CAPÍTULO 4 PRINCIPIO Y CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES FUNDAMENTALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS RELÉS
4.1
INTRODUCCIÓN
Un relé de protección es un dispositivo que causa un cambio brusco en uno ó más circuitos eléctricos de control, cuando la magnitud de la cantidad ó cantidades para las cuáles responde cambian. Los relés de protección son una herramienta básica para el ingeniero de protecciones, por lo tanto, es esencial conocer su principio y características fundamentales de funcionamiento, para su utilización más efectiva. Todos los relés que se consideran aquí, funcionan en respuesta a una ó más magnitudes eléctricas para cerrar ó abrir contactos. El relé de protección en general consta de los siguientes elementos:
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1. Un órgano de medición que es, sin duda, la parte más importante del dispositivo de protección; éste órgano consta de un elemento de medida donde se miden las señales procedentes de los transformadores de instrumentación o cantidades actuantes y un elemento comparador, el cual compara la acción de la cantidad actuante con el ajuste preestablecido en el relé (setting). La operación fundamental que tiene lugar en el órgano de medición es la comparación de señales. La misma consiste en la comparación de parámetros de información de esas señales que sean del mismo tipo. En calidad de parámetros de información para señales de corriente alterna se utilizan la amplitud (valor absoluto), la fase y la frecuencia, y para señales de corriente directa, el valor y el signo. Por ello, los principios de comparación de señales eléctricas (y por ende, los principios de operación de los esquemas de comparación) se subdividen en: comparación de señales eléctricas por su valor absoluto (comparación de amplitud), por su fase (comparación de fase) y por su frecuencia (comparación de frecuencia). En la práctica han encontrado aplicación los dos primeros principios para la construcción de relés estáticos; los mismos guardan correspondencia con los principios de transmisión de información, conocidos como de modulación-demodulación de amplitud y de fase. El principio de comparación de amplitud se utiliza en órganos de medición de corriente alterna ó directa; el principio de comparación de fase es aplicable solamente en órganos de medición de corriente alterna. Si el parámetro de información es la frecuencia de una señal de corriente alterna, en el órgano de medición el cambio de frecuencia de la señal se transforma en un cambio de amplitud ó de fase, y se efectúa la comparación mediante uno de los principios anteriormente mencionados. En ocasiones se efectúan simultáneamente las comparaciones de amplitud y de fase, por lo que puede considerarse que existe, además de los anteriores, el principio de comparación de amplitud-fase, también conocido como de comparación compuesta o
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híbrida. Resulta particularmente importante el estudio de las comparaciones fase y de amplitud de dos señales eléctricas. Ello se debe a los siguientes factores: los órganos de medición de tres ó más señales de entrada se utilizan con poca frecuencia, la teoría general de su operación es compleja, y no existe un método gráfico generalizado para la representación de sus características; por otra parte, aún en los órganos de medición de una señal de entrada es necesario efectuar la comparación de dos señales. 2. Un órgano de salida, que es el elemento intermediario entre el dispositivo de protección y los órganos accionados por este dispositivo. Amplifica las señales procedentes del órgano de medida y en su caso, engloba también los elementos necesarios para aumentar el número de señales de salida. Los órganos de salida clásicos son los contactores de mando y modernamente, los elementos lógicos con sus correspondientes dispositivos de amplificación. Adicionalmente existe siempre una fuente auxiliar de tensión que actúa como órgano de alimentación del dispositivo de protección. Esta fuente auxiliar puede ser una batería de acumuladores a baja tensión, un dispositivo de tensión nula, ó bien, la propia red a través de los correspondientes transformadores de corriente y de potencial. A continuación se presentará una clasificación sistemática de estos relés utilizando diferentes criterios de clasificación, junto con la concepción general del diseño de los relés y la forma de protección de los distintos tipos de fallas. 4.2
CLASIFICACIÓN DE LOS RELÉS DE PROTECCIÓN
Los relés de protección se clasifican por: 1.
El principio de operación.
2.
La magnitud eléctrica que controlan ó miden.
3.
Las características del tiempo de funcionamiento.
A continuación se estudiará con más detenimiento cada uno de estos criterios de clasificación.
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4.2.1
PRINCIPIO DE OPERACIÓN
Existen sólo tres tipos de operación de los relés: a) Atracción electromecánica. !
Electromecánico
!
Electrónicos o de estado sólido.
!
Térmicos.
b) Inducción electromagnética.
Los relés de atracción electromecánica como su nombre lo indica están basados en la fuerza de atracción ejercida entre piezas de material magnético y funcionan en virtud de un émbolo que es atraído por un solenoide, ó una armadura que es atraída por los polos de un electroimán, dichos relés pueden ser accionados tanto con magnitudes de c.a como de c.d. Los relés de inducción electromagnética, o simplemente relés de inducción denominados también como relés Ferraris, utilizan el principio de los motores de inducción, por medio del cual el torque se desarrolla por inducción en un rotor, su funcionamiento es sólo con c.a. Los relés de estado sólido hoy en día son los más empleados y los que presentan una mayor variedad de diseños. Los hay de tipo analógicos y digitales, inclusive hoy en día se desarrollan relés de protección con microprocesadores. Los relés térmicos se emplean generalmente contra las sobrecargas. Estos relés desconectan la máquina cuando sus devanados, por causa de una sobrecarga, alcanzan una temperatura capaz de dañar el aislamiento. Constan de una imagen térmica del objeto que han de proteger es decir, de un dispositivo cuya ley de calentamiento sea análoga a la del objeto protegido. Los dispositivos de imagen térmica son muy variados y cada una de las firmas constructoras de relés dispone de sus propios procedimientos. Más adelante, al estudiar los distintos ejemplos prácticos de relés, se tratará con más detalle los relés térmicos.
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En el capítulo de protección de transformadores.
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DEFINICIÓN DE FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de un relé, es debido al movimiento mecánico de un mecanismo de accionamiento, ó a la activación de circuitos electrónicos para abrir ó cerrar contactos. Al funcionar el relé cambia la posición normal de los contactos, entonces se dice que se pone en trabajo ó arranca; el valor mínimo de la cantidad actuante que origina esto, se incrementa lentamente desde cero y se le llama valor de puesta en trabajo; y si lleva sus contactos a la posición normal se dice que se repone (“reset”). Se define posición normal cuando los contactos asumen una posición dada, cuando el relé está en reposo o sin alimentación.
Figura 4.1 La Figura 4.1 muestra la nomenclatura normalizada para indicar la posición normal de los contactos en los diagramas de conexión. INDICADORES DE FUNCIONAMIENTO En general, los relés de protección están provistos de indicadores que se conocen como banderas, los cuales son elementos coloreados de un modo característico y son accionados mecánica ó eléctricamente por la acción del relé. En los relés electrónicos por diodos emisores de luz (LED´S); estos indicadores se reponen manualmente después de que se ha anotado su indicación ó funcionamiento.
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BOBINAS DE SELLO O DE RETENCIÓN Para proteger los contactos contra el deterioro, producido por el posible intento inadvertido de interrumpir los flujos de corriente, en el circuito de disparo del interruptor, algunos relés están provistos de un mecanismo de retención que comprende una pequeña bobina en serie con la bobina de disparo del interruptor y sus contactos, dicha bobina se conoce como bobina de sello o de retención. La Figura 4.2 muestra el circuito de control de los relés de protección.
Figura 4.2 AJUSTE DE PUESTA EN TRABAJO Ó DE REPOSICIÓN El ajuste de puesta en trabajo ó de reposición está previsto eléctricamente por tomas en la bobina del relé ó por transformadores auxiliares con tomas ó con resistencias (Figura 4.3). En algunos relés el ajuste esta previsto mecánicamente, ya sea por ajuste de la tensión del resorte ó por variación del entrehierro.
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En la toma No 1 se requiere menos corriente que en la No 5 para la puesta en trabajo. (N = número de vueltas de la bobina en la toma seleccionada).
Figura 4.3 AJUSTE DEL TIEMPO DE OPERACIÓN Ciertos relés tienen tiempos de operación que son ajustables y otros son instantáneos. Algunas veces se utilizan relés auxiliares (Temporizadores) para tener retardo de tiempo en los relés instantáneos haciendo este sistema del tipo tiempo definido. Para el relé de inducción, se varía el recorrido del contacto móvil ubicado en el rotor o disco. Su característica es de tiempo inverso, es decir, el tiempo de operación tiende a ser menor a medida que la cantidad actuante tiende a ser mayor. Los relés electrónicos son por lo general instantáneos (tiempo definido) ó contienen dispositivos adicionales con características similares a los relés de inducción. 4.2.1.1 RELÉS ELECTROMECÁNICOS
a) RELÉS DEL TIPO ATRACCIÓN ELECTROMECÁNICA (DE UNA SOLA MAGNITUD) Se consideran aquí los del tipo armadura atraíble (Figura 4.4) y del tipo solenoide (Figura 4.5), ya sea de c.a ó c.d, y accionados sólo por una fuente de corriente ó tensión.
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Figura 4.4
Figura 4.5 El contacto móvil es accionado por la fuerza electromagnética proporcional al cuadrado del flujo en el entrehierro. Si se desprecia el efecto de la saturación, la fuerza actuante será:
F = K I 2 − K 1 2 En donde:
F = Fuerza neta. K 1 = Constante de conversión de la fuerza, dependiente de las características de la bobina y el .
entrehierro.
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I = La magnitud eficaz de la corriente en la bobina. K 2 = Fuerza de retención (resorte mas fricción). Si está en el límite de puesta en trabajo, F = 0 entonces:
K I 2 = K 1 2
I =
K 1 = Cte K 2
Se puede modificar este valor variando K 1 ó K 2. Normalmente se modifica K 1 por medio de tomas en la bobina, tal como se ilustra en la Figura 4.3. Como operan con c.a ó c.d, y por su gran velocidad, están afectados por los transitorios y particularmente por la c.d. superpuesta en la onda de c.a. RELÉS DIRECCIONALES DEL TIPO ATRACCIÓN ELECTROMECÁNICA Están accionados por magnitudes de c.d. El término direccional significa que el relé actúa cuando la corriente fluye en una dirección determinada. La Figura 4.6 ilustra el funcionamiento de este relé; se ve una armadura móvil normalmente magnetizada por la corriente que fluye en la bobina actuante que rodea la armadura, y con tal polaridad que los contactos permanecen en su posición normal. La inversión de la magnitud actuante, invertirá las magnitudes magnéticas de los extremos de la armadura y ocasionará que los contactos cambien de posición. La bobina de polarización (se puede remplazar por un imán permanente) tiene como función polarizar el imán de polarización.
Figura 4.6
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La fuerza que tiende a mover la armadura será:
F = K I I − K 1P a 2 Donde,
F = Fuerza neta. K 1 = Constante de conversión de la fuerza. Ip = Magnitud de la corriente de la bobina de polarización. Ia = Magnitud de la corriente en la bobina de armadura. K 2 = Fuerza de retención. (incluye la fricción). En el punto de equilibrio, F = 0, el relé está en el límite de funcionamiento y la característica de funcionamiento es:
K I I = 2 = Cte P a K 1 Como generalmente Ip también es constante, se tiene:
K 2 = Cte = K I = a K I 1P Lo cual significa que debe tener la dirección correcta, lo mismo que la magnitud correcta (mayor de K ) para la puesta en trabajo del relé.
b) RELÉS DEL TIPO INDUCCIÓN PRINCIPIOS GENERALES DE FUNCIONAMIENTO Los relés de inducción son los más utilizados para la protección de sistemas de c.a. La fuerza actuante se desarrolla en un elemento móvil que puede ser un disco ó cualquier otra forma de rotor de material no magnético conductor de corriente, por la interacción de flujos electromagnéticos con las corrientes parásitas (de Foucault) que se inducen en el rotor.
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Figura 4.7 La Figura 4.7 muestra como se produce la fuerza en una sección de un rotor que está atravesado por dos flujos de c.a adyacentes. Cada flujo induce tensión alrededor del mismo en el rotor y las corrientes fluyen en el rotor bajo la influencia de las dos tensiones. La corriente producida por un flujo reacciona con el otro y viceversa, para producir las fuerzas actuantes sobre el rotor. Las magnitudes incluidas en la Figura 4.7 pueden expresarse como:
! = ! sen (wt) 1 1 ! = ! sen (wt + ") 2 2 Donde,
θ = Ángulo por el que φ2 adelanta a φ1. Despreciando la autoinductancia de las trayectorias en las cuales fluyen las corrientes en el rotor; las corrientes en el rotor están en fase con sus tensiones: d! = 1 = ! cos (wt) I !1 1 dt
d! I
!2
=
2 = ! cos (wt + ") 2 dt
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Como las dos fuerzas están en oposición, la fuerza neta será:
F = (F − F ) = (! i − ! i ) 1 2 2 !1 1 !2 Sustituyendo los valores de los términos en esta ecuación se tiene:
F = ! ! [sen (wt + ") cos (wt) − sen (wt)cos (wt + ")] 1 2 Que se reduce a:
F = ! ! sen" 1 2 Es conveniente introducir una constante de proporcionalidad K propia de su construcción.
F=
K !
! sen" 1 2
Se obtiene la máxima fuerza cuando los flujos están 90º fuera de fase. TIPOS DE ESTRUCTURA ACTUANTE !
Estructura de Polo Sombreado
Esta estructura está accionada, en general, por corriente que fluye en una sola bobina sobre una estructura magnética que tiene un entrehierro. El flujo del entrehierro se encuentra dividido en dos componentes fuera de fase, por el llamado anillo de sombra, que rodea parte de la cara polar de cada polo en el entrehierro. El rotor es un disco de cobre ó aluminio fijado por un pivote para girar en el entrehierro entre los polos (Figura 4.8).
Figura 4.8
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!
Estructura Tipo Contador de Inducción
Esta estructura toma su nombre por ser igual a la utilizada en los contadores de inducción. Tiene dos bobinas separadas en dos circuitos magnéticos diferentes, cada cual produce un flujo necesario para manejar el rotor, que en este caso es también un disco. (Figura 4.9)
Figura 4.9 !
Estructura de Copa o Cilindro de Inducción
Consta de un cilindro similar a una copa, el cual rota en un entrehierro anular, entre los polos de las bobinas y de un núcleo central estático (Figura 4.10) y sólo la parte conductora está libre para girar. El núcleo es un cilindro hueco. Esta estructura produce un torque más eficiente que las estructuras de disco y se utiliza en relés de alta velocidad. Se emplean especialmente configuraciones con cuatro u ocho polos espaciados simétricamente alrededor de la circunferencia de la copa.
4-14
Figura 4.10 !
Estructura de anillo sencillo de Inducción
Produce el torque más eficiente sin embargo tiende a vibrar. ( Figura 4.11)
Figura 4.11 !
Estructura de doble anillo
Emplea en lugar de cilindros, dos anillos en ángulos rectos entre sí (Figura 4.12)
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Figura 4.12 RELÉS DE INDUCCIÓN DE UNA SOLA CANTIDAD ACTUANTE Un relé de una sola cantidad actuante está accionado por una sola fuente de corriente ó tensión. Cualquier estructura de las descritas anteriormente se puede utilizar, la de polo sombreado es exclusivamente para una sola cantidad actuante; para las otras estructuras, sus dos circuitos se conectan en serie ó paralelo, y el ángulo de fase requerido se obtiene haciendo los dos circuitos con relaciones X / R diferentes. Despreciando el efecto de saturación, el torque de estos relés se puede expresar:
T = K I 2 − K 1 2 En donde I es la magnitud eficaz de la corriente de los dos circuitos y el ángulo de fase entre las corrientes individuales es parte de la constante de diseño. Si el relé está accionado de una fuente de tensión, el torque será:
T = K V 2 − K 1 2 En donde V es la magnitud eficaz de la tensión aplicada.
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RELÉS DIRECCIONALES DEL TIPO INDUCCIÓN Son accionados por dos fuentes diferentes é independientes; de aquí que el ángulo .ø de la ecuación general de los relés de inducción está expuesto a cambiar, y debe considerarse en la aplicación y diseño de estos relés. Puede utilizarse cualquier estructura de las vistas con excepción de la de polo sombreado. CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN RELÉ DIRECCIONAL Se hace alusión al termino direccional, porque se utiliza para determinar ó conocer la diferencia entre la corriente que es proporcionada en una dirección y la corriente en la otra dirección, en un circuito de c.a. La magnitud que produce uno de los flujos es conocida como la magnitud polarizante. Esta es la referencia con la cual se compara el ángulo de fase de la otra magnitud, por esto el ángulo de la fase de la magnitud polarizante debe permanecer más ó menos fijo cuando la otra magnitud sufre cambios. Considerando la relación de torque en un relé direccional de corriente-tensión; en el punto de equilibrio, cuando el relé está en el límite de funcionamiento, el torque neto será cero y se tiene:
K V I cos (" − #) = 2 = Cte K 1 Esta característica de funcionamiento se ilustra en la Figura 4.13. CARACTERÍSTICA DE FUNCIONAMIENTO DE UN RELÉ DIRECCIONAL
Figura 4.13
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La magnitud polarizante que generalmente es la tensión, es la referencia y se supone que su magnitud es constante. La característica de funcionamiento se ve que es una línea desplazada del origen y perpendicular a la posición de torque máximo positivo de la corriente. Esta línea es el trazo en el diagrama de coordenadas polares de la relación:
I cos (" − #) = Cte O sea, cuando V es constante y ésta es la línea que divide el desarrollo del torque neto positivo y negativo del relé. Cualquier vector de corriente que esté situado en el área del torque positivo originará la puesta en trabajo; y no se pondrá en trabajo ó repondrá para cualquier vector de corriente que esté situado en el área de torque negativo. A continuación se presentarán las relaciones de torque y las características de funcionamiento para los relés de inducción que son accionados por corriente-corriente y por corriente-tensión. Relé de corriente-corriente Son accionados por dos fuentes de diferentes transformadores de corriente, la ecuación de torque se puede expresar así:
T = K I I ( Sen" ) − K 1 1 2 2 En donde,
I1, I2 = Valores eficaces de las corrientes actuantes
θ
= Ángulo de fase entre I1 e I2
K 1
= Constante de conversión de la fuerza.
K 2
= Fuerza de retención (incluye la fricción).
Se puede observar en la Figura 4.14 que el ángulo de torque es máximo cuando θ es igual a 90º, sin embargo se desea en general que el torque máximo ocurra en algún valor de θ diferente a 90º, para esto una de las bobinas actuantes se pone en derivación a través de una resistencia. El toque máximo ocurrirá cuando los dos flujos de las bobinas estén 90º fuera de fase, aún cuando las dos corrientes estén en algún ángulo diferente de 90º.
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RELÉ DIRECCIONAL DEL TIPO CORRIENTE-CORRIENTE
Figura 4.14 La Figura 4.15 muestra la relación vectorial para un relé con una resistencia en derivación de la bobina 1. I1 es la corriente total proporcionada por la fuente a la bobina y a la resistencia en paralelo. El ángulo φ es el ángulo por el cual el flujo en la bobina 1 atrasa la corriente I1, el torque máximo ocurrirá cuando la diferencia de fase de las dos bobinas sea de 90º. La expresión del torque será:
T = K I I Sen (" − !) − K 1 1 2 2 RELÉ DIRECCIONAL DEL TIPO CORRIENTE-CORRIENTE CON UNA RESISTENCIA EN DERIVACIÓN EN LA BOBINA 1
Figura 4.15
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Relés de corriente-tensión Recibe una cantidad actuante de un transformador de corriente y otra de un transformador de potencial, la expresión de torque será:
T = K I V Cos (" − #) − K 1 2 Donde,
V = Magnitud eficaz de la tensión aplicada a la bobina de tensión. I = Magnitud eficaz de la corriente aplicada a la bobina de la corriente.
θ = Ángulo entre I y V. τ = Ángulo de torque máximo. En la Figura 4.16 se representa la ecuación en forma gráfica, donde Iv es la corriente en la bobina de tensión y el ángulo φ es el ángulo por el cual Iv atrasa a V. Estos relés también se denominan relés de potencia. En la Figura 4.17 se pueden visualizar los elementos de este tipo de relé. RELÉ DIRECCIONAL DEL TIPO CORRIENTE-TENSIÓN
Figura 4.16
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Corriente inducida en el disco por el polo superior reacciona con sobre el flujo del polo inferior para producir un torque. 1. El anillo de sombreo se emplea para provocar que el flujo del polo inferior esté en fase con el del polo superior de corriente en un factor de potencia unitario entre I y E.
Figura 4.17 Relés de tensión–tensión Se alimenta de dos fuentes independientes de transformadores de potencial, y su principio de funcionamiento es igual al ya descrito para los otros relés direccionales. ECUACIÓN GENERAL DEL TORQUE La ecuación general o universal del torque es:
T=K
I 2 + K V 2 + K V I cos (" − #) + K 1 2 3 4
Asignando signos positivos ó negativos a algunas de las constantes, haciendo cero las otras, y añadiendo algunas veces términos similares, pueden expresarse las características de funcionamiento de todos los tipos de relés.
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4.2.1.2
RELÉS DE ESTADO SÓLIDO
DESARROLLO HISTÓRICO Debido al desarrollo de los semiconductores y otros componentes asociados, todas las funciones de los relés electromecánicos pueden ser desarrollados por los relés de estado sólido, el concepto de relé estático se refiere comúnmente a aquellos que carecen de partes móviles, en cuya construcción se utilizan dispositivos electrónicos (bulbos electrónicos o elementos semiconductores), ó dispositivos magnéticos (amplificadores magnéticos, etc.). No obstante lo anterior, en los relés estáticos se utilizan por lo general relés electromecánicos auxiliares en calidad de elementos de salida. Los relés estáticos han pasado por tres fases en su desarrollo: la fase de construcción a partir de bulbos electrónicos, la fase de elementos magnéticos y la de elementos semiconductores. El primer intento de utilizar bulbos electrónicos para la construcción de relés fue exitoso y dio lugar a un relé de protección por onda portadora de líneas de transmisión en el año 1925. En la década de 1930-1940 se publicaron varios trabajos sobre construcción de relés de diversos tipos utilizando bulbos electrónicos, la primera versión comercial de un relé estático de distancia basado en bulbos se hizo realidad en 1948. Es necesario señalar que la insuficiente confiabilidad de estos dispositivos limitó seriamente la utilización de estos primeros relés, con la única excepción de la protección piloto de líneas de transmisión por onda portadora. La utilización de los elementos magnéticos en la construcción de relés estáticos se inició en la década 1930-1940. Trabajos posteriores en esta dirección demostraron que los relés construidos a partir de elementos magnéticos podían competir con los electrónicos. La aplicación de los semiconductores en el campo de la protección de Sistemas Eléctricos de Potencia comenzó a intentarse desde la década 1930-1940, en relés a base de rectificadores de Selenio y Oxido de Cobre, que no tuvieron aplicación práctica. El descubrimiento del transistor dio nuevo impulso a esta línea de desarrollo, lo que se demuestra por el hecho de que en 1949 surgió el primer comparador de fase transistorizado, en 1954 el primer relé de distancia transistorizado, y en 1959 y 1961 aparecieron, respectivamente versiones comerciales de relés de sobrecorriente y de distancia transistorizados. En la década de 1960-1970 nació una nueva generación de relés estáticos, basados en componentes electrónicas integradas, tales como
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amplificadores operacionales y compuertas lógicas. En esa década los diferentes fabricantes desarrollaron familias completas de relés con esta base electrónica. La más reciente generación de relés estáticos se desarrollo en la etapa de introducción masiva del microprocesador en distintas esferas de la industria. Sus orígenes, sin embargo, se remontan a finales de la década de 1960-1970, en que se concibieron y probaron algoritmos, que demostraron las posibilidades potenciales de la utilización de una computadora digital, para realizar funciones de protección. Estos trabajos iniciales se adelantaron a su época, pues las computadoras grandes entonces eran muy costosas, y las más económicas carecían de la potencia de calculo necesaria para la tarea; su valor radica en que sentaron las bases para el ulterior desarrollo de las protecciones microprocesadas. Existen dos tipos de relés de estado sólido: !
Los Analógicos que funcionan con ondas senoidales.
!
Los Digitales que funcionan con pulsos. Algunos relés son híbridos de éstos dos tipos.
VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LOS RELÉS DIGITALES DE PROTECCIÓN La introducción de la tecnología digital en el área de protección de Sistemas Eléctricos de Potencia confiere a los relés y sistemas digitales de protección y, en particular, a los microprocesados, ventajas definidas con respecto a sus similares analógicos. Estas ventajas son: !
El costo de los relés digitales es comparable con el de los analógicos, en algunos casos es menor, y su tendencia es a decrecer.
!
Los relés digitales tienen mayor capacidad de autodiagnóstico, lo que los hace más confiables que los analógicos.
!
Estos relés son totalmente compatibles con la tecnología digital que se está introduciendo en las subestaciones.
!
Tienen una gran flexibilidad funcional, que les permite realizar otras funciones, como las de medición, control y supervisión.
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!
Tienen capacidad de comunicación con otros equipos digitales de la subestación y el sistema.
!
Pueden constituir la base de una protección adaptativa, cuyos parámetros de operación cambian automáticamente con las condiciones del sistema.
Los factores que han impedido # aprovechar plenamente las posibilidades potenciales de la protección digital son: #
Desarrollo insuficiente en las redes de comunicación, que limiten las posibilidades que ofrece la capacidad de comunicación de los relés. #
Realmente hoy en día el desarrollo de las comunicaciones es suficiente como para que
la información que pueda suministrar un terminal sea transmitida por la red hasta donde se requiere. Sin embargo existen limitantes que no han permitido, por lo menos al nivel de países como Colombia, que el aprovechamiento tanto de las redes de comunicación, como de los terminales, sea óptimo. Por ejemplo, existe un desconocimiento generalizado de las virtudes de las redes y de los terminales; en segundo lugar, normalmente se presenta demasiada diversidad de marcas y fabricantes cuando se requiere integrar varios terminales en una sola red, esto implica unificar la comunicación de todos los equipos con un mismo lenguaje, lo cual es realmente difícil, y de lograrlo se pierde información valiosa en lo que se podría denominar “la traducción”. En la práctica existen subestaciones automatizadas en las cuales se logra explotar las virtudes de terminales y redes óptimamente, teniendo en cuenta que todos pertenecen a un mismo fabricante, desafortunadamente esta situación no es generalizada en Colombia y muchos otros países. #
El hardware de los relés digitales cambia con gran velocidad. Lo que dificulta su mantenimiento.
#
Se incluye una apreciación de la validez de dichas afirmaciones en la actualidad.
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#
Predomina la utilización de lenguaje ensamblador en los relés digitales, lo que limita la transportabilidad de los programas entre distintos relés.
#
Aun hay problemas para la adaptación de los relés digitales a las condiciones ambientales y electromagnéticas de una subestación. #
En la actualidad los terminales de protección vienen garantizados para trabajar en
condiciones como las siguientes: Ambientales hasta de 90% ó 100% humedad relativa, de menos 5 a 55 grados centígrados. Alimentación de 80 a 125 % de la tensión nominal d.c., e incluso ya muchos están diseñados para trabajar con a.c. ó d.c. En Inmunidad Electromagnética los terminales de protección hoy día están diseñados para soportar ambientes muy adversos, para lo cual se hacen pruebas severas como las exigidas por la norma IEC 60255-22, donde se incluyen pruebas como “Electromagnetic Compatibility Test”, “Insulation Test”, “Mechanical Test” , entre otras. Esto justifica un excelente desempeño en los diversos ambientes de las subestaciones. Cabe anotar que aunque en algunas subestaciones en cuanto a temperatura, humedad, polvo, etc, las condiciones de ambiente no son controladas, es necesario hacerlo, lo cual refuerza y garantiza aún más el buen desempeño de los equipos en ambientes adversos. ARQUITECTURA DE UN RELÉ DIGITAL En la Figura 4.18 se presenta el diagrama de bloques general de un relé digital. Al relé se le aplican señales analógicas provenientes de los transductores primarios de corriente y potencial, y señales discretas, que reflejan el estado de interruptores, cuchillas y otros relés. Estas señales reciben un procesamiento en los subsistemas correspondientes antes de su aplicación a la microcomputadora, que constituye el elemento principal del relé. Las señales analógicas pasan adicionalmente por un proceso de conversión análogo-digital antes de entrar a la unidad central de procesamiento de la microcomputadora.
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Las señales discretas de salida del relé reciben procesamiento en el subsistema de salidas discretas, que generalmente incluye relés electromecánicos auxiliares de salidas de tipo contacto. El relé realiza también la función de señalización (generalmente de tipo lumínico) visibles en su exterior. La mayoría de los relés digitales dispone también de capacidad de comunicación con otros equipos digitales, mediante puertos de tipos serial y paralelo. El subsistema de señales analógicas (Figura 4.18) de un relé digital tiene las siguientes funciones: a)
Acondicionar las señales de tensión y corriente provenientes de los transductores primarios a tensiones adecuadas para la conversión análogo-digital.
b)
Aislar eléctricamente los circuitos electrónicos del relé de los circuitos de entrada.
c)
Proteger el relé contra sobretensiones transitorias inducidas en los conductores de
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Las señales discretas de salida del relé reciben procesamiento en el subsistema de salidas discretas, que generalmente incluye relés electromecánicos auxiliares de salidas de tipo contacto. El relé realiza también la función de señalización (generalmente de tipo lumínico) visibles en su exterior. La mayoría de los relés digitales dispone también de capacidad de comunicación con otros equipos digitales, mediante puertos de tipos serial y paralelo. El subsistema de señales analógicas (Figura 4.18) de un relé digital tiene las siguientes funciones: a)
Acondicionar las señales de tensión y corriente provenientes de los transductores primarios a tensiones adecuadas para la conversión análogo-digital.
b)
Aislar eléctricamente los circuitos electrónicos del relé de los circuitos de entrada.
c)
Proteger el relé contra sobretensiones transitorias inducidas en los conductores de entrada por conmutaciones y otros procesos transitorios en el sistema primario ó en los circuitos secundarios del esquema de protección.
d)
Hacer el filtrado de las señales analógicas de entrada para evitar el fenómeno de reflexión del espectro (antialiasing). Este filtrado es necesario para limitar el espectro de frecuencia de esas señales a una frecuencia no mayor que la mitad de la frecuencia de muestreo a utilizar en el relé.
El subsistema de entradas discretas tiene las funciones de acondicionar señales para su aplicación al procesador (lo que puede incluir una fuente de alimentación auxiliar para censar el estado de contactos), proveer el aislamiento eléctrico necesario entre las entradas y los circuitos electrónicos, y proteger al relé de sobretensiones transitorias. En la interfaz análogo-digital se llevan acabo los procesos de muestreo y conversión análogo-digital de las señales analógicas. El reloj de muestreo (Figura 4.19) genera pulsos de corta duración y de una cierta frecuencia, que marcan instantes de muestreo; en cada uno de ellos se hace la conversión del valor instantáneo de la señal analógica a una palabra digital, que queda disponible para el procesador.
Figura 4.19
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El procesador del relé es el encargado de ejecutar los programas de protección, de controlar diversas funciones de tiempo, y de realizar tareas de autodiagnóstico y de comunicación con los periféricos. En el relé se requieren distintos tipos de memorias; la memoria de acceso aleatorio (RAM) es necesaria como buffer para almacenar temporalmente los valores de las muestras de entrada, para acumular resultados intermedios de programas de protección, y para almacenar datos a ser guardados posteriormente en memoria no volátil. Los programas del relé se guardan en memorias de lectura solamente, de tipo no programable (ROM) ó programable (PROM), y se ejecutan directamente desde allí (excepcionalmente), ó se cargan inicialmente a memorias RAM para su posterior ejecución. Los parámetros de ajuste del relé y otros datos importantes que no varían con gran frecuencia se almacenan en memorias tipo ROM borrables (EPROM) ó eléctricamente borrables (EEPROM); una alternativa a ese tipo de memoria puede ser una RAM con respaldo por batería. Un aspecto importante de un relé digital es su capacidad de comunicación. Las interfaces de comunicación serial permiten el intercambio de información remota, fuera de la línea con el relé para tareas de asignación de valores de parámetros de ajuste, de lectura de registros de fallas ó de datos de ajustes, y otras. Para el intercambio de información de tiempo real es necesario disponer de una interfaz de comunicación paralela. El subsistema de salidas discretas procesa la información de un puerto paralelo de salida del procesador, consistente en una palabra digital en que cada bit puede ser utilizado para definir el estado de un contacto de salida. Debe existir acoplamiento óptico entre este puerto y el relé auxiliar o tiristor de salida del relé. El relé debe contar con una fuente de alimentación independiente, generalmente de tipo conmutado, que puede conectarse a la batería de acumuladores de la subestación, y produce las tensiones de corriente directa necesarias para los circuitos de relé (típicamente 5 V y ±15 V). En los posteriores capítulos se presentarán los algoritmos básicos de las versiones digitales de los relés de sobrecorriente, direccionales, de distancia y tipo piloto, que constituyen la base de la protección de líneas de transmisión.
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4.2.1.3
RELÉS TÉRMICOS
Los relés térmicos consisten en una unidad bimetálica que tiene un terminal fijo y el otro libre. Cuando la temperatura cambia, los diferentes coeficientes de expansión térmica de los dos metales hacen que el terminal libre se mueva, produciéndose así la operación de un sistema de contactos. Otros tipos de relés térmicos son los que reproducen la temperatura de los equipos por medio de resistencias detectoras de temperatura (RTD). Estas resistencias cambian su valor óhmico con el cambio de temperatura. En las Figuras 4.20 y 4.21 se ilustra este relé y una de sus principales aplicaciones. La indicación de temperatura se logra mediante el puente de Wheatstone cuando la RTD cambia su valor con la temperatura. El termómetro puede tener contactos de alarma ó disparo del interruptor a ciertas temperaturas.
Figura 4.20
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Figura 4.21 4.2.2
LA MAGNITUD ELÉCTRICA QUE CONTROLAN Ó MIDEN
Por la magnitud eléctrica que controlan ó miden los relés de protección pueden ser: $
Relés de corriente.
$
Relés de tensión.
$
Relés de producto.
$
Relés de cociente.
$
Relés diferenciales
$
Relés de frecuencia.
Los relés de corriente actúan por la acción de la intensidad de corriente que atraviesa el relé; por esta razón se les llama también relés de corriente o relés amperimétricos. Estos dispositivos pueden ser relés de corriente máxima cuando entran en funcionamiento, si la corriente del órgano protegido sobrepasa un cierto valor previamente determinado, ó relés de corriente mínima, si el funcionamiento tiene lugar cuando la corriente disminuye por debajo de un valor previamente fijado. Por lo general, estos relés son electromagnéticos y en algunas ocasiones térmicos. Los relés de tensión se llaman también relés voltimétricos y actúan por las variaciones de la tensión a que están sometidos. Se llaman relés de sobretensión si actúan al sobrepasar la
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tensión del valor previamente fijado, y relés de subtensión si entran en funcionamiento cuando la tensión baja por debajo del valor prefijado. Un caso particular es el relé de tensión nula que actúa cuando la tensión ha llegado a su valor cero. Generalmente, los relés de tensión son electromagnéticos. Los relés de producto actúan, como su nombre indica, por la acción del producto de dos magnitudes eléctricas. Los más conocidos son los relés de potencia, denominados también relés vatimétricos, los cuales entran en funcionamiento por la acción del producto de la corriente que atraviesa el relé, por la tensión a que están sometidos los bornes de este mismo. Normalmente, los relés de producto son de atracción electromecánica (ferrodinámicos) Los relés de cociente entran en funcionamiento cuando el cociente de dos magnitudes eléctricas llega a cierto valor prefijado. Los más conocidos son los relés de mínima impedancia, que actúan cuando la impedancia del relé, es decir, la relación Z = V I disminuye por debajo del valor establecido. Los relés de cociente son por lo general ferrodinámicos. Como su nombre indica, los relés diferenciales entran en funcionamiento cuando la diferencia de dos ó más magnitudes eléctricas, del mismo tipo (dos ó más corrientes, dos ó más tensiones, etc.) sobrepasa un valor fijado previamente. Los relés de frecuencia funcionan cuando la frecuencia se aparta del valor de consigna anteriormente establecido. Por lo general, estos relés son del tipo de inducción. 4.2.3
CARACTERÍSTICAS DEL TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO
Teniendo en cuenta el tiempo de funcionamiento, los relés de protección pueden ser: $
Relés de acción instantánea.
$
Relés de acción diferida.
Los relés de acción instantánea no tienen dispositivo de retardo. Por lo tanto, entran en funcionamiento en el mismo instante en que la magnitud eléctrica controlada (corriente, tensión, etc.) sobrepasan el valor previamente ajustado. Se les llama también relés instantáneos.
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En la característica de funcionamiento de un relé instantáneo de corriente máxima, las abscisas representan las intensidades de corriente y las ordenadas, los tiempos de funcionamiento del relé. Mientras el circuito protegido por el relé está atravesado por una corriente inferior ó igual a la corriente nominal I0 el relé no opera. Si se presenta una sobrecorriente, el relé funciona después de transcurrido el tiempo t0. Los relés de acción diferida, se denominan también relés temporizados. Estos relés tienen un dispositivo de temporización de tal forma que, el relé entra en funcionamiento después de cierto tiempo de haber alcanzado la magnitud eléctrica controlada (corriente, tensión, etc.). A su vez, los relés de acción diferida pueden ser con característica de tiempo: a) Tiempo definido b) Inverso c) Muy Inverso d) Extremadamente Inverso
La Figura 4.22 muestra las curvas de operación del tipo tiempo definido y tiempo inverso.
Figura 4.22
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4.3
ESTADO DEL ARTE EN LAS PROTECCIONES DE TRANSMISIÓN
4.3.1
USO DE MICROPROCESADORES
El avance más significativo que se ha dado en los últimos años en los sistemas de protección es la introducción del microprocesador en los relés y el consecuente desarrollo de algoritmos para cumplir en forma más eficiente y rápida las funciones de protección de las redes. Los relés con microprocesadores se conocen como de tipo numérico, y trabajan con muestras de datos en forma secuencial. Las variables continuas (corrientes y tensiones), no se tratan como tales sino que cada ciclo se toman alrededor de doce valores de cada señal para ser procesados de acuerdo con la velocidad, memoria y capacidad de cálculo disponibles. A diferencia de los equipos electromecánicos ó análogos de estado sólido, los microprocesadores sólo realizan una tarea en cada momento, de modo que las señales no coinciden en el tiempo. El manejo de datos obtenidos en forma no coincidente, exige que la lógica de procesamiento se adecue a esta particularidad mediante el congelamiento de los valores de diferentes señales en circuitos diseñados para tal fin. Estos valores sostenidos temporalmente se leen uno por uno, luego se convierten en una palabra digital de 8 ó 16 bits y finalmente se llevan al microprocesador para alimentar los algoritmos propios de las funciones de protección. El muestreo de señales introduce errores debidos a la presencia de altas frecuencias superpuestas en las señales de 60 Hz. Tomar doce muestras en cada ciclo de baja frecuencia es suficiente para reproducir con fidelidad la señal. Sin embargo para una alta frecuencia resultan muy pocas muestras por ciclo y la señal obtenida puede contener un error significativo denominado aliasing. La corrección de este error se realiza a removiendo las altas frecuencias mediante filtros adecuados, ó mediante un muestreo no sincronizado en cada ciclo. La interpretación de las señales a partir de los datos de muestra puede realizarse en términos de valor pico, valor promedio, valor eficaz, valor de señal para una frecuencia determinada, ó valor con compensación de la componente de corriente directa, según las necesidades de cada algoritmo de procesamiento.
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La detección de falla en relés numéricos puede realizarse por medios muy refinados, tales como cambios repentinos de magnitud, cambios de ángulo de fase, ó cambios en el patrón de onda en ciclos adyacentes. 4.3.2
ALGORITMOS DE AUTO-DIAGNÓSTICO
Una función muy importante que se incluye en los relés numéricos es el auto-diagnóstico, el cual se realiza por medio de las siguientes verificaciones básicas: !
Perro Guardián: Supervisa el hecho de que las tareas del microprocesador son cíclicas. Si una función dada no se ejecuta en un tiempo predefinido, se produce una alarma.
!
Prueba análoga: Periódicamente se sustituyen las entradas del relé por señales de valor conocido, y se compara la respuesta de los convertidores A/D con un patrón preestablecido. En caso de no haber correspondencia, se activa una alarma.
!
Suma de verificación: Los segmentos invariables de memoria, tales como la memoria de lectura (ROM), pueden probarse a través de un proceso de adición sobre el contenido de la memoria, verificando que el resultado de esta suma sea un valor fijo. Cualquier cambio en el contenido de la memoria constituye una falla la cual produce la alarma correspondiente.
!
Prueba de memoria de acceso aleatorio: Las memorias de acceso aleatorio (RAM) se prueban cuando se energiza un relé numérico, mediante la escritura y lectura de palabras definidas. Cualquier inconsistencia que se presente es identificada.
!
Prueba de memoria no volátil: La memoria no volátil por lo general se utiliza para el almacenamiento de variables que pueden ser cambiadas por el usuario, por ejemplo los ajustes del relé. Si estos valores se almacenan en tres memorias diferentes, periódicamente pueden compararse entre si. Cualquier inconsistencia produce una alarma.
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!
Verificación de comandos de salida: Los relés de salida pueden ser controlados por dos comandos que deben operar simultáneamente. Periódicamente el microprocesador prueba separadamente cada comando de salida, verificando el nivel en la señal obtenida.
!
Monitoreo de los circuitos externos de transformadores de medida: Con el fin de detectar interrupciones ó cortocircuitos en las conexiones de los transformadores de medida, se verifica que en condiciones de no falla, las ondas de corrientes y tensiones sean aproximadamente simétricas.
Los algoritmos de auto-diagnóstico, complementados con los análisis de los registros de fallas que generalmente se almacenan en las memorias de los relés, son una de las principales ventajas de los relés con microprocesadores pues se elimina la necesidad de realizar pruebas periódicas inyectando externamente corrientes y tensiones para verificar las funciones. Las características de operación no cambian con el tiempo; sólo dependen de los ajustes y de las señales de entrada. La estrategia de mantenimiento puede enfocarse hacia el mantenimiento correctivo antes que al preventivo. Aunque los relés numéricos poseen una muy alta probabilidad de identificar sus fallas en forma inmediata, es necesario reconocer que no son capaces de comprobar su operación en todos los aspectos. Por lo tanto los relés de respaldo todavía son necesarios. 4.3.3
FUNCIONES MÚLTIPLES
La alta velocidad de respuesta de los microprocesadores actuales permite que los relés puedan realizar cíclicamente muchas funciones. El mismo dispositivo puede servir como protección de distancia y de sobrecorriente, a la vez que incluye otras protecciones adicionales como lógica de cierre en falla, reconocimiento de pérdida de un circuito de tensión, protección por corriente de secuencia negativa, supervisión de los circuitos de disparo y ciclos de recierre. También se han desarrollado otras lógicas especiales como por ejemplo el reconocimiento de la apertura del extremo remoto de una línea sin necesidad de un canal de comunicación, mediante la detección de la suspensión repentina de carga trifásica, acompañada de una falla desbalanceada. Esta función permite el disparo casi simultáneo de los dos extremos de una línea sin utilizar teleprotecciones.
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Adicional a los algoritmos de protección propiamente dichos, los relés numéricos también incluyen la medición continua de las cantidades eléctricas (corrientes, tensiones, potencias, ángulos de fase) y el registro oscilográfico y binario de las variables al momento de ocurrir fallas. La tendencia actual es que más que relés de protección se disponga de Dispositivos Electrónicos Inteligentes los cuales con un solo juego de señales de entrada se encarguen de todas las funciones de medición, protección, control, supervisión y registro que se requieren en el sistema de potencia. 4.3.4
COMUNICACIONES
Las protecciones con microprocesadores permiten la comunicación digital en tres formas básicas: #
A un computador personal: Mediante una interfaz serial para leer y modificar las memorias del relé. Las principales funciones de esta comunicación son establecer los ajustes y accesar los registros de falla (oscilogramas y estados binarios); para cualquiera de los dos casos se requiere el software adecuado en el computador personal. Esta comunicación puede ser local, ó remota a través de un módem.
#
Al computador de la subestación: Es una comunicación permanente integrada a una red local en la subestación y se utiliza para que el relé transfiera sus entradas al computador, tanto en operación normal como al ocurrir fallas. También debe transferir las alarmas generadas por el relé. Además esta interfaz puede estar capacitada para cumplir todas las funciones propias de la interfaz del computador personal.
#
Al relé del extremo remoto: Las protecciones de línea también pueden comunicarse digitalmente con el relé del extremo remoto para conformar los diversos esquemas de protección que utilizan la cooperación entre relés.
Las comunicaciones digitales de los relés pueden realizarse mediante conductores metálicos ó a través de fibra óptica. Los enlaces ópticos tienden a generalizarse debido a su buen desempeño en los ambientes electromagnéticos propios de las subestaciones.
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4.3.5
PROTECCIONES ADAPTATIVAS
En los relés numéricos, las funciones de protección, sus características y sus ajustes, obedecen a los programas almacenados en las memorias. De acuerdo con las condiciones del sistema de potencia en un momento dado, es posible introducir modificaciones en la lógica de los relés para obtener una respuesta mejor ajustada a las necesidades del sistema de potencia. Estas modificaciones pueden realizarse en línea, por medio de señales externas. La capacidad de adaptarse a las condiciones del sistema de potencia se conoce con el nombre de protección adaptativa. En realidad el concepto no es nuevo: los relés temporizados de sobrecorriente adaptan su tiempo de operación a la magnitud de la corriente de falla; ó los relés direccionales se adaptan a la dirección de la corriente de falla. Sin embargo estas son características permanentes. Con las facilidades actuales, las protecciones se pueden adaptar a los cambios del sistema, en especial cuando existe un sistema de computadores jerárquico al cual están interconectados los relés de protección, los sistemas de medición, un computador de subestación y los procesadores del control remoto. Las técnicas adaptativas en general requieren respuestas de baja velocidad y pueden ser incluidas en los sistemas convencionales de supervisión y adquisición de datos de las subestaciones. Las posibilidades de utilización de funciones adaptativas son muy amplias. A continuación se describen las desarrolladas en los últimos años por diversos investigadores: $
Modelo de impedancia del sistema: Para obtener una mayor precisión en la determinación del sitio de falla, los relés de distancia pueden tener en cuenta la impedancia equivalente del sistema en cada extremo de la línea, así como la impedancia equivalente de interconexión externa entre los extremos de la línea. Estos equivalentes se pueden obtener de los datos locales de la subestación, a partir de la configuración, los circuitos fuera de servicio y la información desde computadores remotos. También pueden calcularse en un computador central, el cual le transmite los datos de impedancia equivalente a cada procesador de las líneas de transmisión.
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$
Disparo secuencial en líneas: Una línea de transmisión protegida con relés de distancia, sin comunicación entre extremos, requiere que la segunda zona tenga sobrealcance y actúe con temporización. Sin embargo al abrir el extremo lejano, los cambios en los flujos de corriente pueden servir de base para decidir el disparo inmediato, antes de cumplir la temporización. Por ejemplo en una falla monofásica, al abrir el extremo lejano se presenta una disminución sustancial en la corriente de las fases sanas y un incremento en la corriente de la fase con falla. Esta situación puede ser reconocida por el relé de protección y habilitada por una orden externa de confirmación, según la cual para la configuración actual del sistema, efectivamente la secuencia en el flujo de corrientes sólo es posible para una falla interna en la línea. La lógica interna del relé y la habilitación externa producen el disparo secuencial instantáneo del segundo extremo.
$
Alcance de relés de distancia en líneas de tres terminales: La primera y segunda zona de cada extremo pueden ajustarse teniendo en cuenta ¡a posición abierto ó cerrado de los otros dos terminales; también el alcance puede aumentarse ó disminuirse de acuerdo con la magnitud esperada de alimentación intermedia (infeed) que aporta uno de los terminales para una falla en el otro. La información relativa al estado de los interruptores remotos y la corriente esperada de alimentación intermedia, puede transmitirse por un canal de baja velocidad cada vez que la configuración del sistema cambia, de modo que la protección modifique sus alcances para adaptarse a cada condición.
$
Alcance en características de distancia de tierra: En las fallas a tierra de alta resistencia, el efecto combinado de la corriente de carga y el aporte de corriente desde el extremo lejano, introduce un efecto de reactancia aparente sobre la resistencia de falla. El algoritmo de cálculo del relé de distancia puede aumentar considerablemente su precisión, si obtiene el valor de la corriente de falla a partir del aumento de corriente respecto a la carga, y del factor de distribución de la corriente de falla entre los dos extremos. El aumento de corriente se calcula restando de la corriente actual la que había previa a la falla, y el factor de distribución puede obtenerse a partir del modelo de impedancia del sistema expuesto arriba. Este método adaptativo permitiría detectar fallas a tierra con
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resistencias hasta de 500 Ω; como se realizan un gran número de cálculos, el tiempo de respuesta es de aproximadamente 80 ms; por lo tanto la rutina debe ser independiente de la empleada para fallas de gran magnitud de corriente, con el fin de no retrasar el disparo en las fallas de baja resistencia. $
Respuesta ante defectos en el canal de teleprotección: Una de las alarmas más frecuentes es la pérdida del canal de teleprotección. La adaptación del ajuste de la primera zona del relé de distancia minimiza el efecto mientras el personal de mantenimiento realiza las reparaciones necesarias. Es posible aumentar el alcance de la primera zona al 120 %, conservando el subalcance normal después del recierre.
$
♣
Reducción de recierres no exitosos♣: Luego de una apertura monopolar los acoples de las fases sanas producen un arco secundario en la fase con falla desconectada. Al extinguirse el arco, se incrementa la tensión a tierra debido a los mismos acoples. La detección de esta tensión puede utilizarse como base para decidir que la falla se ha despejado y proceder a ordenar el recierre, con alta probabilidad de éxito. El cierre de un interruptor de polos independientes puede realizarse sincronizado con la onda de tensión: cerrar el primer polo de una línea desenergizada con la máxima tensión en el barraje minimiza la componente de corriente continua en caso corto circuito en esa fase. Si se detecta falla, la lógica de cierre ordena el disparo de la fase en falla y bloquea el cierre de las otras dos fases. Si del análisis de la tensión de acople en las fases que no han cerrado se deduce que éstas tienen alguna falla, también se bloquea incluirse en la lógica de recierre. Con altas resistencias (por ejemplo mayores de 25 Ω) se bloquea el recierre asumiendo que corresponden a fallas en mitad de vano, las cuales tienen baja probabilidad de auto extinguirse. Un computador central puede habilitar el recierre de alta velocidad sólo cuando se detectan tormentas, asumiendo que en estas condiciones hay mayor probabilidad de recierres exitosos.
♣
El tema de recierres es tratado en el Capítulo 12.
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$
Dependencia y seguridad: Los ingenieros de protecciones reconocen la existencia de un compromiso entre la dependencia y la seguridad en los esquemas de protección; la dependencia entendida como la habilidad de despejar correctamente una falla y la seguridad entendida como la tendencia de no disparar incorrectamente. Con una concepción adaptativa es posible acentuar la dependencia en condiciones normales de operación, esto es cuando la desconexión indeseada de una línea no es crítica para el sistema; y en estado de emergencia acentuar la seguridad previniendo que una desconexión indeseada debilite drásticamente la capacidad de transmisión. Así, en condiciones normales, las protecciones duplicadas de una línea puede operar en forma redundante de modo que cualquiera que detecte la falla ordene el disparo. Y en condiciones de alerta o emergencia, las dos protecciones pueden operar para que se produzca el disparo.
$
Coordinación de ajustes de los relés: Cuando se realizan los estudios para ajustar las protecciones, usualmente no es posible obtener coordinación para todas las permutaciones posibles en las configuraciones del sistema de potencia. El ingeniero debe escoger aquellas configuraciones que a su juicio tienen mayor probabilidad de ocurrir, y aceptar descoordinaciones para algunas contingencias. También debe decidir si en condiciones normales de operación se requiere degradar la calidad de las protecciones por la necesidad de cubrir contingencias. Las técnicas adaptativas resolverían estas deficiencias. Un computador puede verificar periódicamente la coordinación de relés sobre la base de las condiciones reales, utilizando los modelos de impedancia del sistema de potencia. El computador generaría alarmas si encuentra ajustes inadecuados y también puede recalcular los nuevos ajustes requeridos. Los nuevos ajustes podrían introducirse a las protecciones basadas en microprocesadores a través de los enlaces de comunicación disponibles.
4.3.6
PRUEBAS DE PROTECCIONES CON EL EMTP
Los equipos de pruebas para relés han evolucionado. Ahora es posible generar muchos patrones de pruebas con simulaciones en el EMTP (Electro Magnetic Transient Program), de tal
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modo que se reproduzcan más fielmente las condiciones dinámicas de las variables del sistema de potencia cuando ocurren fallas de diferente naturaleza. Las pruebas dinámicas permiten corregir deficiencias en las respuestas de los relés en la etapa de diseño ó de construcción de prototipos, especialmente para fallas por fuera de la característica de operación, sin necesidad de esperar a su operación defectuosa durante variaciones repentinas en la configuración de los sistemas de potencia. También es posible comprobar la operación de los esquemas de protección completos de las líneas de transmisión. Por medio de la simulación específica del sistema, se obtiene la respuesta dinámica de las corrientes y tensiones en los dos extremos de las línea, para diversas fallas internas y externas. La información digital correspondiente a las corrientes y tensiones se almacena en la memoria de un equipo de prueba en cada extremo de la línea, y se inyecta simultáneamente a las protecciones de cada extremo, usando como señal de sincronización los pulsos de tiempo transmitidos por el sistema satelital de posicionamiento geográfico.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
“Introducción a los Relés de Protección”. Carlos Felipe Ramírez G.,Mejía Villegas S.A., Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, 1987.
[2]
“Applied Protective Relaying”. J. Lewis Blackburn, Westinghouse Electric Corporation, 1979.
[3]
“Aplicación de Protecciones Eléctricas a Sistemas de Potencia”. Juan Manuel Gers O. Universidad del Valle, Cali, 1993.
[4]
“El Arte y Ciencia de la Protección por Relevadores”. Russell Mason.
[5]
“Introducción a los Relevadores y Sistemas Digitales de Protección”, Dr Héctor Jorge Altuve Ferrer, Universidad Autónoma de Nuevo León. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Monterrey, N.L, México. Nov 1993
[6]
“Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia”, Dr Héctor Jorge Altuve Ferrer, Universidad Autónoma de Nuevo León. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Monterrey, N.L, México.
[7]
“Electrical Transmission and Distribution Reference Book”, ABB. 1996
[8]
“Protective Relaying in Electric Power Systems”, Titarenko M., Noskav-Dukelsky. Segunda Edición. Peace Publishers. Moscow. 1971
[9]
Notas de clase de Protecciones y Estabilidad dictada por el Ing. Orlando Ortiz Navas en la Universidad Industrial de Santander. Año 2000.
[10]
“Instrumentación y Medidas Eléctricas Básicas”, Ing. William Chaparro Garnica. Universidad Nacional. Bogotá D.C, 2000.
[11]
“Proyecto Especial Sobre: Coordinación de Protecciones del Sistema de 115 kV de la EEB”, Ing. Víctor E. Rudas, Universidad de los Andes, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Programa de Magíster. Bogotá D.C, 1998.
