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Clasificación de los Relés La palabra relé comprende todos los dispositivos usados para funcionar, o “operar” cuando ciertas cantidades como voltaje, corriente, potencia, impedancia, temperatura, temperatura, presión, nivel, posición, posición, etc, pasan de un cierto valor llamado “valor de ajuste”. De acuerdo a esto clasificaremos a los relés de diferentes maneras.
Clasificación de los Relés por su construcción: De acue acuerd rdo o a su cons consttrucc rucció ión n tenem enemos os relés elés polarizados, de inducción, térmicos, mecánicos y estáticos.
elect lectro rom magné agnétticos icos,,
1.- Relés electromagnéticos: Son de construcción simple y de operación instantánea. Su principio de funcionamiento se basa en la atracción ejercida por una bobina o electroimán sobre una armadura. Ejemplo: relés de sobrecorriente y de bajo y sobre voltaje.
2.- Relés Polarizados: Son relés que se usan en corriente contínua. Su funcionamiento se basa en la atracción ejercida por una bobina alimentada con corriente continua sobre una armadura constituida por un imán permanete.
3.- Relés de Inducción: Basan su operación operación en el principio de Ferraris. Ferraris. Se utiliza utiliza extensamente extensamente en relés de protección de sobrecorriente, de sobre y baja tensión (relés de disco de inducción), relés direccionales y de distancia (relés de copa de inducción).
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4.- Relés Térmicos: Están compuestos por elementos bimetálicos en que los diferentes coeficientes de dilatación de sus partes, producen la operación de un contacto. Ellos se utilizan como protección contra sobrecargas o para controlar la partida de ventiladores en transformadores con refrigeración forzada.
5.- Relés Mecánicos: Pueden adoptar una gran variedad de formas. En nuestro medio los más usados son los relés de “Presión Súbita” usados en la protección de transformadores de poder y en aquellos transformadores con conservador de aceite: relés Buchholz.
6.- Relés de Estado sólido: Es un relé formado por unidades lógicas de estado sólido, que son componentes de baja corriente que trabajan con señales de voltaje de corriente directa. La unidad lógica sólo tiene dos estados “cero” y “uno”, y generalmente trabaja con una tensión de operación de 20 volts. Estos relés en relación con los electromagnéticos equivalentes son más pequeños, más rápidos, tienen menor carga (burden), la mayor parte de esta carga se debe a la fuente de poder. El relé de estado sólido, en su forma general, está formado por tres partes:
Fuente de tensión de corriente directa, con regulador, que hace autosuficiente la alimentación de energía. Rectificador de onda completa o fuente de la señal de disparo, que suministra una corriente aproximadamente de 0,001 del valor de la corriente secundaria del transformador de corriente. Bobina que actúa sobre el contacto de disparo instantáneo, y de la bandera de advertencia.
Cabe hacer presente que estos relés están diseñados también con las tres curvas básicas de corriente-tiempo, es decir, de tiempo inverso, muy inverso y extemadamente inverso.
Clasificación de los relés de acuerdo con sus funciones Relés de protección: Detectan fallas o perturbaciones y permiten o inician una orden de desconexión de uno o varios equipos. Se puede citar como tales a los relés de sobrecorriente, diferenciales, distancia, etc., en que cada vez que operan dan orden de desconexión a los interruptores.
RELÉS DE SOBRECORRIENTE:
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Son los más utilizados en subestaciones y en instalaciones eléctricas industriales, suelen tener disparo instantáneo y disparo temporizado, con bobinas de corriente de 4 a 16 amperes para los de fase y de 0,5 a 2 amperes para los de tierra. En las protecciones de sobrecorriente, se acostumbra a usar dos relés con bobinas de 4-16 amperes para la protección de fallas entre fases y un tercero de mayor sensibilidad, con bobinas de 0,5-2 amperes para la protección de fallas a tierra. Estos relés se calibran para que operen con señales de corriente por encima del valor máximo de la corriente nominal del circuito protegido. En condiciones de cortocircuito máximo deben proporcionar una buena coordinación de la secuencia de disparo de los interruptores que controlan los diferentes tramos de una línea de distribución.
Características de operación de protecciones de sobrecorriente: Por las razones explicadas anteriormente en cuanto a que todo sistema de protecciones debe ser “rápido” y “selectivo”, los relés de sobrecorriente poseen básicamente dos variables que es necesario considerar para una correcta aplicación:
Nivel de corriente mínima de operación Característica de tiempos de operación
La corriente mínima de operación, que en el lenguaje de los especialistas se acostumbra llamar “corriente de pick-up”, es aquella que produce justamente el cambio de estado del relé. Las características de tiempos de operación son variadas y se pueden resumir en el siguiente cuadro: C ara ct erí sti ca s d e Tiempos de operación
IN STA NT ANE OS Tiempo definido RETARDADOS Tiempo Invers
Inverso Muy Inverso Extremadamente Inverso
Esto queda definido aproximadamente por las siguientes ecuaciones:
Instantáneos Tiempo definido Tiempo Inverso Tiempo muy Inverso Tiempo extrem. Inverso
t=0 t=K t = k/ 2I t = k/ 3I t = k/ I
Esto es en la realidad muy aproximado, ya que en las formas de las curvas tienen mucha influencia elementos como el espiral de reposición, inercia de las partes móviles, imán de freno, etc. El resultado de esto es obtener curvas como las que a continuación se detallan:
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PROTECCIONES DIFERENCIALES Las protecciones diferenciales se basan en la comparación de corriente que entran y salen de un equipo valiéndose de transformadores de corriente. Su aplicación está limitada exclusivamente por la distancia de ambos juegos de transformadores de corriente, debido al burden que significan los cables de control que conducen esta información. Así, por motivos prácticos y económicos, esta protección tiene aplicación en máquinas síncronas y asíncronas, transformadores de poder, barras de subestaciones y líneas cortas, de potencias de generación, transformación o transferencias superiores a 8000 KVA. Esta protección es totalmente independiente de cualquier otra, es decir, no necesita estar coordinada con ninguna, por lo cual es inherentemente selectiva y, por consiguiente, se puede hacer extremadamente rápida.
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En barras de subestaciones y cortes líneas de transmisión, el elemento detector diferencial es, por lo general, un relé de sobrecorriente tipo disco de inducción ajustado para operar en un corto tiempo y con una corriente secundaria (tap) de 4 Amp. En subestaciones más importantes, donde se necesitan tiempos muy rápidos de despeje, se usan elementos de alta velocidad muy sensibles. El elemento que se usa en máquinas síncronas , asíncronas y transformadores de poder es un relé diferencial de porcentaje , por los motivos que se explican en próximo parráfo.
MOTIVOS DEL USO DE RELES DIFERENCIALES DE PORCENTAJE . Se a dicho que la protección diferencial es inherentemente selectiva y, en consecuencia , no debe ser afectada por fallas o perturbaciones que ocurran fuera de su zona protegida. A pesar de lo anterior, al ocurrir fallas externas que producen altos valores de corrientes de cortocircuito, se producen desequilibrios en el esquema de protección y con ellos corrientes diferenciales motivadas: - porque los transformadores de corriente no tienen exactamente el mismo factor de sobrecorriente, aún trabajando a burden nominal; y - -porque , aún cuando tuvieran el mismo factor, el burden que tienen conectado es diferente . Estos motivos, han exigido insensibilizar éstas protecciones para hacerlas operar solamente cuando la corriente diferencial es de un valor igual o superior a un determinado porcentaje de la corriente por fase. A éstos relés se les denomina “relés diferenciales de porcentaje“.
RELES DIFERENCIALES DE PORCENTAJE . El elemento de medida de estos relés compara la corriente que entra con respecto a la que sale del equipo, de tal manera que, cuando la diferencia es igual o superior a un porcentaje dado de la corriente mayor, el torque de operación se hace mayor que el de retención produciendo su operación. % de Sensibilidad = I1 – I2 * 100 = Id * 100 ----------I2 I2
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RELES DIFERENCIALES DE PROCENTAJE TIPO DISCO DE INDUCCIÓN El elemento de medida es semejante al de un relé de sobrecorriente tipo disco de inducción, espira en cortocircuito, con la diferencia que el comparador esta compuesto por dos unidades, una de operación y otra de retención. Este tipo de relé se aplica en máquinas , pero con los siguientes porcientos de sensibilidad : - máquina rotatoria.............................................10% - transformadores de poder................................15, 25 , 40 o 50 % En barras de subestaciones o en cortos tramos de líneas de transmisión no se acostumbra emplear relé de porcentajes para las protecciones diferenciales.
GENERALIDADES SOBRE PROTECCIONES DIFERENCIALES DE TRANSFORMADORES DE PODER.
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Refiriéndose a transformadores trifásicos, cuya aplicación es más compleja, es previo tener en consideración lo siguiente. La protecciones diferenciales se basan en la comparación de las corrientes que entran con las que salen del equipo, por lo cual su sumatoria en el circuito de la protección debe corresponder a corrientes en fases. De acuerdo con lo anterior, ésta protección se hace particularmente engorrosa cuando se trata de su aplicación en transformadores por los siguientes motivos: a) Las corrientes en las fases correspondientes de alta y baja tensión por lo general no están en fase y su desfase depende del tipo de conexión del transformador de poder. b) Como se trata de un acoplamiento inductivo entre el sistema de alta y baja tensión que justamente no tiene una relación de voltajes igual a 1, las corrientes, como se sabe, cumplen con la razón inversa de voltajes. c) Las razones normalizadas de transformadores de corrientes no siempre permiten obtener valores secundarios iguales por comparar. d) La protección, por tener que ser independiente de las condiciones de operación del sistema, no debe ser afectada por posibles cambios de taps (cambios de razón de transformación ) ni tampoco por su funcionamiento en vacío. e) La corriente que toma un transformador en el instante de su excitación (corriente de in-rush), tiene un régimen transiente cuyo comportamiento depende del valor instantáneo del voltaje para el cual se conecta el circuito. f) Cierto tipo de conexión de transformadores de poder, como es el caso de la conexión estrella / zig-zag, debe tener un tratamiento diferente al que le correspondería por su desplazamiento angular, para conseguir que ésta protección no opere para fallas externas.
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RELES DIRECCIONALES: 1.- De corriente: El relé de sobrecorriente direccional consiste normalmente en una unidad de sobrecorriente y una unidad direccional, las que se combinan para operar conjuntamente para una determinada magnitud y/o ángulo de fase predeterminado. En la unidad direccional se compara el ángulo de fase de la corriente de una fase en una bobina, con la fase de un voltaje o corriente en otra bobina de la unidad. La corriente o voltaje de referencia se denomina “polarización”.
Este relé opera solamente para el flujo de falla en una dirección determinada, siendo insensible para el flujo de corriente en la dirección opuesta. La unidad de sobrecorriente de este relé es exactamente el mismo que en una unidad de sobrecorriente normal y tiene por ende las mismas características tiempo-corriente, que son: tiempo definido, tiempo inverso, muy inverso y extremadamente inverso. Los relés de sobrecorriente direccionales pueden especificarse como retenidos por tensión en el elemento de corriente. Este último tipo de relé direccional se le conoce como “direccional controlado”, es decir, que la unidad de sobrecorriente es inerte hasta que la unidad direcccional detecta la corriente en la dirección de operación y activa la unidad de sobrecorriente. Muchos relés direccionales de sobrecorriente están equipados con elementos instantáneos, los que algunos casos operan en forma no direccional. A menos que se pueda determinar la dirección de corriente de falla por efecto de la magnitud solamente, no se debiera utilizar la característica de disparo instantáneo.
2.- De potencia: El relé direccional de potencia es básicamente un wattmetro monofásico o trifásico (disco de inducción con contactos) y operan a un valor de potencia
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predeterminado. Se utiliza para determinar exceso de flujo de potencia entre elementos de un sistema en una determinada dirección.
Bajo ciertas condiciones resulta muy útil como relé de baja potencia, para separar dos sistemas si el flujo de potencia cae bajo un valor predeterminado. Se debe tener especial cuidado con las unidades tipo wattmetro monofásica, puesto que en ciertos casos de factor de potencia determinados, pueden operar en forma falsa.
RELÉS DE DISTANCIA: Se basa en la comparación de la corriente de falla, vista por el relé, contra la tensión proporcionada por un transformador de potencial, con lo cual se hace posible medir la impedancia de la línea al punto de falla. El elemento de medición del relé es de alta velocidad (instantáneo) o con un retardo que suministra un elemento de tiempo. Normalmente, la impedancia es la medida eléctrica de la distancia, a lo largo de una línea de transmisión, desde la subestación hasta el lugar donde ocurre la falla. La característica direccional de un relé de distancia puede ser propia, o se le incluye, acoplándole un relé direccional. Estos relevadores tienen gran aplicación en protección de líneas, en donde se requiere la operación selectiva de los interruptores en cascada, y también, en los casos en que las corrientes de carga pueden ser mayores que las de cortocircuito. Los relés de distancia más utilizados son:
Tipo Impedancia: Se utilizan para proteger las fallas entre fases, en líneas de longitud media. Por si solo no es direccional. Necesita incluir un relé direccional para medir la impedancia en una sola dirección.
Tipo Admitancia: Es una combinación de relés de impedancia y direccional, se utiliza para proteger entre fases o pérdidas de excitación en generación o en grandes motores síncronos.
RELÉS DE HILOPILOTO : Es en sí, un relé de protección diferencial, adaptado para el caso en que los transformadores extremos de corriente se encuentran muy alejados. En estos relés se comparan las corrientes entrantes y salientes de una línea de transmisión y cuando la diferencia es apreciable, la protección envía orden de apertura a los dos interruptores extremos de la línea. Los relés pueden ser de corriente alterna o contínua. El sistema de alterna es inmune a variaciones de carga o pérdida de sincronismo, de ahí su mayor utilización en los sistemas eléctricos. Estos relés se utilizan como protección primaria de líneas con longitudes inferiores a 20 km. Si la línea es de mayor longitud, se acostumbra utilizar el sistema de onda portadora que maneja señales de baja tensión y alta frecuencia, que se transmite a lo largo
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de los conductores de la línea de transmisión, por medio de dos sistemas de acoplamiento instalados en los extremos.
PROTECCIONES DE SOBRECARGAS. Las protecciones de sobrecarga son propias de un equipo particular, tal como un transformador, alternador o motor.
Calentamiento de las máquinas . Según sea el tipo de aislación de una máquina, pueden llegar a diferentes niveles de temperatura promedio o del punto más caliente sin producir su deterioro. Es así como si, con anterioridad a someter a una máquina a un régimen de sobrecarga, su temperatura es apreciablemente más baja que la de su condición de plena carga , o bien el medio refrigerante le es favorable, es posible sobrecargarla sin destruir su aislamiento ni acortar su vida útil. Lo anterior se basa en que el calentamiento ( como también el enfriamiento ) de una máquina corresponde a una función exponencial de la forma:
=
máx
(1 – e-t/T )
en donde: = Aumento de temperatura en un tiempo “t”.
máx
= Aumento máximo de temperatura sobre el ambiente, de acuerdo a placa; Y T
=
Constante de tiempo de calentamiento.
La constante de tiempo de calentamiento “T” se obtiene en forma experimental de la curva de calentamiento en condiciones normales de la máquina al conseguir el aumento máximo de temperatura para este régimen de carga. Es decir, cuando la generación de calor en los enrollados y núcleos se iguala a la absorción de calor por el medio refrigerante, permaneciendo por esto el calentamiento en estado estacionario en su valor máximo ( máx ) para esa condición de funcionamiento y refrigeración. Así, si en la ecuación anterior se hace t = T, resulta que = = 63.3% máx, Vale decir que el tiempo que demora la máquina en llegar al 63.3% del calentamiento máximo de régimen permanente corresponde a la “constante de tiempo de calentamiento”. Esta constante es válida para
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cualquier condición inicial de temperatura y carga y es característica para cada máquina, ya que está referida a calentamientos y no a temperaturas. Constante de tiempos de calentamiento típicos de máquinas rotatorias son del orden de 50 minutos y de transformadores, 70 minutos.
PROTECCION DE SOBRECARGA EN BASE A CALENTAMIENTO PROMEDIO Se usa en máquinas rotatorias, mediante relés que tienen la misma constante de tiempo de calentamiento que éstas. Estos relés , que se alimentan desde transformadores de corriente, disponen de un calefactor de baja potencia y de un bimetal que puede disparar un mecanismo que cierra un contacto cuando el relé llega a cierta temperatura, como se muestra esquemáticamente en la figura. En general, en máquinas con personal permanente de turno, no es necesario este tipo de protección . Se aplica más bién para máquina rotatorias de centrales inatendidas.
PROTECCION DE SOBRECARGA EN BASE AL CALENTAMIENTO DEL PUNTO MAS CALIENTE. Se usa ampliamente en transformadores de poder y se les llama” imagen térmica”. Su utilización deriva del hecho que la temperatura más práctica de medir es la del aceite, por los problemas que envuelve, debido a la alta tensión, una medida directa en los enrollados. Sin embargo, la medida de la temperatura del aceite no refleja de manera rápida la temperatura de enrollados o del núcleo, debido a la gran diferencia de las respectivas constantes de tiempo. Dichas constantes podrían ser, para un caso particular: T núcleo
48 minutos
T enrollados T aceite
3 minutos 82 minutos
Se puede apreciar que la medida del aceite demoraría mucho en reflejar una sobretemperatura de enrollados, que es justamente lo más delicado por el posible envejecimiento del aislamiento y consecuente acortamiento de la vida útil del transformador.
Para reproducir la temperatura del punto más caliente, el elemento que mide finalmente la temperatura se encuentra sumergido en la parte superior del tanque de aceite, que corresponde al punto más caliente del aceite, y además para seguir sin un efecto transiente las temperaturas del punto considerado, está afectado por el calor extra que le proporciona un
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calefactor, alimentado de un transformador de corriente que sigue las variaciones de la carga, Este calefactor y su respectiva corriente consideran entonces la constante de tiempo del enrollado. La imagen térmica permite medir la temperatura en cada instante, disponiendo de uno o dos contactos ajustables de máxima, que pueden dar alarma y/o desenganche del interruptor del transformador de poder. Cuando esta indicación está ubicada localmente, se acostumbra usar termómetros a alcohol; en cambio cuando su indicación es remota (en sala de comando) se usa termómetro basados en puentes de Wheatstone térmicas para cada enrollado (ej.: alta, media y baja tensión). Cada una de ellas tendrá una constante de tiempo diferente, propia del respectivo enrollado. Los valores para determinar el ajuste de cada elemento se obtiene de los resultados de la prueba de calentamiento en fábrica. Por lo general, este ajuste se realiza de dos maneras: Variando el porcentaje de la corriente de carga; y Variando el valor de la resistencia del calefactor • •
Además del ajuste propio del sistema de medición, para obtener la adecuada indicación, se tendrá también la de los ajustes de los valores que dan alarma y desenganche. Ellos se obtendrán también de los resultados de la prueba de calentamiento, lográndose valores de aproximadamente 80 a 105 º para alarma y desenganche respectivamente.
Por otro lado, es posible utilizar este mismo sistema para las etapas de refrigeración del transformador (por ejemplo: partida y detención del ventilador o bomba de refrigeración).
PROTECCION DE SOBRECALENTAMIENTO DE ESTATORES Los estatores de máquinas síncronas pueden llegar a temperaturas peligrosas por otras causas que no son sobrecargas, como ser: Fallas en la ventilación y cortocircuitos entre láminas del núcleo. Para detectar estas anormalidades que pueden producir sobretemperaturas inaceptables, se acostumbra usar dos métodos a) Comparar la temperatura de entrada y salida del medio de refrigeración, que puede ser aire, hidrógeno o agua (cooler). b) Mediante dispositivos de indicación de temperatura alojados en diferentes puntos del enrollado. Estos últimos dispositivos pueden ser termocoplas, termistores o indicadores de temperatura por resistencia explorada. En la figura 10.3a se muestra el circuito que usa un relé de inducción con enrollados de
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operación y polarización; y en la figura 10.3b se muestra el circuito de un relé polarizado de CC cuando se usa resistencia exploradora. El método más utilizado, especialmente en máquinas de gran capacidad, es el indicado en b). En este caso, como se utiliza gran cantidad de detectores (por ejemplo: en las 5 máquinas de central Rapel de 70 MVA, se tienen 24 puntos por máquina; 12 para el fierro y 12 para el enrollado, lo que da 120 puntos de medida), se está tendiendo a utilizar sistemas automáticos de medición, que explora en aproximadamente 1 a 2 minutos todos los puntos. En caso de salirse alguno de ellos del rango, inicia acciones de alarma y/o desconexión, impresión de valores, etc.
