................... Armadura................................... ........................... ............................ ........................... ........................... .......................... ..................... ......... 26

2.1.2.1 Razón de Reposición ....................................................... ................................................................................... ........................................................... .........................................................30 ..........................30 2.1.2.2 Tipos Constructivos.................................................... Constructivos................................................................................. ........................................................... ........................................................... ...............................31 ..31 2.1.3 Relés de Bobina Móvil.............................. Móvil........................................... ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ ................ .. 32 2.1.4 Relés Térmicos.......... Térmicos........................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ........................... ............................ ............................. .................. .... 35 2.1.5 Relés Mecánicos Mecánicos .......................... ........................................ ........................... ........................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................35 ..............35

2.1.5.1 Relés de sobre velocidad ...................................................... .................................................................................. .......................................................... ....................................................35 ......................35 2.1.5.2 Relé de Buchholz B uchholz y de presión súbita ...................................................... .................................................................................... ........................................................... ...............................35 ..35 2.1.6 Relés estáticos estáticos ............................ ......................................... ........................... ............................ ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ ................ .. 38 2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS RELÉS DE ACUERDO A SU FUNCIÓN ........................... ......................................... ............................ ........................... .........................42 ............42 2.2.1 Numeración Numeración y sufijos ANSI/IEEE ANSI/IEEE ........................... ........................................ ........................... ............................ ........................... .......................... ........................... ................ .. 43

2.2.1.1 Letras y sufijos de las funciones descritas ...................................................... .................................................................................. ......................................................47 ..........................47

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Unidad I

Tabla de Contenidos TABLA DE CONTENIDOS.............. CONTENIDOS........................... ........................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................. ............................. .........................1 ...........1 CAPÍTULO 1 PROTECCIONES PROTECCIONES ELÉCTRICAS ELÉCTRICAS............. ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ............................. ................... ....22 1.1 I NTRODUCCIÓN Y DEFINICIONES ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .........................2 ...........2 1.1.1 Modelo Modelo conceptual de un sistema genérico de medida y control ..................... .......... ........... ........... ........... ..................... .......... ........... 3 1.1.2 Que es un Relé?...................................... Relé?................................................... ........................... ............................ ........................... ............................ ............................. ............................ .................. .... 5 1.2 CONDICIONES A NORMALES DE UN SISTEMA DE POTENCIA ........................... ......................................... ............................ ........................... ...........................6 ..............6 1.2.1 Cortocircuito Cortocircuito ........................... ........................................ ........................... ............................ ............................ ........................... .......................... ........................... ............................ ..................... ....... 6 1.2.2 Sobrecarga Sobrecarga ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ .......................... ........................... ............................. .................... ...... 7 1.2.3 Sobrevoltaje................ Sobrevoltaje.............................. ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 7 1.2.4 Infravoltaje Infravoltaje ............................ .......................................... ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 8 1.2.5 Sobrefrecuen Sobrefrecuencias cias ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... .......................... ............................9 ..............9 1.2.6 Subfrecuencia Subfrecuencias................. s............................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... .......................... ............................9 ..............9 1.2.7 Fase Abierta Abierta ........................... ......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ ................... ..... 10 1.2.8 Desbalance Desbalance de fases.............. fases............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ........................... ........................... ..................... ....... 10 1.2.9 Oscilaciones Oscilaciones de Potencia.......... Potencia........................ ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ .................. .... 11 1.3 CONCEPTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................11 ..............11 1.3.1 El Concepto Concepto de Zona de Protección Protección ........................... ......................................... ............................ ........................... ........................... ............................. ........................ ......... 11 1.3.2 El Concepto de Protección de Respaldo........... ........... ........... ........... ..................... .......... ........... ........... ........... ............. .......... ... 12 1.3.3 Principios Principios de un sistema sistema de protecciones........... protecciones........................ ........................... ........................... ........................... ........................... .......................... .................... ....... 13

1.3.3.1 Confiabilidad ........................................................ ..................................................................................... ............................................................ ............................................................ ....................................13 .......13 1.3.3.2 Selectividad ......................................................... ...................................................................................... ............................................................. ............................................................. ....................................13 .......13 1.3.3.3 Velocidad................................................. Velocidad.............................................................................. .......................................................... .......................................................... ...................................................13 ......................13 1.3.3.4 Sensibilidad ........................................................... ......................................................................................... ........................................................... .......................................................... ....................................14 .......14 1.3.3.5 Economía....................................... Economía.................................................................... .......................................................... ........................................................... ........................................................... ...............................14 ..14

1.4 COMPONENTES DE UNA PROTECCIÓN ELÉCTRICA ........................... ......................................... ............................ ............................ ........................... .........................14 ............14

CAPÍTULO 2 RELÉS Y TIPOS DE RELÉS ......................... ....................................... ........................... ........................... ........................... ........................... ...........................16 .............16 2.1 TIPOS DE R ELÉS ........................................ ........................... ..........................16 ............16 ELÉS DE ACUERDO A SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ........................... 2.1.1 Relés de Inducción............ Inducción.......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 16

2.1.1.1 Tipos de estructuras de accionamiento ...................................................... .................................................................................. ......................................................... ...............................18 ..18 2.1.2 Relés de Atracción Atracción de Armadura...................... Armadura................................... ........................... ............................ ........................... ........................... .......................... ..................... ......... 26

2.1.2.1 Razón de Reposición ....................................................... ................................................................................... ........................................................... .........................................................30 ..........................30 2.1.2.2 Tipos Constructivos.................................................... Constructivos................................................................................. ........................................................... ........................................................... ...............................31 ..31 2.1.3 Relés de Bobina Móvil.............................. Móvil........................................... ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ ................ .. 32 2.1.4 Relés Térmicos.......... Térmicos........................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ........................... ............................ ............................. .................. .... 35 2.1.5 Relés Mecánicos Mecánicos .......................... ........................................ ........................... ........................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................35 ..............35

2.1.5.1 Relés de sobre velocidad ...................................................... .................................................................................. .......................................................... ....................................................35 ......................35 2.1.5.2 Relé de Buchholz B uchholz y de presión súbita ...................................................... .................................................................................... ........................................................... ...............................35 ..35 2.1.6 Relés estáticos estáticos ............................ ......................................... ........................... ............................ ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ ................ .. 38 2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS RELÉS DE ACUERDO A SU FUNCIÓN ........................... ......................................... ............................ ........................... .........................42 ............42 2.2.1 Numeración Numeración y sufijos ANSI/IEEE ANSI/IEEE ........................... ........................................ ........................... ............................ ........................... .......................... ........................... ................ .. 43

2.2.1.1 Letras y sufijos de las funciones descritas ...................................................... .................................................................................. ......................................................47 ..........................47

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Unidad I

Capítulo Capítulo 1 Prot Prot ecciones eccio nes Eléctr Eléctricas icas 1.1 1.1 Introdu cció n y Definici Definici ones Con el incremento de la dependencia de la energía eléctrica, en el desarrollo de los países, la necesidad de alcanzar un nivel aceptable de confiabilidad, calidad y seguridad a un precio económico se vuelve cada vez más importante. Es prioridad de un sistema de potencia, es haber sido bien diseñado y apropiadamente mantenido para limitar el número de fallas que podrían ocurrir. Parte de este “buen diseño” es un adecuado sistema de protecciones eléctricas. Un sistema eléctrico de potencia (SEP) no sólo debe ser capaz de suministrar la demanda actual, sino que también debe tener la flexibilidad suficiente para satisfacer demandas futuras. Un SEP está diseñado para generar energía eléctrica en cantidades suficientes, para satisfacer las demandas presentes y futuras estimadas de los usuarios en un área en particular, para transmitirla a las áreas donde se va a utilizar y luego distribuirla dentro de esa área, en una forma continua. Para asegurar la máxima rentabilidad de la gran inversión en el equipamiento, que se va a hacer en el sistema de poder y mantener a los usuarios satisfechos con un servicio confiable, todo el sistema se debe mantener en operación continua, sin interrupciones importantes. Esto se puede lograr de dos maneras: 

La primera es implementar un sistema de adopción de componentes, que no debe fallar y requiere mantenimiento mínimo o nulo, para mantener la continuidad del servicio, es decir, se debe seleccionar todos los componentes con confiabilidades lo suficientemente altas como para prevenir las fallas. Por sentido común, la aplicación de este sistema no es ni económico, ni factible, a excepción de pequeños sistemas.

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La segunda opción es prever los posibles efectos o fallas que pueden provocar a largo plazo la caída de un sistema, que a su vez pueden tomar más tiempo para llevar el sistema a su curso normal. La idea principal es restringir los disturbios ocurridos durante estos fallos a un área limitada y continuar con la distribución de energía en el resto de las zonas. Normalmente se instala equipo especial para detectar este tipo de defectos (también llamado 'fallas'), que pueden suceder en diferentes secciones de un sistema, y aislar las secciones defectuosas para que la interrupción, que puede abarcar diversas áreas, se limite a un área localizada del total del sistema. Los equipos especiales adoptados para detectar posibles fallos se conocen como "equipo de protección o de relés de protección” y el sistema que utiliza este equipamiento se denomina “sistema de protección”.

Un relé de protección es el dispositivo, que da instrucciones para desconectar una pieza defectuosa del sistema. Esta acción garantiza que el sistema restante sigue siendo alimentado con energía, y de esta forma se protege el sistema de daños mayores, debido a la falla. Por lo tanto, el uso de aparatos de protección es muy necesario en los sistemas eléctricos, para generar, transmitir y distribuir la energía con menores interrupciones y tiempo de restauración. Puede reconocerse que el uso de equipos de protección es vital para minimizar los efectos de las fallas, que de otro modo puede abarcar a todo un sistema.

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Unidad I

1.1. 1.1.1 1 Modelo Modelo co nceptual de un si stema genéric genéric o de medida y contr ol

Un dispositivo de protección es básicamente un sistema de medida y control; Posee una etapa de medición/sensado de un variable del sistema (por ejemplo corriente) que eventualmente convierte y adapta la señal para hacerla apta para la etapa de control. En la etapa de control se procesa la señal medida y se decide si amerita la emisión de una señal de comando desde el control. Si es así, la señal de comando activa generalmente a un preactuador (que podría ser un pequeño relé), que a su vez activa al actuador de potencia, o bien, la señal de comando activa directamente al actuador de potencia que finalmente va a modificar una variable de proceso (sistema).

Figura 1 Modelo conceptual de un sistema genérico de medida y control

Veamos ahora un par de ejemplos de nuestro sistema genérico de medida y control: Control de Nivel: Por ejemplo un sistema de control de nivel de un estanque puede consistir de una bomba eléctrica que extrae agua de un pozo para hacer ingresar el flujo al estanque. El sistema cuenta con dos sensores de nivel del tipo flotadores. Uno para el nivel bajo y otro para el nivel alto. En el panel frontal del operador se encuentra un selector de dos posiciones. Si el selector se encuentra en la posición ON y el nivel es bajo la bomba parte llenando el estanque. Cuando el nivel es alto, independiente de la posición del selector la bomba se detiene. Si el selector se encuentra en la posición OFF, la bomba nunca va a partir. En este caso, el sensado lo realizan los flotadores que convierten una señal mecánica de fuerza a posición angular y de posición angular a una u na señal eléctrica on/off (señal digital) que representa la información nivel alcanzado/nivel no alcanzado. Observe que aquí existe una conversión de señal mecánica a señal eléctrica. La inteligencia del control va a consistir en las operaciones lógicas entre el selector ON/OFF y las señales de los dos flotadores para hacer partir la bomba. La salida de esta lógica de control activa un contactor (preactuador) que finalmente alimenta la bomba (actuador) que es la encargada de modificar la variable del sistema (nivel). Observe que el contactor es solo una etapa de enlace entre la lógica cableada y la señal de potencia (flujo/caudal de fluido).

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Protección de Sobre Corriente: En un dispositivo de protección ocurre algo muy similar. Por ejemplo en un dispositivo de protección de sobre corriente, existe un sensor que va a medir la corriente convirtiéndola en un valor analógico manejable por la etapa de control. La etapa de control va a comparar esta señal con un valor prefijado (setpoint) de corriente. Si la señal supera a este valor prefijado el control enviará una señal de comando a un pequeño relé que activará la separación de los contactos de potencia. Aquí el sensor podría consistir en transformadores de corriente que convierten corriente en un voltaje proporcional de menor magnitud apropiado para ingresar a la etapa de control, o bien, podría consistir en sensores de efecto hall que entregan una señal s eñal analógica estándar proporcional a la corriente medida. La etapa de control podría realizar una lógica de comparación implementada con electrónica integrada, o con microprocesadores, o con DSP, etc., y a partir del procesamiento realizado por la etapa de control podría enviarse una señal de voltaje (comando) hacia una bobina de un contactor (preactuador) que activa un motor (preactuador) que abre los contactos de potencia (actuador; cambia una variable del sistema) e interrumpe la corriente. De acuerdo a este enfoque podemos descomponer una protección eléctrica en los siguientes elementos conceptuales: 

Elementos de Medida: El elemento de medida más comúnmente usados en SEP son los transformadores de medida, que transmiten la información sobre las variables eléctricas del sistema, en la forma tensiones y corrientes que son proporcionales a las magnitudes medidas. Se puede distinguir dos tipos de transformadores de medida; Transformadores de potencial (TT/PP) y transformadores de corriente (TT/CC).

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Elementos de Control: Los elementos de control corresponden a la inteligencia que recibe la información desde los elementos de medida y toma las decisión de disparar las señales de comando que operarán los actuadores de potencia. Dentro de esta categoría el elemento principal es e s el relé de protección, al a l que se le asocia alguna a lguna lógica externa de d e comando y control generalmente mediante lógica cableada. Aparte de la lógica cableada asociada al relé, puede existir elementos de interfaces hombre máquina que pueden ser tan sencillos como pulsadores y luces piloto o pueden llegar a ser tan complejos como pantallas gráficas de comando táctil. Eventualmente podría existir elementos de comunicaciones, en la forma de un protocolo industrial.

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Elementos de Actuación: Los elementos de actuación reciben la señal de comando desde los elementos de control. La señal de comando generada en la etapa de control podría corresponde a una operación manual o una operación automática decidida por la inteligencia del relé de protección. En una protección los actuadores de potencia corresponden a los interruptores de poder que son capaces de provocar la desconexión bajo condiciones de falla.

Este enfoque presenta la ventaja de ser independiente de la tecnología, que perfectamente podría cambiar con el tiempo. Si bien esto puede parecer más bien una introducción de un curso de sistemas de control o de sensores e instrumentos, pero en realidad involucra conceptos que se volverán importantes a la hora de comprender que es un relé de protección. Pero, un momento; Que es un relé de protección?. Antes; Que es un relé?, que es que? 4


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1.1.2 Que es un Relé?

El concepto de relé es uno de los conceptos que más se utiliza cuando se estudia protecciones eléctricas. Es por eso que cobra importancia comprender precisamente que es un relé?; más específicamente, que es un relé de protección? El instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) define un relé como: “Un dispositivo eléctrico diseñado para responder a condiciones de entrada de manera prescrita y después que las condiciones se cumplen, provoca la operación de contactos o un cambio abrupto similar en el circuito eléctrico de control asociado”. Una nota adicional; “las entradas son usualmente eléctricas, pero pueden ser mecánicas, térmicas, u otras cantidades o combinaciones de cantidades. Los finales de carrera y dispositivos sencillos similares no son relés”. (IEEE C37.90). Los relés tienen amplias aplicaciones en diversas actividades; domiciliarias, de comunicaciones, transporte, comercio, y la industria, por mencionar algunos. Donde sea que se utilice electricidad, es altamente probable que exista un relé involucrado. Se aplican en calentamiento, aire acondicionado, lavadoras y secadoras de ropa, elevadores, redes telefónicas, control de trafico, vehículos de transporte, y muchas otras aplicaciones. En estos apuntes nos enfocaremos en una de las más interesantes y sofisticadas aplicaciones del relé, la protección de sistemas eléctricos de potencia. La IEEE define un relé de protección como; “Un relé cuya función es detectar líneas o aparatos defectuosos, o condiciones de un sistema de potencia de naturaleza anormal o peligrosa e iniciar la acción apropiada del circuito de control” (IEEE 100). Desde el punto de vista de un sistema genérico de medida y control, un relé de protección viene a comprender las etapas de control y eventualmente la etapa de preactuación.

Figura 2 – Relé de protecci ón y mod elo conc eptual de medida y contro l

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Generalmente, las variables medidas son tensiones y corrientes que alimentan con información a la etapa de control (relé de protección) y que eventualmente tendrá una etapa de preactuación que finalmente activará a los actuadores de potencia, que generalmente son contactos de poder. Como estudiaremos más adelante, algunos relés no miden directamente tensiones o corrientes, pero de igual forma comandan los actuadores de potencia. Debe quedar claro entonces lo que NO es un relé de protección; Los actuadores de potencia no son parte del relé de protección y los elementos de medida no son parte del relé de protección, claro que en su conjunto conforman la protección que va a operar cuando se detecte una condición anormal de funcionamiento del sistema de potencia. Pero, cuales son las condiciones anormales de funcionamiento de un sistema de potencia? 1.2 Cond icio nes Ano rmales de un Sistema de Potencia Cuando se habla de condiciones anormales de un sistema de potencia se tiende a centrar la atención en los cortocircuitos que se generan en líneas de transmisión, transformadores, generadores, etc. Los ingenieros de potencia que desarrollan los esquemas de protecciones adecuados para detectar no solamente los cortocircuitos, sino también otras anormalidades. Dentro de las anormalidades se debe distinguir entre falla y transitorio (perturbación); 

Falla: Condición que impide la operación continuada de uno o más componentes de un sistema y que demanda la acción rápida de los dispositivos de protección.  Transitorio: Condición que permite la operación continuada del sistema pero que eventualmente podría llegar a producir daño se la situación se prologa. Las anormalidades tratadas en estos apuntes corresponde a fallas y las aquí consideradas son las siguientes;         

Cortocircuito Sobrecarga Subtensión Sobretensión Subfrecuencia Sobrefrecuencia Fase abierta Condición de desbalance Oscilaciones de Potencia

Antes de poder discutir los esquemas de protecciones es importante tomarnos algún tiempo para revisar cada una de estas condiciones anormales. Vamos a intentar comprender cuales componentes de un sistema de potencia son vulnerables a fallar frente a cada condición anormal. 1.2.1 Cort ocir cuit o

Un cortocircuito es una conexión anormal (conexión no especificada) entre dos o más puntos de diferente potencial. En la literatura de sistemas de potencia los cortocircuitos son llamados generalmente “fallas”, pero en general debemos tener presente que el concepto de falla es mucho más amplio que el cortocircuito, pero haciendo estas consideraciones vamos a utilizar estos dos conceptos como sinónimos en estos apuntes. En el punto de ubicación de la falla, se produce una 6


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depresión importante del voltaje y una circulación de corriente más elevada que lo normal. En otras ubicaciones, las perturbaciones de voltaje y corriente pueden ser mucho más pequeñas. Las fallas se clasifican de acuerdo al número de polos que son cortocircuitados y si existe o no conexión a tierra. Las fallas también se clasifican de acuerdo a la magnitud de la impedancia en el punto de falla. Una falla franca es un cortocircuito con impedancia de falla despreciable. Las fallas de baja impedancia corresponden a cortocircuitos con una impedancia de falla pequeña que pueden producirse por arcos en los aisladores donde la corriente se conduce a través de plasma. Las fallas de alta impedancia corresponden a cortocircuitos con una corriente de falla relativamente baja y puede ser causada por el rompimiento del aislamiento en generadores, motores y transformadores o por el contacto con árboles en el caso de líneas de transmisión y distribución. De acuerdo al número de conductores que participan en la falla podemos distinguir los siguientes tipos de fallas:    

Falla trifásica (falla balanceada) Falla bifásica (falla fase a fase) Falla bifásica a tierra (Doble fase a tierra) Falla monofásica a tierra (Una fase a tierra)

En las líneas de distribución, tal como en baja tensión se puede producir también fallas entre fase y neutro. Si el conductor neutro está aterrizado se considera una falla a tierra a través de una impedancia que corresponde a la impedancia del conductor neutro. 1.2.2 Sobr ecarga

La sobrecarga es una condición anormal, pero no es un cortocircuito. Las sobrecargas corresponden a corrientes que exceden los límites nominales que el equipamiento puede soportar de forma continuada; Líneas de transmisión, distribución, motores, generadores, transformadores, capacitores, etc. Las sobrecargas no son producto de una falla de aislamiento; Esto correspondería a un cortocircuito. En las líneas de transmisión y distribución, las sobrecargas son usualmente causadas secuencias manuales o automáticas de interruptores. 1.2.3 Sobr evoltaje

Los sobrevoltajes constituyen una condición anormal de funcionamiento de un sistema de potencia. Los sobrevoltajes son voltajes de sistema sostenidos que exceden los valores nominales continuos que transformadores, capacitores, motores o reactores pueden soportar. Los transformadores y grandes reactores están diseñados para operar sobre una base continua de no más del 105% de su valor nominal. Los motores, capacitores y pequeños generadores están diseñados para operar sobre una base continua de no más del 110% de su valor nominal de voltaje ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Los sobre voltajes pueden producirse por errores o fallas en el controla de cambiador de tap bajo carga. Los sobre voltajes pueden producirse por la salida súbita de una gran cantidad de carga. Las protecciones contra sobrevoltaje no son habituales a través de un sistema de potencia, 7


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excepto en casos donde se desea proteger subestaciones o buses importantes. Los transientes de voltajes no son detectados por este tipo de protecciones. 1.2.4 Infravoltaje

Los infravoltajes son condiciones anormales. Un infravoltaje es una baja sostenida del voltaje de sistema por debajo de los valores que pueden hacer fallar a transformadores, motores generadores, etc. Los transformadores y grandes generadores, están diseñados para operar a sobre una base continua no inferior al 95% de su voltaje nominal. En el caso de los motores y pequeños generadores este valor límite es no inferior al 90% de su voltaje nominal ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Los infravoltajes son generalmente debidos a sobrecargas producidas por cortes o equipamiento fallado, como una falla de controlador de intercambiador de tap bajo carga. Los infravoltajes son especialmente importantes para cargas de potencia constate como los motores en los que una disminución del voltaje s traduce en un incremento en la corriente consumida mientras decrece la capacidad transferir potencia del sistema. El Reglamento de la Ley General de Servicios Eléctricos DS327 ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., en su artículo 243°, establece los rangos porcentuales respecto del voltaje nominal entre cualquier punto de conexión de una empresa eléctrica y un cliente: Artículo 243.- La norma técnica fijará las magnitudes de la tensión nominal de 50 Hz. El proveedor del servicio deberá indicar explícitamente, a cada usuario, la tensión en el punto de conexión entre ambos, en adelante punto de conexión. Las variaciones u holguras permitidas de la tensión nominal en el punto de conexión, serán las siguientes: 1. En Baja Tensión (BT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el voltaje deberá estar dentro del rango de -7,5% a +7,5% durante el 95% del tiempo de cualquiera semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro. 2. En Media Tensión (MT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión medido de acuerdo con la norma técnica correspondiente, deberá estar dentro del rango -6,0% a +6,0% durante el 95% del tiempo de cualquiera semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro. 3. En Alta Tensión (AT): a. Tensión Nominal de 154kV y Superiores: Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión medido de acuerdo con la norma técnica correspondiente, deberá estar dentro del rango de ± 5 % durante el 95% del tiempo de cualquiera semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro. b. Tensión Nominal inferior a 154kV: Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión medido de acuerdo con la norma técnica correspondiente, deberá estar dentro del rango de ± 6 % durante el 95% del tiempo de cualquiera semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro. La medición y el registro se efectuarán en la conexión correspondiente. La norma técnica determinará las condiciones de medida y registro del voltaje Las fluctuaciones de voltaje no deberán superar los límites que determine la norma técnica que al efecto

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dictará el Ministerio, a proposición de la Comisión.

1.2.5 Sobrefrecuencias

Una sobrefrecuencia es una condición anormal. Una condición de sobrefrecuencia consiste en una frecuencia de sistema sostenida, mayor que la frecuencia nominal. La condición de sobrefrecuencia ocurre cuando la potencia del sistema de generación excede a la potencia de la carga del sistema. Las sobrefrecuencias menores se pueden corregir limitando la generación del sistema. Las sobrefrecuencas mayores solo pueden corregirse reduciendo la cantidad de generación del sistema de potencia. Sobrefrecuencias sostenidas de más de 105% de la frecuencia nominal puede ser peligroso para turbogeneradores, grandes motores, y equipo rotatorio que puede dañarse por efecto de fuerzas centrífugas excesivas ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. 1.2.6 Subfrecuencias

La subfrecuencia es una condición anormal. La condición de subfrecuencia consiste en una frecuencia sostenida que es menor que la frecuencia nominal del sistema. La condición de subfrecuencia ocurre cuando la carga del sistema de potencia excede a la potencia de la generación. Las pequeñas subfrecuencias puden corregirse abandonado una parte de la carga conectada (cerca del 10%). Las subfrecuencias importantes pueden corregirse abandonando una parte importante de la carga conectada (cerca del 30% de la carga conectada) ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Una fsubfrecuencia del 95% sostenida puede llegar a ser peligroso para turbinas de vapor que manejan grandes generadores ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Los límites establecidos por el Decreto Supremo N°327 ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., en su artículo 242 indica: La frecuencia nominal del voltaje, en sistemas eléctricos en que exista servicio público de distribución, será de 50 ciclos por segundo, en adelante Hz. En condiciones normales de operación, el valor promedio de la frecuencia fundamental, medida en intervalos de tiempo de 10 segundos durante todo período de siete días corridos, deberá encontrarse en el rango siguiente: a) Sistemas con capacidad instalada en generación superior a 100 MW, en los cuales el aporte de energía de centrales hidroeléctricas durante dicha semana supere el 60% del consumo total: - sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 99% del período; - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante no más de un 0,5% del período; - entre 50,2 y 50,7 Hz durante no más de un 0,5% del período. b) Sistemas con capacidad instalada en generación superior a 100 MW, en los cuales el aporte de energía de centrales hidroeléctricas durante dicha semana no supere el 60% del consumo total:

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Unidad I

- sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 97% del período; - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante a lo más un 1,5% del período; - entre 50,2 y 50,7 Hz durante a lo más un 1,5% del período. c) Sistemas con capacidad instalada en generación entre 1,5 MW y 100 MW, en los cuales el aporte de energía de centrales hidroeléctricas durante dicha semana supere el 60% del consumo total: - sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 98% del período; - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante a lo más un 1,5% del período; - entre 50,2 y 50,7 Hz durante a lo más un 1,5% del período; - sobre 49,0 Hz y bajo 49,3 Hz durante a lo más el 0,5% del período; - sobre 50,7 Hz y bajo 51,0 Hz durante a lo más el 0,5% del período. d) Sistemas con capacidad instalada en generación entre 1,5 MW y 100 MW, en los cuales el aporte de energía de centrales hidroeléctricas durante dicha semana no supere el 60% del consumo total: - sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 96% del período; - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante a lo más un 3,0% del período; - entre 50,2 y 50,7 Hz durante a lo más un 3,0% del período; - sobre 49,0 Hz y bajo 49,3 Hz durante a lo más el 1,0% del período; - sobre 50,7 Hz y bajo 51,0 Hz durante a lo más el 1,0% del período. e) Sistemas con capacidad instalada en generación menor que 1,5 MW: - sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 94% del período; - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante a lo más un 4,0% del período; - entre 50,2 y 50,7 Hz durante a lo más un 4,0% del período; - sobre 49,0 Hz y bajo 49,3 Hz durante a lo más el 2,0% del período; - sobre 50,7 Hz y bajo 51,0 Hz durante a lo más el 2,0% del período.

1.2.7 Fase Abi erta

La condición de fase abierta es una condición anormal. Una condición de fase abierta corresponde a la apertura inadvertida en una o dos fases de un sistema trifásico. Una condición de fase abierta puede sobrecargar las líneas de un circuito que continúa trasfiriendo potencia através de sus líneas conectadas. Es también especialmente peligroso cuando se alimenta motores que seguirán funcionando con dos fases produciendo el sobrecalentamiento del motor. Una condición de fase abierta puede producirse por la operación monofásica de una protección o errores en la apertura y cierre de interruptores. 1.2.8 Desbalance d e fases

El desbalance de fases es causado por componentes asimétricas de un sistema de potencia, tales como líneas de transmisión no transpuestas o importantes cargas asimétricas. El desbalance de fases puede resultar puede resultar en un empobrecimiento de la calidad de la energía. Algunos clientes podrían experimentar sobrevoltajes mientras que otros infravoltajes. En las máquinas rotativas el desbalance de fases se traduce en una doble frecuencia debido a la presencia de componentes de secuencia negativa en el rotor. Estas corrientes de secuencia negativa causan calor excesivo en el rotor. Las máquinas de gran tamaño solo pueden tolerar 10


Unidad I

voltajes de secuencia negativa menores que el 10% del voltaje nominal de la máquina. En nuestra legislación Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Suministro ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., en su artículo 5-85-d, indica lo siguiente: Para puntos de entrega a clientes en tensiones iguales o inferiores a media tensión, se deberá cumplir que el 95 % de los valores estadísticos registrados en una semana cualquiera del año o de siete días consecutivos, de la componente de secuencia negativa de la tensión, no deberá exceder el 2 % de la correspondiente componente de secuencia positiva. El valor estadístico de la componente de secuencia negativa de la tensión, será obtenido en cada intervalo de 10 minutos, como resultado de procesar un conjunto de mediciones efectuadas en dicho intervalo. Para puntos de entrega en tensiones superiores a media tensión a clientes concesionarios de servicio público de distribución, que abastezcan usuarios sometidos a regulación de precios, se deberá cumplir que el 95 % de los valores estadísticos registrados en una semana cualquiera del año o de siete días consecutivos, de la componente de secuencia negativa de la tensión, no deberá exceder el 1.5 % de la correspondiente componente de secuencia positiva.

1.2.9 Oscilaciones de Potencia

Las causas más comunes de aparición de oscilaciones son las conexiones y desconexiones de circuitos del sistema, al producirse variaciones de potencia. Esto se debe a que los alternadores no toman instantáneamente el ángulo correspondiente a la carga, sino que después de cierto número de oscilaciones amortiguadas, pudiendo en algunos casos perder su sincronismo, lo que se traduce generalmente en una sobrecorriente. Efectos similares pueden producirse por una mala sincronización. Además de los efectos eléctricos que es fácil suponer, las partes mecánicas de los alternadores y máquinas motrices pueden sufrir efectos graves por las oscilaciones de potencia. 1.3 Concepto s Básico s de un Sistema de Protecci ones El objetivo fundamental de un sistema de protecciones es aislar el área con problemas en un sistema de potencia rápidamente, para que el impacto al resto del sistema sea minimizado y en la medida de lo posible sea dejado intacto. Antes de continuar nuestra discusión deberíamos aclarar que el uso del término protección, no indica y no implica que el equipo de protección pueda prevenir la falla, el equipamiento defectuoso o el contacto humano inadvertido. No puede adelantarse al defecto. Los relés de protección actúan solo después de que la condición anormal o intolerable ha ocurrido. Esta protección no significa prevención, pero en cambio, minimiza la duración del problema y limita el daño, el tiempo de duración y los problemas asociados que resultarían de otra manera. 1.3.1 El Concepto de Zona de Protección

Una zona de protección es el área donde se espera que una protección detecte una falla aislándola para minimizar el daño, minimizar el daño emergente y evitar el colapso del sistema. A pesar que una protección se especifique para proteger una zona esta podría detectar fallas fuera de su zona de protección. 11


Unidad I

Es conveniente que entre las zonas de operación de dos protecciones contiguas no queden sectores sin cubrir por alguna de ellas. Para este efecto se deben superponer los bordes de las zonas contiguas y por lo tanto, no se acepta que sean tangentes ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. La siguiente figura muestra un diagrama unilineal indicando las zonas de protección.

Figura 3 - Diagrama unil ineal indicando zonas de prot ección (Fuente:¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)

1.3.2 El Concepto de Protecci ón de Respaldo Si al ocurrir una falla en la zona de una protección (protección primaria) esta no opera, entonces debería actuar la protección aguas arriba cuya zona de protección se traslapa con la zona de protección primaria. A esta segunda protección se le denomina protección de respaldo (backup) ya que solo debe operar para una falla fuera de su zona en el caso que la protección primaria no despeje la falla. De no operar la protección de respaldo, la falla podría propagarse por el resto del sistema con consecuencias nocivas. Donde más se aplica esta técnica, por razones económicas es en el caso de los cortocircuitos ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Según la ubicación de la protección que da respaldo, este puede ser local o remoto;



Respaldo Local: Se ubica físicamente en la zona protegida y es del tipo redundancia de parte de la protección o de la protección completa. En algunos casos podría consistir en una protección adicional con temporización.  Respaldo Remoto: En este caso la protección de respaldo se ubica físicamente fuera de la zona de la protección primaria y es también una protección primaria en su propia zona de protección.

12


Unidad I

1.3.3 Prin cipi os d e un sist ema de protecc iones

Un sistema de protecciones debe cumplir con los siguientes principios básicos:   

Confiabilidad: Asegurando que la protección actuará correctamente. Selectividad: Máxima continuidad de servicio con mínima desconexión del sistema. Velocidad: Duración mínima de falla y su consecuente daño al equipamiento e inestabilidad del sistema.  Sensibilidad: Debe ser capaz de discriminar entre fenómeno transitorio y falla. Sensible a la falla e insensible a las perturbaciones transitorias.  Economía: Máxima protección a mínimo costo. Una buena solución de ingeniería es aquella que no solo es técnicamente apropiada, sino que además es económica. 1.3.3.1 Confiabilidad La confiabilidad tiene dos aspectos; La fiabilidad y la seguridad: La fiabilidad está definida como “el grado de certidumbre que el relé o sistemas de relés operarán correctamente” (IEEE C37.2). La seguridad es “relativa al grado de certidumbre que un relé o sistemas de relés no operará incorrectamente” (IEEE C37.2). En otras palabras, la fiabilidad indica la habilidad de un sistema de actuar correctamente cuando es solicitado, donde la seguridad es la habilidad de evitar operaciones innecesarias durante la operación normal días tras día. Los fabricantes realizan ensayos para medir la confiabilidad de sus equipamientos de acuerdo a especificaciones de ensayos dictados por normas. 1.3.3.2 Selectividad Las protecciones tienen asignada un área conocida como zona de protección primaria, pero pueden operar apropiadamente en respuesta a condiciones fuera de su zona. En esta instancia entregan protección de respaldo, para el área fuera de su zona de protección primaria. La selectividad (también conocida como coordinación de relés) es el proceso de aplicar y configurar los relés que exceden a otros relés de manera que operan tan rápido como es posible para fallas dentro de su zona de protección, pero que tengan una operación retardada para fallas fuera de su zona de protección (zona de respaldo). La operación de la protección de respaldo es incorrecta e indeseada a menos que la protección primaria falle en aclarar la falla. En consecuencia la selectividad es muy importante para asegurar máxima continuidad de servicio con mínima desconexión de sistema.

1.3.3.3 Velocidad Obviamente es absolutamente deseable que la protección aísle la zona con problemas lo más rápido posible. En algunas aplicaciones esto no es difícil, pero en otras, particularmente cuando se involucra selectividad, una operación más rápida puede alcanzarse usando una protección más compleja y costosa. Los tiempos de operación de estas protecciones deben distinguir entre transientes tolerables e intolerables. Un relé de alta velocidad es aquel que opera en menos de 50ms (tres ciclos a 60Hz, o dos y medio ciclo a 50Hz) (IEEE 100). El término instantáneo es definido para indicar que no existe retardo de tiempo intencionalmente introducido en la operación de la protección (IEEE 100).

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Los circuit breakers modernos en media y alta tensión operan en el rango de 17 a 50 ms (uno a tres ciclos a 60Hz); otros operan a 83 ms (cinco ciclos a 60Hz). Luego el tiempo total de aclaramiento (relé más circuit breaker) están en el rango de 35 a 130 ms (dos a ocho ciclos a 60Hz) ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..

1.3.3.4 Sensibilidad Un relé de protección debe ser sensible a la más pequeña falla dentro de su zona de protección (falla mínima), pero debe ser insensible a las perturbaciones y fenómenos transitorios que pudiesen generarse dentro o fuera de su zona de protección. No debe confundirse este concepto con el de confiabilidad; La confiabilidad es una característica de la protección independiente de los ajustes que se realice en el relé de protección. La sensibilidad en cambio, va a depender del correcto ajuste de las configuraciones del relé. Que una protección o sistema de protecciones sea sensible, significa que es capaz de discriminar entre falla y transitorio y esto depende del correcto ajuste y configuración del relé de protección.

1.3.3.5 Economía La economía es fundamental para obtener máxima protección a costo mínimo, y el costo es siempre un factor importante. El precio más bajo de costo inicial de un sistema de protecciones puede no ser el más confiable y además puede implicar mayores dificultades de instalación y operación, así como mayores costos de mantenimiento. El costo de una protección por si sola podría considerarse elevado. Sin embargo esto debe evaluarse a la luz de los altos costos de los equipos protegidos y el costo de una interrupción o pérdida del equipo protegido mediante la protección inadecuada. 1.4 Compo nentes de una Protecció n Eléctric a Una protección eléctrica puede ser tan simple como un fusible o llegar a ser tan compleja como un moderno relé de protección que incluye interfaces hombre máquina, protocolos de comunicaciones y enlaces de radio con otros elementos del sistema, pero independiente del grado de complejidad la protección siempre se puede dividir componentes. Vamos a dividir la complejidad en partes más pequeñas de acuerdo al enfoque clásico estudiado en la literatura de esta especialidad;

Figura 4 – Compon entes de un sis tema de proteccio nes (Fuente:¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)

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

Transformadores de Medida; Transformadores de potencial y transformadores de corriente. Los valores de potencial y corriente deben adaptarse (disminuirse) para que puedan ser manejados por el relé de protección.  Relés de Protección: Son el componente que recibe la medida de los transformadores y que posee la inteligencia para discriminar entre una condición normal y anormal. Cuando el relé de protección establece una condición anormal, opera a través del cierre (o apertura) de sus contactor provocando la apertura directa (o indirecta; a través de otros preactuadotes) de los interruptores de poder (actuadores de potencia).  Interruptores de Poder: Este componente es el encargado de interrumpir el circuito de potencia aislando la zona en condición de anormal. No se debe confundir los interruptores de poder con los elementos de apertura que no son capaces de interrumpir un circuito bajo carga o que no son capaces de interrumpir las elevadas corrientes presentes en una falla.  Circuitos de Control: Es el conjunto de circuitos que complementa la lógica del relé de protección y los enlaces de preactuación de los interruptores de poder. En esta categoría se incluye además las interfaces hombre máquina como luces piloto, selectores, pulsadores, etc. En el punto 1.1.1 del primer capítulo se entregó un enfoque que descompone los elementos de una protección y que corresponde al punto de vista de un sistema automatizado de medición y control. Ambos enfoques son válidos y tienen por finalidad dividir la complejidad en partes más pequeñas que pueden ser estudiadas por separado.

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Capítulo 2 Relés y Tipos de Relés Un relé de protección es un dispositivo que responde a las condiciones anormales en un sistema de energía eléctrica para operar un interruptor que desconectará la sección defectuosa del sistema con la mínima interrupción del suministro. Los distintos tipos de relés pueden clasificarse como:  

Relés electromecánicos Relés estáticos (análogos y digitales)

En el caso de los relés electromecánicos, se han producido muchos diseños de elementos de relé, pero son estos se basan en unos cuantos principios operativos básicos. La gran mayoría de los relés electromecánicos se encuentran en uno de los siguientes grupos; 1. 2. 3. 4. 5.

Relés de inducción Relés de atracción de armadura Relés de bobina móvil Relés térmicos Relés mecánicos

2.1 Tipo s de Relés de acuerdo a su prin cipi o de fun cion amiento 2.1.1 Relés de Inducción

El relé de inducción se rige por el mismo principio de funcionamiento del medidor de energía doméstico que tiene un disco metálico que puede rotar libremente entre los polos de dos electroimanes.

Figura 5 – Relés de protecci ón de sobr e corriente inst alados en la estación de generación Manitoba Hydro Poin te du Bo is (fot o tom ada el 19 de febrero de 2002).

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La siguiente figura muestra como las fuerzas producidas en una sección del rotor son atravesadas por dos flujos adyacentes de corriente alterna. Las diversas cantidades se muestran en un instante en que ambos flujos se dirigen hacia abajo y están aumentando en magnitud. Cada flujo induce voltaje alrededor de si mismo en el rotor, y las corrientes fluyen en el rotor bajo la influencia de estos dos voltajes. La corriente producida por un flujo reacciona con el otro flujo y viceversa para producir fuerzas que actúan sobre el rotor.

Figura 6 – Torque producid o por un relé de inducción

Las cantidades mostradas en la Figura 6, pueden expresarse de la siguiente manera:  1   1 sin t  2   2 sin  t   

Donde  es el ángulo de fase en el que  2 adelanta a  1 . Podemos suponer despreciable el error producido por aquellas trayectorias en las que el flujo de corriente del rotor produce autoinductancia y luego las corrientes del rotor están en fase con los voltajes: i  1 

i  2 

d  1

 d  2





dt

dt



 1 cos t  1 cos t   

Observe que en la Figura 6 las fuerzas se muestran opuestas y consecuentemente podemos escribir la ecuación para la fuerza neta como: F  F 1  F 2 



 2  i  1    1  i  2 

Sustituyendo en la ecuación anterior F  F 1  F 2 



 1 2 cos t  sin  t     sin t  cos t   

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Que se reduce a: F



 1 2 sin 

Y de esta forma la fuerza neta resultante ejercerá un torque sobre el disco conductor provocando que este rote entorno a su eje:

Figura 7 – Fuerza actuando so bre el disco de indu cci ón

2.1.1.1 Tipos de estructuras de accionamiento Existen diversas estructuras constructivas entre las que podemos destacar:     

Estructura de polo apantallado Estructura de tipo vatímetro Estructura de tipo cilindro (copa) de inducción Estructura de lazo de doble inducción Estructura de lazo de inducción simple

Estructura de polo apantallado

La estructura de polo apantallado que se muestra en la Figura 8, generalmente es accionada por el flujo de una corriente proporcional a la corriente del sistema proveniente de los transformadores de corriente y que circula en una bobina devanada sobre un circuito magnético que contiene un entrehierro. La cara del entrehierro se divide en dos partes, y de esta forma, el flujo del entrehierro producido por esta corriente se divide en dos componentes desfasadas por el efecto del denominado “anillo apantallado” (shasing ring), generalmente fabricado de cobre que encierra parte de la cara del polo en cada lado del entrehierro. El rotor que se muestra de canto en la Figura 8, es un disco de conductor de cobre o de aluminio pivotado para girar en el entrehierro de ambos polos. El ángulo de fase entre los flujos que penetran el disco se establece por diseño del relé y por lo tanto no es parte de las consideraciones de aplicación.

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Figura 8 – Estruc tura de polo apantallado

Los anillos pueden sustituirse por bobinas si se desea control sobre la operación del relé de polo apantallado. De esta manera, mediante el contacto de un relé auxiliar se pueden cortocircuitar las bobinas para producir par, o bien al dejarlas en circuito no se producirá debido a que ambos flujos sen encuentran en fase. Este control del par se emplea cuando se desea un “control direccional”, que se describe más adelante. La muestra una aplicación típica de un relé de polo apantallado.

Figura 9 – Apli cación t ípica de una estruc tura de polo apantallado

El eje de la estructura mostrada en la Figura 9, generalmente debe vencer el torque opuesto ofrecido por un resorte de espiral ajustado para que el recorrido del contacto móvil sea proporcional al valor de corriente que se desea interrumpir. El cierre de los contactos del relé energiza la bobina de disparo de los interruptores de potencia. En esta y otras estructuras aparece 19


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además, un magneto permanente de frenado del disco para agregar un retardo adicional del movimiento del disco deseable para ciertas aplicaciones particulares (ver Figura 10).

Figura 10 – Estr uctu ra con magneto d e frenado (braking magnet)

La siguiente figura muestra todos los elementos de un relé de inducción, excepto por el magneto de frenado:

Figura 11 – Relé de Inducc ión

Estructura de tipo vatímetro

Esta estructura recibe su nombre del hecho que se utiliza para medir los kilowatts-horas en un medidor de energía. Como se muestra en la Figura 12, esta estructura contiene dos bobinas separadas en dos circuitos magnéticos diferentes y cada una produce dos flujo magnéticos desfasados para provocar el torque necesario para mover el rotor (disco). 20


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Figura 12 – Estr uctu ra del tipo vatímetro

La siguiente figura ejemplifica la misma estructura con dos bobinas en el circuito magnético de la parte inferior.

Figura 13 – Estr uctu ra del tipo vatímetro

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Este relé (electromecánico) es sin duda uno de los relés más populares y utilizado en los sistemas de media y baja tensión por muchos años. Las características de los modernos relés digitales esta todavía están basadas principalmente en las características de par de este tipo de relé. Por lo tanto, vale la pena estudiar el funcionamiento de este relé en detalle para entender las características establecidas en los relés digitales modernos. La siguiente figura muestra una aplicación de esta estructura.

Figura 14 – Ejemplo d e relé de indu cci ón con est ruc tura de polo apantallado

La figura arriba puede mostrarse esquemáticamente como se ilustra en el siguiente esquema:

Figura 15 – Estr uctu ra tipo vatímetro

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Estructura de Copa de Inducción y de doble lazo de Inducción

La Figura 16 muestra la estructura de copa de inducción y la Figura 17 muestra la estructura de doble lazo. Se parece mucho a un motor de inducción, excepto que el rotor es estacionario. Solo la parte conductora del rotor puede rotar libremente. En la Figura 16 se muestra una unidad de 4 polos, pero existen también unidades con dos y ocho polos, cada una apta para una aplicación en particular.

La unidad tiene un núcleo de hierro central sobre el cual se ubica un cilindro de aluminio de paredes delgadas que tiene una forma similar a la de una copa. La carrera de la copa está limitada por topes y por los contactos. Un resorte en espiral proporciona el torque de reposición. El torque depende de las dos cantidades de operación y del ángulo que existe entre ellas, al igual que en los tipo disco de inducción. La inercia de la copa es reducida debido a su pequeño diámetro y el torque es alto por lo reducido del entrehierro. De esta forma, se logran altas velocidades de operación, pudiendo llegar a valores tan bajos como ½ ciclo (10 ms). Se usa en la mayoría de los relés rápidos. Otras características de estos elementos son, su torque constante (no vibratorio), su elemento móvil sin conexiones eléctricas, su buena razón de reposición y el poco efecto que tienen sobre él los fenómenos transitorios

Figura 16 – Estr uct ura de copa de indu cció n

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Al disponer de varios polos se pueden combinar sus efectos para lograr que el relé responda a la resultante de varias magnitudes eléctricas. En general, el flujo que produce la operación tiene su origen en un enrollado alimentado por corriente, el flujo de retención puede originarse en un enrollado de voltaje. Además, se puede agregar un enrollado de polarización, el cual puede estar alimentado por voltaje o por corriente. Los relés GCX y GCY de General Electric, son de este tipo. La estructura de copa emplea un rotor cilíndrico hueco, mientras que la estructura de doble lazo utiliza dos circuitos en ángulo recto entre sí.

Figura 17 – Estr uctu ra de doble lazo de induc ción

Figura 18 – Sentido d e circul ación de las corri entes en la estruc tura de copa

Estas estructuras generan par de forma más eficiente que las estructuras de polo apantallado y de la forma de vatímetro y se utilizan en el diseño de relés de alta velocidad.

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Figura 19 – Ensamble de r elé de copa de indu cci ón (GEC Measurements )

Estructura de Copa de Inducción y de doble lazo de Inducción

Esta estructura, que se muestra en la Figura 20 resulta ser la más eficiente de todas las estructuras que se han descrito previamente. Sin embargo tiene una desventaja sería, y es que tiende a presentar vibraciones y que el torque varía de acuerdo a la posición del rotor.

Figura 20 – Estru ctur a de lazo de induc ción simp le.

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2.1.2 Relés de Atracción de Armadura

El relé de atracción de armadura comprende un electroimán de hierro que atrae una armadura que puede estar pivotada o enganchada, o soportada de otra forma para permitir su movimiento dentro del campo magnético.

Figura 21 – Ejemplo d e relé de atracción d e armadura y su modelo m agnético

Su circuito magnético puede representarse de forma similar a un circuito eléctrico, por una fuerza magnetomotriz (f.m.m.) en amperes-vuelta aplicado a la reluctancia del hierro y un entrehierro en serie – representado por sus respectivas reluctancias – que provoca la circulación de un flujo en el circuito magnético. La permeabilidad del hierro es mucho mayor que la permeabilidad del aire, lo que implica que la mayor parte del flujo se utiliza en magnetizar el entrehierro. Cuando el relé comienza a operar, la longitud del entrehierro, y su reluctancia decrecen, lo que provoca un incremento del flujo y la fuerza. El efecto en términos prácticos es que cuando la corriente en la bobina alcanza un cierto valor, produce la fuerza suficiente para mover la armadura. Una vez que la armadura se mueve, acelera incrementando la fuerza hasta que está completamente cerrado. Esta es la razón del éxito de los contactores ya que una vez que el contactor se pone en movimiento, el cierre (apertura) del contacto está asegurado. 26


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Figura 22 – Relé de atracción de armadura (pivot ado)

Figura 23 – Relé de atracción del tipo sol enoide

La acción instantánea que es beneficiosa desde el punto de vista del “cierre positivo”, presenta a veces el inconveniente de que el relé no caerá hasta que el flujo se reduce por debajo del valor de corriente de enganche (pick-up current). En la medida que la reluctancia del circuito magnético se reduce por el cierre de la armadura, se produce una reducción importante de los amperes-vuelta para disminuir el flujo a su valor original y se dice que el relé tiene una relación desenganche/enganche (drop-off/pick-up) baja. En algunas aplicaciones esto puede llegar a ser un inconveniente y en estos casos la relación pude aumentarse, reduciendo el cambio en la reluctancia por una modificación de diseño para que la armadura no quede completamente cerrada. De hecho la relación puede controlarse por el ajuste del entrehierro final. Un incremento de la relación desenganche/enganche reduce el calibre de los contactos y la velocidad de operación. 27


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Para comprender mejor el funcionamientote este tipo de relés vamos a considerar el relé tipo bisagra (armadura atraída) de la Figura 24.

Figura 24 – Relé tipo arm adura atraída con bis agra pivot ada (Fuente: ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)

El núcleo es de material magnético de alta permeabilidad (μFe>μ0) y existe un pequeño entrehierro (x+d). Por lo tanto, se puede despreciar el flujo de dispersión y considerar HFe = 0 en el núcleo (o RFe = 0) y de esta forma, la fuerza eléctrica está dada por la siguiente ecuación: F e  

 0 N 2 A

2



i

2

 x  d 2

Es decir, la fuerza eléctrica es proporcional al cuadrado de la corriente (si no existe saturación) y actúa en sentido contrario a x (tiende a cerrar la parte móvil). Por lo tanto, la ecuación de la fuerza neta ejercida sobre el elemento móvil es:

 F  F  F e

R

Donde F R es la fuerza de oposición ejercida por el resorte, que para desplazamientos muy pequeños puede suponerse constante. De esta forma F R  K 2 . Por otro lado, F e se puede considerar independiente de la longitud del entrehierro por lo que puede escribirse como; F e  K 1  i

2

con

K 1  

 0 N 2 A

2 x  d 2

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El comportamiento del relé puede variar ligeramente si se alimenta con corriente continua o con corriente alterna: Si el relé se alimenta con corriente continua, de valor I se tiene: F e  K 1  I 2 Si se alimenta con una corriente alterna sinusoidal i  2  I sin t  , donde I , es el valor eficaz de la corriente alterna, la fuerza eléctrica tendrá dos componentes: F e  K 1 

 



2  1 1  2  I sin  t   2 K 1 I 2   cos2 t   2 2 

El término K 1 I 2 es independiente de la variable tiempo El término K 1 I 2 cos2 t  es pulsante y tiene una frecuencia del doble de la frecuencia aplicada. Su valor medio es cero y de esta forma no contribuye al torque, pero se presenta una vibración mecánica que produce ruido audible. Para superar este problema, generalmente se coloca una espira en cortocircuito en el núcleo que tiende a hacer más constante la fuerza.

De esta forma,

 F  K 1 I 2  K 2 La ecuación permite graficar la fuerza neta como función de la corriente I , como se indica en la siguiente figura:

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Figura 25 – Curva de o peración d el relé de atracción (Fuente: ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)

La corriente I 0 mostrada en el gráfico corresponde a la corriente mínima de operación del relé (corriente de pick-up) que estará dada por: I 0  

K 2 K 1

Se puede observar que la fuerza se hace positiva para cualquiera de los sentidos de circulación de la corriente cuando esta supera el valor I 0 . La zona indicada con líneas segmentadas no tiene sentido físico ya que el resorte no puede mover la armadura más atrás de su posición de reposo.

Figura 26 – Relé de atracción de armadura GE

2.1.2.1 Razón de Reposición La razón de reposición (razón de reset o drop-off a pick-up), es la razón entre la corriente máxima de desoperación (drop-off) o reposición (reset) y la corriente mínima de operación (pick-

30


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up). En nuestra ecuación la condición de fuerza igual a cero y x = xmax pueden reemplazarse para obtener la corriente de operación como: K 2

I 0   x max  d 

K 1

La corriente máxima para que el relé se reestablezca se obtiene cuando la fuerza neta es igual a cero y x = 0. I d  d

K 2 K 1

Y de esta manera la razón será; RR 

I d I 0



d x max  d



1 x max d

1

Como x max  d , la razón de reposición es normalmente >> 1, lo que implica que una vez que el relé se ha operado, la corriente debe disminuir mucho para que el relé se reestablezca. Esto se soluciona utilizando material no magnético en un polo del entrehierro ya que de otra forma, la razón de reposición tendría un valor muy elevado. Por su sencillez y economía, los relés electromagnéticos son muy usados como relés auxiliares. Tienen gran rapidez de operación, pero en algunos casos se les puede dotar de algún retardo en la operación, utilizando medios tales como: mecanismos de relojería, amortiguadores hidráulicos o neumáticos, etc.

2.1.2.2 Tipos Constructivos Corresponden a este tipo varias unidades que son de uso común, tales como: Las de armadura atraída o Hinged Relay (Figura 24) que se emplean en los relés de las series MG y SG de la Westinghouse; las de armadura succionada o émbolo o Plunger Relay (Figura 27), presentes en las unidades instantáneas de los relés de sobre corriente General Electric, English Electric etc. y las de armadura rotatoria (Figura 28), utilizadas en relés de tipo REG de Brown Boveri.

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Figura 27 – Relé de atracción tipo armadura succ ionada (Fuente: ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)

Figura 28 – Relé de atracción del tip o armadura rot atoria (Fuente: ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)

Existe un cuarto tipo de constructivo, de tipo balanza, el que se muestra en la Figura 29, el cual permite comparar dos magnitudes eléctricas. De esta forma, uno de los polos se alimenta de modo que produzca un torque resistente (polo de retención) y el otro, con una magnitud que tienda a producir operación (polo de operación). Estos últimos elementos son utilizados en las unidades direccionales de los relés de sobrecorriente de este tipo.

Figura 29 – Relé de atracci ón d el tip o b alanza (Fuente: ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)

2.1.3 Relés de Bob ina Móvi l

Son unidades electromagnéticas especiales, en las cuales el sentido del movimiento depende de la polaridad de la magnitud de excitación. Una parte del flujo necesario para producir el torque, es proporcionado por un imán permanente de manera similar al de un galvanómetro D’Arsonval. Por el hecho de contar con un flujo adicional, estas unidades son de bajo consumo (0,1 a 0,5 miliwatt) y de alta sensibilidad. Por ello resultan apropiados para trabajar con fuentes de baja potencia como shunts o rectificadores. La Figura 30 muestra diferentes formas constructivas que estos dispositivos pueden tomar. Desde luego, estos elementos son apropiados para trabajar con corriente continua o rectificada y su torque de operación será proporcional a la corriente de excitación. Sin embargo, en algunos dispositivos, se emplean dos magnitudes eléctricas, es decir, se tienen bobinas tanto en la parte fija como en la parte móvil (Figura 30 d), por lo cual se 32


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designan como magnitudes de polarización y operación respectivamente a la corrientes (tensiones) aplicadas a ellas. En este caso, el torque de operación es proporcional al producto de las corrientes en las bobinas, es decir: T OP  K  I op  I pol

Que cuando las corrientes de operación y retención son iguales, es semejante a la ecuación 2 F e  K 1  I y por lo tanto, su característica de funcionamiento corresponde a la mostrada en la Figura 25.

Figura 30 – Elementos co mparadores pol arizados a)Bobin a móvil radial, Bobin a móvil axial, c) Armadura móvil, d) con dos magnitudes eléctricas.

Como el movimiento es proporcional a la corriente, la razón de contacto diferencial es nominalmente cero, pero debido a la fricción del pivote, la adhesión de los contactos, etc., es normalmente del 2%, lo que implica que la razón de reposición es del orden del 98%.

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Figura 31 – Relé de Bob ina Móvil GE (Fuente: ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)

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2.1.4 Relés Térmic os

La más simple de estas unidades opera bajo el principio del par bimetálico que puede tener la forma de una cinta recta o de una espiral con un extremo fijo y el otro libre. Cuando la temperatura cambia, el extremo de la cinta o espiral se mueve a causa de la diferencia del coeficiente de dilatación que tienen los dos metales. Este movimiento se utiliza para accionar un micro switch o un trinquete que accione un mecanismo de disparo de un interruptor. Sin embargo, este tipo es el menos utilizado en protecciones de sistemas eléctricos de potencia. Existen otros tipos de relés, en los cuales el elemento comparador puede ser una resistencia dependiente de la temperatura (RTD), una termocupla, etc. 2.1.5 Relés Mecánicos

2.1.5.1 Relés de sobre velocidad Son de tipo centrífugo y en general se han desarrollado según el principio del regulador de Watt, usado en máquinas de vapor. 2.1.5.2 Relé de Buchholz y de presión súbita Se usan en transformadores de poder y funcionan en base al hecho de que al producirse fallas internas, se generan pequeños arcos eléctricos, incluso en fallas incipientes, los que originan gases provenientes de la descomposición del aceite. Si, por otra parte, la cantidad de gases es grande, se producen verdaderas corrientes de aceite en el interior y en consecuencia, sobre presiones. Estos relés operan debido a la presencia de algunas o todas estas manifestaciones de falla interna.

Figura 32 – Relé de Buchho lz

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El mas completo es el relé Buchholz (Figura 32) que se utiliza en transformadores con estanque conservador de aceite, ubicándose en el conducto de comunicación entre el tanque y el conservador. Consta de dos elementos: Una especie de flotador que detecta la presencia de gases y opera una alarma y una válvula que para grandes presiones de los gases, actúa directamente sobre el desenganche del interruptor.

Figura 33 – Inst alación del relé de Buchho lz

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Figura 34 – Detalle Relé de Buch holz

Figura 35 – Relé de Buch holz ins talado en transfo rmador d e poder

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Figura 36 – Relé de Buchh olz con ventanil las de inspecci ón

El relé de presión súbita se usa en transformadores sellados. Al producirse una gran presión de aceite y gases, se cierra una válvula que comanda un contacto y con ello el desenganche del interruptor de poder.

Figura 37 – Relé de presión súbi ta

2.1.6 Relés estáticos

Aproximadamente a partir de 1960 y con el progreso de la tecnología electrónica, los relés electromecánicos empiezan a ser reemplazados por relés de estado sólido, diseñados utilizando transistores u otros tipos de elementos electrónicos, con características de operación similares a ellos (Figura 38). 38


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Figura 38 – Esquema de bloqu es de un relé de estado sól ido.

La aparición de los circuitos integrados en los años 1970 permitió diseñar relés estáticos con mejores características. Con el desarrollo de los microprocesadores, comienzan a aparecer los primeros relés multifunción (1980). Consecuente con la tecnología de los microprocesadores de los años 1990 y la mejora de los algoritmos matemáticos, se desarrollan los llamados relés numéricos que son hoy en día muy populares. (Figura 39).

Figura 39 – Diagrama general de un relé num érico

El diagrama de bloques típico de un relé numérico se muestra en la Figura 39. Los módulos principales son: 

Módulo de entrada, donde las señales análogas del sistema (corriente, por ejemplo, capturadas por TT/CC), luego de ser procesadas, son enviadas al microprocesador. El módulo contiene: – Filtros analógicos activos pasabajos que eliminan cualquier ruido inducido. – Acondicionadores de señal, que convierten la señal de los TT/CC en una señal DC normalizada – Conversor análogo digital que convierte la señal DC normalizada en un número binario que es entonces enviado directamente al microprocesador.  Microprocesador, responsable del procesamiento de los algoritmos de protección, que incluye dos módulos de memoria: 39


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– RAM: (Ramdon Access Memory) que tiene varias funciones que incluyen la retención de los datos que entran al procesador y el almacenamiento de la información necesaria durante la compilación del algoritmo de la protección. – ROM (Read Only Memory) o PROM (Programable ROM), que son usadas para almacenar programas permanentes.  Módulo de salida que acondiciona la señal de respuesta del microprocesador y la envía a los elementos externos que ellos controlan. La salida se hace normalmente a través de relés auxiliares electromecánicos o electrónicos rápidos.  Módulo de comunicación que contiene puertos serie y/o paralelo para permitir la interconexión del relé de protección con el sistema de control y comunicaciones del sistema eléctrico. Entre las características de los relés numéricos, se pueden destacar las siguientes:          



Son altamente confiables Pueden realizar autodiagnóstico, ya que están permanentemente chequeando el funcionamiento de la memoria y realizando pruebas del módulo de entradas análogas. En caso de falla, el relé se bloquea o bien intenta recuperarse, lo que depende del tipo de falla detectada. Pueden registrar los eventos producidos cada vez que la protección opera, se energiza una entrada u ocurre cualquier falla del hardware. Su tecnología actual incluye otras tareas del sistema eléctrico tales como: Comunicaciones, medidas, monitoreo y control Son prácticamente libres de mantención. Tienen requerimientos muy bajos de potencia desde los transformadores de medida. Son apropiados para sustituir a los relés del tipo electromecánicos, con la ventaja de tener incorporadas una mayor cantidad de curvas características. En el caso de los relés de sobrecorriente, la operación instantánea puede ser bloqueada o temporizada. Se pueden conectar de modo de operar con cualquier combinación de fallas entre fases y fallas a tierra. Poseen un alto grado de inmunidad contra interferencias eléctricas. Son de diseño compacto, por lo cual ocupan menos espacio.

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Figura 40 – Relé de sobreco rriente basado en mi crop rocesador GE

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2.2 Clasificació n de los r elés de acuerdo a su fun ción Hemos clasificado los distintos tipos de relé de acuerdo a su principio de funcionamiento, pero ahora los vamos a clasificar de forma independiente a su principio de funcionamiento, de acuerdo a su señal controlada, es decir, de acuerdo a su función de protección. Podemos distinguir de forma general los siguientes tipos de relé:       

Relé de sobrecorriente Relé de sobrecorriente direccional Relé de distancia Relé de sobrevoltaje Relé diferencial Relé de potencia inversa Otros

Una forma de identificar los relés, de acuerdo a la función que realizan es usando los números definidos en la norma ANSI/IEEE C57-2-1979, junto a los cuales una letra indica el equipo que se protege o bien complementa la información dada por él. Otra manera corresponde a los símbolos dados por la norma IEC. En la Tabla 1 se muestran algunos de los relés más utilizados:

Tabla 1 – Numeración ANSI y Símbo los Norm alizados IEC para dist into s ti pos d e relés

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2.2.1 Numeración y sufijos ANSI/IEEE

A continuación se entrega una descripción detallada de los números de funciones de relés ANSI/IEEE. 1. Elemento principal, es el dispositivo de iniciación, tal como el interruptor de control, relé de tensión, interruptor de flotador, etc., que sirve para poner el aparato en operación o fuera de servicio, bien directamente o a través de dispositivos, tales como relés de protección con retardo. 2. Relé de cierre o arranque temporizado, es el que da la temporización deseada entre operaciones de una secuencia automática o de un sistema de protección, excepto cuando es proporcionado específicamente por los dispositivos 48, 62 y 79 descritos más adelante. 3. Relé de comprobación o de bloqueo, es el que opera en respuesta a la posición de un número de condiciones determinadas, en un equipo para permitir que continúe su operación, para que se pare o para proporcionar una prueba de la posición de estos dispositivos o de estas condiciones para cualquier fin. 4. Contacto principal, es un dispositivo generalmente mandado por el dispositivo Nº 1 o su equivalente y los dispositivos de permiso y protección necesarios, y sirve para cerrar y abrir los circuitos de control necesarios para reponer un equipo en marcha, bajo las condiciones deseadas o bajo otras condiciones anormales. 5. Dispositivo de parada, es aquel cuya función primaria es quitar y mantener un equipo fuera de servicio. 6. Interruptor de arranque, es un dispositivo cuya función principal es conectar la máquina a su fuente de tensión de arranque. 7. Interruptor de ánodo, es el utilizado en los circuitos del ánodo de un rectificador de potencia, principalmente par interrumpir el circuito rectificador por retorno del encendido de arco. 8. Dispositivo de desconexión de energía de control, es un dispositivo de desconexión (tal como un conmutador de cuchilla, interruptor o bloque de fusibles extraíbles) que se utiliza con el fin de conectar y desconectar, respectivamente, la fuente de energía de control hacia y desde la barra o equipo de control. Nota.- se considera que la energía de control incluye la energía auxiliar que alimenta aparatos pequeños como motores calefactores. 9. Dispositivo de inversión, es el que se utiliza para invertir las conexiones del campo de una máquina o bien para otras funciones especiales de inversión. 10. Conmutador de secuencia, es el que se utiliza para cambiar la secuencia de conexión o desconexión de unidades de un equipo de unidades múltiples. 11. Reservado para aplicaciones futuras. 12. Dispositivo de exceso de velocidad, es normalmente un interruptor de velocidad de conexión directa que actúa cuando la máquina embala. 13. Dispositivo de velocidad síncrona, es el que funciona con aproximadamente la velocidad normal de una máquina, tal como un conmutador de velocidad centrífuga, relés de frecuencia de deslizamiento, relé de tensión, relé de intensidad mínima o cualquier tipo de dispositivo similar. 14. Dispositivo de falta de velocidad, es el que actúa cuando la velocidad de la máquina desciende por debajo de un valor predeterminado. 15. Dispositivo regulador de velocidad o frecuencia, de una máquina o sistema a un cierto valor o bien entre ciertos límites 16. Reservado para aplicaciones futuras. 17. Conmutador para puentear el campo serie, sirve para abrir y cerrar un circuito en shunt entre los extremos de cualquier pieza o aparto (excepto una resistencia) tal como el campo de una máquina un condensador o una reactancia. Nota.- Eso incluye los dispositivos que realizan las funciones de shunt necesarias para arrancar una máquina por los dispositivos 6 ó 42, su equivalente, y también excluye la función del dispositivo 73 que sirve para la operación de las resistencias. 18. Dispositivo de aceleración o declaración, es el que se utiliza para cerrar o hacer cerrar los circuitos que sirven para aumentar o disminuir la velocidad de una máquina. 19. Contactos de transición de arranque a marcha normal. Su función es hacer las transferencias de las conexiones de alimentación de arranque a las de marcha normal de la máquina. 20. Válvula maniobrada eléctricamente, es una válvula accionada por solenoide o motor, que se utiliza en circuitos de vacío, aire, gas, aceite, agua o similares. 21. Relé de distancia, es el que funciona cuando al admitancia, impedancia o reactancia del circuito disminuyen o aumentan a unos límites preestablecidos.

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22. Interruptor igualador , sirve para conectar y desconectar las conexiones para actualización de intensidad para los reguladores del campo de la máquina o de la tensión de la máquina, en una instalación de unidades múltiples. 23. Dispositivo regulador de temperatura, es el que funciona para mantener la temperatura de la máquina u otros aparatos dentro de ciertos límites. Nota.- Un ejemplo es un termostato que enciende un calentador en un elemento de aparellaje, cuando la temperatura desciende a un valor deseado que es distinto de un dispositivo usado para proporcionar regulación de temperatura automática entre límites próximos, y que sería designado como 90T. 24. Sobre excitación. Un relé que funciona cuando la relación V/Hz (tensión/frecuencia) excede un valor preajustado. El relé puede tener una característica temporizada o instantánea. 25. Dispositivo de sincronización o puesta en paralelo, es el que funciona cuando dos circuitos de alterna están dentro de los límites deseados de tensión, frecuencia o ángulo de fase, lo cual permite o causa la puesta en paralelo de estos circuitos. 26. Dispositivo térmico, es el que funciona cuando la temperatura del campo en shunt, o el bobinado amortiguador de una máquina, o el de una resistencia de limitación de carga o de cambio de carga, o de un líquido u otro medio, excede de un valor determinado con anterioridad. Si la temperatura del aparato protegido, tal como un rectificador de energía, o de cualquier otro medio, es inferior a un valor fijado con antelación. 27. Relé de mínima tensión, es el que funciona al descender la tensión de un valor predeterminado. 28. Detector de llama, su función es detectar la existencia de llama en el piloto o quemador principal, por ejemplo de una caldera o una turbina de gas. 29. Contactor de aislamiento, es el que se utiliza con el propósito especial de desconectar un circuito de otro, por razones de maniobra de emergencia, conservación o prueba. 30. Relé anunciador, es un dispositivo de reposición no automática que da un número de indicaciones visuales independientes al accionar el dispositivo de protección y además también puede estar dispuesto para efectuar la función de bloqueo. 31. Dispositivo de excitación separada, es el que conecta un circuito, tal como el campo shunt de una conmutatriz, a la fuente de excitación separada durante el proceso de arranque, o bien se utiliza para energizar la excitación y el circuito de encendido de un rectificador. 32. Relé direccional de potencia, es el que funciona sobre un valor deseado de potencia en una dirección dada o sobre la inversión de potencia como por ejemplo, la resultante del retroceso del arco en los circuitos de ánodo o cátodo de un rectificador de potencia. 33. Conmutador de posición, es el que hace o abre contacto cuando el dispositivo principal o parte del aparato, que no tiene un número funcional de dispositivo, alcanza una posición dada. 34. Conmutador de secuencia movido a motor, es un conmutador de contactos múltiples el cual fija la secuencia de operación de los dispositivos principales durante el arranque y la parada, o durante otras operaciones que requieran una secuencia. 35. Dispositivo de cortocircuito de las escobillas o anillos rozantes, es para elevar, bajar o desviar las escobillas de una máquina, o para cortocircuitar los anillos rozantes. 36. Dispositivo de polaridad, es el que acciona o permite accionar a otros dispositivos con una polaridad solamente, 37. Relé de baja intensidad o baja potencia, es el que funciona cuando la intensidad o la potencia caen por debajo de un valor predeterminado. 38. Dispositivo térmico de cojinetes, es el que funciona con temperatura excesiva de los cojinetes. 39. Detector de condiciones mecánicas, es el que tiene por cometido funcionar en situaciones mecánicas anormales (excepto las que suceden a los cojinetes de una máquina, tal y como se escoge en la función 38), tales como vibración excesiva, excentricidad, etc. 40. Relé de campo, es el que funciona por un valor dado, anormalmente bajo, por fallo de la intensidad de campo de la máquina, o por un valor excesivo del valor de la componente reactiva de la corriente de armadura en una máquina de c.a., que indica excitación del campo anormalmente baja. 41. Interruptor de campo, es un dispositivo que funciona para aplicar o quitar la excitación de campo de una máquina. 42. Interruptor de marcha, es un dispositivo cuya función principal es la de conectar la máquina a su fuente de tensión de funcionamiento en marcha, después de haber sido llevada hasta la velocidad deseada desde la conexión de arranque. 43. Dispositivo de transferencia, es un dispositivo accionado a mano, que efectúa la transferencia de los circuitos de control para mo dificar el proceso de operación del equipo de conexión de los circuitos o de algunos de los dispositivos.

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44. Relé de secuencia de arranque del grupo, es el que funciona para arrancar la unidad próxima disponible en un equipo de unidades múltiples cuando falta o no está disponible la unidad que normalmente precede. 45. Detector de condiciones atmosféricas. Funciona ante condiciones atmosféricas anormales, como humos peligrosos, gases explosivos, fuego, etc. 46. Relé de intensidad para equilibrio o inversión de fases, es un relé que funciona cuando las intensidades polifásicas están en secuencia inversa o desequilibrada o contienen componentes de secuencia negativa. 47. Relé de tensión para secuencia de fase, es el que funciona con un valor dado de tensión polifásica de la secuencia de fase deseada. 48. Relé de secuencia incompleta, es el que vuelve al equipo a la posición normal o “desconectado” y lo enclava si la secuencia normal de arranque, funcionamiento o parada no se completa debidamente dentro de un intervalo predeterminado. 49. Relé térmico para máquina, aparato o transformador, es el que funciona cuando la temperatura de la máquina, aparato o transformador excede de un valor fijado. 50. Relé instantáneo de sobre intensidad o de velocidad de aumento de intensidad, es el que funciona instantáneamente con un valor excesivo de velocidad de aumento de intensidad. 51. Relé de sobreintensidad temporizado, es un relé con una característica de tiempo inverso o de tiempo fijo que funciona cuando la intensidad de un circuito de c.a. sobrepasa in valor dado. 52. Interruptor de c.a. es el que se usa para cerrar e interrumpir un circuito de potencia de c.a. bajo condiciones normales, o para interrumpir este circuito bajo condiciones de falta de emergencia. 53. Relé de la excitatriz o del generador de c.c. es el que fuerza un campo de la máquina de c.c. durante el arranque o funciona cuando la tensión de la máquina ha llegado a un valor dado. 54. Reservado para aplicaciones futuras. 55. Relé de factor de potencia, es el que funciona cuando el factor de potencia de un circuito de c.a. no llega o sobrepasa un valor dado. 56. Relé de aplicación del campo, es el que se utiliza para controlar automáticamente la aplicación de la excitación de campo de un motor de c.a. en un punto predeterminado en el ciclo de deslizamiento. 57. Dispositivo de cortocircuito o de puesta a tierra, es el que funciona debido al fallo de uno o más de los ánodos del rectificador de potencia, o por el fallo de un diodo por no conducir o bloquear adecuadamente. 58. Relé de fallo de rectificador de potencia, es el que funciona debido al fallo de uno o más de los ánodos del rectificador de potencia, o por el fallo de un diodo por no conducir o bloquear adecuadamente. 59. Relé de sobretensión, es que funciona con un valor dado de sobretensión. 60. Relé de equilibrio de tensión, es el que opera con una diferencia de tensión entre dos circuitos. 61. Relé de parada o apertura temporizada, es el que se utiliza en unión con el dispositivo que inicia la parada total o la indicación de parada o apertura en una secuencia automática. 62. Reservado para aplicaciones futuras. 63. Relé de presión de gas, líquido o vacío, es el que funciona con un valor dado de presión del líquido o gas, para una determinada velocidad de variación de la presión. 64. Relé de protección de tierra, es el que funciona con el fallo a tierra del aislamiento de una máquina, transformador u otros aparatos, o por contorneamiento de arco a tierra de una máquina de c.c. Nota: Esta función se aplica sólo a un relé que detecta el paso de corriente desde el armazón de una máquina, caja protectora o estructura de una pieza de aparatos, a tierra, o detecta una tierra en un bobinado o circuito normalmente no puesto a tierra. No se aplica a un dispositivo conectado en el circuito secundario o en el neutro secundario de un transformador o transformadores de intensidad, conectados en el circuito de potencia de un sistema puesto normalmente a tierra. 65. Regulador mecánico, es el equipo que controla la apertura de la compuerta o válvula de la máquina motora, para arrancarla, mantener su velocidad o detenerla. 66. Relé de pasos, es el que funciona para permitir un número especificado de operaciones de un dispositivo dado o equipo, o bien, un número especificado de operaciones sucesivas con un intervalo dado de tiempo entre cada una de ellas. También se utiliza para permitir el energizado periódico de un circuito, y la aceleración gradual de una máquina. 67. Relé direccional de sobreintensidad de c.a. es el que funciona con un valor deseado de circulación de sobreintensidad de c.a. en una dirección dada. 68. Relé de bloqueo, es el que inicia una señal piloto para bloquear o disparar en faltas externas en una línea de transmisión o en otros aparatos bajo condiciones dadas, coopera con otros dispositivos a bloquear el disparo o a bloquear el reenganche con una condición de pérdida de sincronismo o en oscilaciones de potencia. 69. Dispositivo de supervisión y control, es generalmente un interruptor auxiliar de dos posiciones accionado a mano, el cual permite una posición de cierre de un interruptor o la puesta en servicio de un equipo y en la otra

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posición impide el accionamiento del interruptor o del equipo. 70. Reóstato, es el que se utiliza para variar la resistencia de un circuito en respuesta a algún método de control eléctrico, que, o bien es accionado eléctricamente, o tiene otros accesorios eléctricos como contactos auxiliares de posición o limitación. 71. Relé de nivel líquido o gaseoso . Este relé funciona para valores dados de nivel de líquidos o gases, o para determinadas velocidades de variación de estos parámetros. 72. Interruptor de c.c. es el que se utiliza para cerrar o interrumpir el circuito de alimentación de c.c. bajo condiciones normales o para interrumpir este circuito bajo condiciones de emergencia. 73. Contactor de resistencia de carga, es el que se utiliza para puentear o meter en circuito un punto de la resistencia limitadora, de cambio o indicadora, o bien para activar un calentador, una luz, o una resistencia de carga de un rectificador de potencia u otra máquina. 74. Relé de alarma, es cualquier otro relé diferente al anunciador comprendido bajo el dispositivo 30 que se utiliza para accionar u operar en unión de una alarma visible o audible. 75. Mecanismo de cambio de posición, se utiliza para cambiar un interruptor desconectable en unidad entre las posiciones de conectado, desconectado y prueba. 76. Relé de sobreintensidad de c.c. es el que funciona cuando la intensidad en un circuito de c.c. sobrepasa un valor dado. 77. Transmisor de impulsos, es el que se utiliza para generar o transmitir impulsos, a través de un circuito de Telemedida o hilos pilotos, a un dispositivo de indicación o recepción de distancia. 78. Relé de medio de ángulo de desfase o de protección de salida de paralelo, es el que funciona con un valor determinado de ángulo de desfase entre dos tensiones o dos intensidades, o entre tensión e intensidad. 79. Relé de reenganche de c.a. es el que controla el reenganche enclavamiento de un interruptor de c.a. 80. Relé de flujo líquido o gaseoso, actúa para valores dados de la magnitud del flujo o para determinadas velocidades de variación de éste 81. Relé de frecuencia, es el que funciona con un valor dado de la frecuencia o por la velocidad de variación de la frecuencia. 82. Relé de reenganche de c.c. es el que controla el cierre y reenganche de un interruptor de c.c. generalmente respondiendo a las condiciones de la carga del circuito. 83. Relé de selección o transferencia del control automático, es el que funciona para elegir automáticamente entre ciertas fuentes de alimentación o condiciones en un equipo, o efectúa automáticamente una operación de transferencia. 84. Mecanismo de accionamiento, es el mecanismo eléctrico completo, o servomecanismo, incluyendo el motor de operación, solenoides, auxiliares de posición, etc., para un cambiador de tomas, regulador de inducción o cualquier pieza de un aparato que no tenga número de función. 85. Relé receptor de ondas portadoras o hilo piloto, es el que es accionado o frenado por una señal y se usa en combinación con una protección direccional que funciona con equipos de transmisión de onda portadora o hilos piloto de c.c. 86. Relé de enclavamiento, es un relé accionado eléctricamente con reposición a mando o eléctrica, que funciona para parar y mantener un equipo fuera de servicio cuando concurren condiciones anormales. 87. Relé de protección diferencial, es el que funciona sobre un porcentaje o ángulo de fase u otra diferencia cuantitativa de dos intensidades o algunas otras cantidades eléctricas. 88. Motor o grupo motor generador auxiliar, es el que se utiliza para accionar equipos auxiliares, tales como bombas, ventiladores, excitatrices, etc. 89. Desconectador de línea, es el que se utiliza como un desconectador de desconexión o aislamiento en un circuito de potencia de c.a. o c.c. cuando este dispositivo se acciona eléctricamente o bien tiene accesorios eléctricos, tales como interruptores auxiliares, enclavamiento electromagnético, etc. 90. Dispositivo de regulación, es el que funciona para regular una cantidad, tal como la tensión, intensidad, potencia, velocidad, frecuencia, temperatura y carga a un valor dado, o bien ciertos límites para las máquinas, líneas de unión u otros aparatos. 91. Relé direccional de tensión, es el que funciona cuando la tensión entre los extremos de un interruptor o contactor abierto sobrepasa de un valor dado en una dirección dada. 92. Relé direccional de tensión y potencia, es un relé que permite y ocasiona la conexión de dos circuitos cuando la diferencia de tensión entre ellos excede de un valor dado en una dirección predeterminada y da lugar a que estos dos circuitos sean desconectados uno del otro cuando la potencia circulante entre ellos excede de un valor dado en la dirección opuesta. 93. Contador de cambio de campo, es el que funciona para cambiar el valor de la excitación de la máquina. 94. Relé de disparo o disparo libre, es el que funciona para disparar o permitir disparar un interruptor, contactor o

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equipo, o evitar un reenganche inmediato de un interruptor en el caso que abra por sobrecarga, aunque el circuito inicial de mando de cierre sea mantenido. 95. Reservado para aplicaciones especiales . 96. Reservado para aplicaciones especiales . 97. Reservado para aplicaciones especiales . 98. Reservado para aplicaciones especiales . 99. Reservado para aplicaciones especiales

2.2.1.1 Letras y sufijos de las funciones descritas Letras que denotan dispositivos auxiliares separados

C CL CS D L O OP PB R U X Y Z

Relé o contactor de cierre Auxiliar, cerrado (energizado cuando el dispositivo principal está en posición de cierre) Conmutador de control Posición «baja» del relé conmutador Relé de descenso Relé de apertura o contactor de apertura Relé auxiliar, abierto (energizado cuando el dispositivo principal está en posición abierta) Pulsador Relé de subida Posición «arriba» del relé conmutador Relé auxiliar

Nota: El control de un interruptor con el llamado esquema de control del relé X-Y, el relé de X es el dispositivo cuyos contactos principales son usados para energizar la bobina de cierre o el dispositivo que, de alguna manera, como la liberación de la energía acumulada, causa el cierre del interruptor. Los contactos del relé Y proporcionan una función antibombeo al interruptor. Letras que indican la condición o magnitud eléctrica a la que corresponde el dispositivo o el medio al que está unido, tales como:

A C E F L P PF Q S T V VAR VB

Aire y Amperios Corriente Electrolito Frecuencia o circuito de falta Nivel o líquido Potencia o presión Factor de potencia Aceite Velocidad Temperatura Tensión o volts en vacío Potencia reactiva Vibración 47


W

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Agua o Vatios

Letras que denotan el lugar del dispositivo principal en el circuito o el tipo de circuito en el que se utiliza el dispositivo o el tipo de circuito o aparato con el que está asociado, cuando este es necesario:

A AC AN B BK BP C CA D DC E F G H L M N P R S T TH TI TM U

Alarma o potencia auxiliar Corriente alterna Anódo Batería o ventilador o barra Freno Bypass Condensador o compensador o carrier o corriente Cátodo Descarga Corriente continua Excitatriz Alimentador o campo de filamento Generador o tierra (1) Calentador o albergue línea o lógica Motor o contador Red de Neutro (1) Bombeo o comparación de fase Reactancia o rectificador Sincronización o secundario Transformador o tiratrón Transformador (lado de AT) Transformador (lado de BT) Telemetro Unidad

Nota (1) El sufijo «N» se usa preferentemente al «G» para dispositivos conectados en el neutro del secundario de transformadores de corriente o en el secundario del transformador de corriente, el cual, el devanado primario está localizado en el neutro de una máquina o transformador de potencia, excepto en los casos de los relés de línea de transporte donde el sufijo «G» es más comúnmente usado para aquellos relés que operen en faltas a tierra. Letras que denotan las partes de los dispositivos principales, divididas en dos categorías:

Todas las partes, tales como las que se indican, excepto los contactos auxiliares, conmutadores de posición, fines de carrera y conmutadores de posición, los cuáles se tratarán por separado. BK C CC HC

Freno Bobina o condensador Bobina de cierre Bobina de retención 48


M ML MS S SI TC V

Unidad I

Motor de operación Motor límite de carga Motor de sincronización o de ajuste de velocidad Solenoide Sellado Bobina de disparo Válvula

Todos los contactos auxiliares y los conmutadores de posición y de fin de carrera para aquellos dispositivos y equipos como interruptores, contactores, válvulas y reostatos y contactos de relés. a

Los contactos que están abiertos cuando el dispositivo principal está en la posición de referencia estándar, comúnmente denominado como posición de no operació no desenergizado y que cierra cuando el dispositivo asume la posición opuesta.

b

Los contactos que están cerrados cuando el dispositivo principal está en la posición de referencia estándar, denominado posición de no operación o desenergizado, y que abre cuando el dispositivo asume la posición opuesta.

Nota La designación simple «a» o «b» es utilizada en todos los casos donde no se necesitan ajustar los contactos para cambiar de posición a cualquier punto en particular en el recorrido del dispositivo principal o donde la parte del recorrido donde los contactos cambian la posición no tiene importancia en el control o en el esquema de operación. Las designaciones «a» y «b» son suficientes para los conmutadores auxiliares del interruptor. Conmutadores auxiliares de los mecanismos de operación del interruptor para el mecanismo de libre disparo accionado mecánicamente, del interruptor:

aa

El contacto que está abierto, cuando el mecanismo de operación del dispositivo principal está en posición de no operación y que se cierra cuando el mecanismo de operación asume la posición opuesta.

bb

El contacto que está cerrado cuando el mecanismo operante del dispositivo principal está en posición no operante, y abre cuando el mecanismo operante asume la posición opuesta.

Nota La parte de recorrido en la que el conmutador auxiliar cambia de posición debería, si se necesita, especificarse en la descripción. «LC» Se utiliza para designar el conmutador de comprobación de bloques de tal mecanismo, el cual está cerrado cuando los puentes del mecanismo están bloqueados después de la operación de apertura del interruptor. «LS» Designa un conmutador de fin de carrera. Este es un conmutador de posición que se actúa por un dispositivo principal, tal como un reostato o la válvula cerca del extremo final de su recorrido. Su función normal es abrir el circuito del motor operante al final del recorrido del dispositivo principal, alcanzando una posición extrema del recorrido.

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Unidad I

El conmutador de límite de par se utiliza para abrir un circuito de motor de operación hasta un límite de par deseado al extremo final del recorrido de un dispositivo principal, tal como una válvula. Debería designarse como: tqc tqo

Conmutador de límite de par, abierto por un mecanismo para parar el cierre de la válvula. Conmutador de límite de par, abierto por un mecanismo que responde al par, para parar la apertura.

Si varios conmutadores auxiliares de posición de fin de carrera están presentes en el mismo dispositivo principal, deberán ser designados con sufijos numéricos suplementarios con 1, 2, 3, etc. Si necesario. Letras que cubren todas las otras funciones distintivas o condiciones, no específicamente descritas previamente, que sirven para describir el uso de los dispositivos o sus contactos en el equipo, tales como: A B C D E F H HR HS L M O OFF ON P R S T TDC TDO U

Aceleración o automática Bloque o apoyo Cerrado o frío Decelerado o detonado o abajo o libre Emergencia o conectado Caída o adelante Caliente o alta Reposición manual Alta velocidad Izquierdo o local o abajo o reductor Manual Abierto Desconectado o parado Conectado o en marcha Polarizante Derecho o elevar o reenganche o receptor o remoto o inverso Transmisión o balanceo Prueba o disparo Cierre retardado Apertura retardada Arriba

Número de sufijos: Si dos o más dispositivos con el mismo numero de función y sufijo están presentes, estos pueden distinguirse por sufijos numerados, como por ejemplo, 4X-1, 4X-2 y 4X3, cuando sea necesario. Dispositivos realizando más de una función: Si un dispositivo realiza dos funciones relativamente importantes en un equipo en el que se desean identificar ambas funciones, puede usarse una función de doble numero y nombre, tal como relé instantáneo de sobreintensidad y temporizado 50/51. El esquema de la muestra un ejemplo de un sistema de protecciones con la numeración de elementos de protección ANSI, pero simbología IEC. 50

Generalidades de Las Protecciones Eléctricas

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