Protección de sistemas eléctricos industriales industriales
INDICE 1.
PROT PROTEC ECCI CIÓN ÓN CON CONTR TRA A FAL FALLA LA A TIER TIERRA RA...............................................................
2.
........................................ ............................ ........................... ........................................ ........................... 3 RELÉS DI DIRECCIONALES.......................... ......................................... ........................... ............................ ................................. ................... . ! 2.1. PRINCIPIO DE OPERACIÓN............................ 2.1.1. 2.1.1. 2.1.2. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.3.
2.2. 3.
........................................ ........................... ............................ ................... ..... 9 Relé de conexió conexión n a 30 (0 MTA)........................... Relé de conexió conexión n a 60 (0 MTA)........................... ........................................ ........................... ............................... ................. 10 ........................................ ............................ ........................... .............................. ................. 12 Relé de conexió conexión n en 90 .......................... RELÉS DIRECCIONALES CONTRA FALLA A TIERRA.............................................. 1"
2.2. 2.2.1. 1.
Pola Polari riza zaci ción ón de corri corrient ente e........................... ......................................... ........................... ........................... ...................... ........ 16
2.2.2. 2.2.2.
........................................ ........................... ............................ ........................... ............................ ............... 18 Polariza Polarización ción doble doble ...........................
RELÉS DI DIFERENCIALES.......................... ........................................ ........................... ........................... ........................................ .......................... 18 ....................................... ........................... ..................... ....... 1# 3.1. RELÉ DIFERENCIAL DE SOBRECORRIENTE.......................... ....................................... ........................... ........................ .......... 1 3.2. RELÉS DIFERENCIALES PORCENTUALES.......................... 3.2.1. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.3.
$..".
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Princi Princiio io! ! de oeraci oeración ón del relé relé orcent orcent"al "al .......................................... .......................................... 21 Relé Relé orcent orcent"al "al de e!tado e!tado !ólido !ólido (elect (electrón rónico) ico).................................... ....................................26 26 Relé Relé di#eren di#erencia ciall de alta alta i$eda i$edanci ncia a ........................................................ 26 Relé de %ilo &iloto.......................... ........................................ ........................... ........................... .................................... ...................... !
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Protección de sistemas eléctricos industriales industriales
PROTECCION CONTRA FALLA A TIERRA, RELES DIRECCIONALES Y DIFERENCIALES PARA PROTECCION CONTRA SOBRECORRIENTES
1.
Protecc ccii! co!tr" #"$$" " tierr" El RELE Contra ,alla a tierra- &or diseo es insensi/le ,rente a las corrientes de car0a normales del sistema sean /alanceadas o des/alanceadas. Para %acer al relé solo sensi/le a las corrientes de ,alla de tierra caracteri2adas &or ser de /a3a intensidad- se %ace res&onder al mismo mismo a la corriente residual del sistemasistema- la cual solo a&arece cuando %a una ,alla a tierra. La com&onente residual se o/tiene conectado los trans,ormadores de corriente 4TC5 en &aralelo como se muestra en la Fi0ura No.1. En la &arte a5 de la ,i0ura se muestra la cone6ión mas elemental de una &rotección con relés contra ,alla a tierra. Esta &uede ser am&liada conectando relés de so/recorriente en los terminales indi7iduales de ,ase de cada TC tal como se muestra en la &arte /5 de la ,i0ura colocando el relé contra ,alla a tierra en &unto de la 8 de la cone6ión de los TC. 9in em/ar0o- los relés de so/recorriente &or lo 0eneral sólo se a&lican en dos ,ases a :ue esta con,i0uración audar; a detectar ,allas inter,aces sin a,ectar la cone6ión del relé contra ,alla a tierra. La &arte c5 de la ,i0ura muestra la con,i0uración.
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Fi%&r" No.1 Di#ere!te' "rre%$o' (e )rotecci! co!tr" #"$$" " tierr"
2.
Re$*' (ireccio!"$e' Cuando una corriente de ,alla &uede ,luir en am/as direcciones en el &unto donde esta u/icado el relé se %ace necesario %acer :ue la res&uesta del relé sea direccional- es decir :ue su res&uesta sólo sea ,rente a una ,alla en determinada dirección esto se lo0ra colocando un elemento de control direccional en el relé de so/recorriente.
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Las unidades direccionales son /;sicamente las utili2adas &ara medición de &otencia- en el caso del relé electromec;nico. En esta a&licación el 7olta3e del sistema es usado como re,erencia &ara determinar la dirección relati7a o ,ase de la corriente de ,alla. La Fi0ura No. muestra el es:uema de cone6ión de la unidad direccional a un relé de so/recorriente electromec;nico &ara darle control direccional. A&licaciones t<&icas de este ti&o de relé son=
Detección de ,allas no detectadas en el &unto de suministro de una distri/uidora- donde la corriente de ,alla &uede ser realimentada a tra7és del sistema- tal como se muestra en la Fi0ura No.$>
Protección de redes malladas en sistemas de distri/ución donde el dis&aro en una dirección &ara el des&e3e selecti7o de las ,allas es una condición deseada. En la Fi0ura No. " la dirección de dis&aro es &ara ,allas dentro de la sección de l
Dis&aro de alta 7elocidad sensi/le a ,allas a tierra &ara &rotección de trans,ormadores 0eneradores como se muestra en la Fi0ura No.*.
Cuando se desea desaco&lar dos sistemas :ue coe6isten normalmente interconetados &ara cierta condición o&erati7a no se desea :ue am/os sistemas &ermane2can interconectados.
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Fi%&r" No.2 Re$* e$ectro+ec!ico (e 'o-recorrie!te co! &!i("( (ireccio!"$
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Fi%&r" No. 3 Di')"ro 'e$ectio )"r" #"$$" e! e$ )&!to (e '&+i!i'tro
Fi%&r" No. / De')e0e (e #"$$" e! 'i'te+" +"$$"(o
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Fi%&r" No. Arre%$o (e re$*' (ireccio!"$e' )"r" )rotecci! (e tr"!'#or+"(ore' %e!er"(ore'
2.1. Pri!ci)io (e o)er"ci! Cuando la corriente de ,alla ,lue en la dirección de dis&aro se le da la orden de cierre de los contactos direccionales- los cuales est;n asociados a un arrollado de retraso- &ermitiendo entonces al elemento de so/recorriente o&erar cuando la corriente e6cede el a3uste de dis&aro. El relé de so/recorriente no comien2a su o&eración %asta :ue la unidad direccional da la orden de actuación aun siendo la corriente de ,alla su&erior al a3uste de dis&aro del relé de so/recorriente. El elemento direccional tiene un arrollado de o&eración uno de &olari2ación. El arrollado de &olari2ación &uede ser ener0i2ado a sea &or 7olta3e- corriente o am/os- a ,in de determinar la dirección de ,lu3o de la corriente. Al0unas unidades son de &olari2ación do/le teniendo un arrollado $'()1*'.doc
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alimentado &or 7olta3e otro &or corriente. La Fi0ura No. ' muestra 0r;,icamente la caracter
Fi%&r" No. C"r"cter4'tic" (e o)er"ci! (e &! re$* (ireccio!"$
La corriente de &olari2ación se o/tiene de TCs u/icados en el neutro de &uesta a tierra de un 0enerador o un trans,ormador en el sistema. 9e &uede re:uerir un TC au6iliar &ara a3ustar la relación del TC de la corriente actuadora cuando se conecta el relé en un es:uema de &rotección di,erencial. El TC au6iliar se em&lea &ara lo0rar su,iciente corriente de o&eración &ara ,allas dentro de la 2ona de &rotección su,iciente restricción &ara ,allas ,uera de la 2ona de &rotección. Para el caso de los relés electromec;nicos se tiene el An%"lo de Tor&"e M'xi$o 4AT?5- el cual se de,ine como el ;n0ulo &ara el cual la corriente
a&licada al relé de/e estar des,asada del 7olta3e a&licado al relé &ara &roducir el tor:ue m;6imo. Con /ase a este &rinci&io se &ueden reali2ar di,erentes ti&os de cone6ión del relé di,erencial &ara lo0rar el m;6imo tor:ue- las cuales se descri/en ense0uida. $'()1*'.doc
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2.1.1. Re$* (e co!e5i! " 36
76 TA9
Para esta con,i0uración- el relé de la ,ase A es alimentado con corriente a 7olta3e ac . En esta cone6ión el ,lu3o de/ido al arrollado de 7olta3e atrasa el 7olta3e ac en #) &or lo :ue el tor:ue m;6imo ocurre cuando la corriente atrasa el 7olta3e ,ase neutro del sistema en $) . Aun:ue encuentra a&licación satis,actoria en la &rotección de alimentadores 4l
Fi%&r" No.: Di"%r"+" #"'ori"$ (e$ re$* (ireccio!"$ co!e5i! 36
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2.1.2.Re$* (e co!e5i! " 6
76 TA9
Para este ti&o de cone6ión e6isten dos 7ariantes=
;"ri"!te 1= La ,ase A del relé es alimentada con la corriente ab el @olta3e ac . Para esta cone6ión el ,lu3o de/ido al arrollado de 7olta3e atrasa el 7olta3e a&licado en #) &or lo :ue el tor:ue m;6imo se &roduce cuando la corriente atrasa el 7olta3e ,ase neutro de sistema en ') . Esta cone6ión :ue &ro7ee la corriente ab o/tenida de sumar las corrientes de la ,ase A la ,ase B resulta
en una corriente :ue adelanta el 7olta3e ac en '). Cuando se a&lica a l
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Fi%&r" No.8 Di"%r"+" #"'ori"$ (e$ re$* (ireccio!"$ co!e5i! 6 ;"ri"!te 1 ;"ri"!te 2= La ,ase A del relé es alimentada con la corriente a el 7olta3e @c. Para este caso el ,lu3o de/ido al arrollado de 7olta3e atrasa el 7olta3e a&licado en #) &or lo :ue el tor:ue m;6imo se &roduce cuando la corriente atrasa el 7olta3e ,aseneutro del sistema en ') . Esta cone6ión no se utili2a des&ués de %a/er demostrado :ue sólo es til &ara ,allas tri,;sicas. La Fi0ura No.# muestra el dia0rama ,asorial de esta cone6ión.
Fi%&r" No.< Di"%r"+" #"'ori"$ (e$ re$* (ireccio!"$ co!e5i! 6 ;"ri"!te 2
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2.1.3. Re$* (e co!e5i! e!
<6
9i se :uiere esta es al cone6ión &or e6celencia del relé direccional se tienen dos 7ariantes=
;"ri"!te 1 C"r"cter4'tic" <6=36 736 TA9= La ,ase A del relé es alimentada con la corriente a el @olta3e bc - des&la2ado $) in la dirección anti%orario. En este caso el ,lu3o de/ido al arrollado de 7olta3e atrasa al 7olta3e a&licado en ') &or lo :ue el tor:ue m;6imo del relé ocurre cuando la corriente atrasa el 7olta3e ,aseneutro del sistema en ') . Esta cone6ión encuentra a&licación e,ica2 en l
Fi%&r" No.16 Di"%r"+" #"'ori"$ (e$ re$* (ireccio!"$ co!e5i! <6 =36 $'()1*'.doc
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;"ri"!te 2 C"r"cter4'tic" <6=/ 7/ TA9= La ,ase A del relé es alimentada con la corriente a el @olta3e bc - des&la2ado "* en dirección anti%oraria. En este caso el ,lu3o de/ido al arrollado de 7olta3e atrasa al 7olta3e a&licado en "* &or lo :ue el tor:ue m;6imo del relé ocurre cuando la corriente atrasa el 7olta3e ,ase neutro del sistema en "* . Esta cone6ión encuentra a&licación en alimentadores con trans,ormadores a&licación aun mas es&ec<,ica en el caso de trans,ormadores en &aralelo &ara 0aranti2ar en am/os casos la o&eración correcta de los relés &ara ,allas mas all; del trans,ormador 8+D. Este ti&o de cone6ión &ara cual:uier ti&o de a&licación &r;cticamente no tiene &osi/ilidades de &roducir dis&aros err;ticos. La Fi0ura No.11 muestra el dia0rama ,asorial de esta cone6ión.
Fi%&r" No.11 Di"%r"+" #"'ori"$ (e$ re$* (ireccio!"$ co!e5i! <6 =/ $'()1*'.doc
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2.2. Re$*' (ireccio!"$e' co!tr" #"$$" " tierr" Este ti&o de relé res&onde a la corriente de ,alla a tierra es im&ortante :ue su res&uesta direccional sea correcta. El es:uema de cone6ión de la unidad direccional es idéntico al mostrado en la Fi0ura 1.c. Con esta con,i0uración se o/tiene la corriente residual. Para o/tener la res&uesta direccional se %ace necesario tomar un 7olta3e de re,erencia. Este 7olta3e es un 7olta3e residual del sistema- el cual es i0ual a la suma de los 7olta3es de ,ase. Esto se lo0ra conectando el secundario de los TPs en delta a/ierta. La Fi0ura No.1 muestra la cone6ión. El 7olta3e residual ser; cero cuando los 7olta3es del sistema son /alanceados- &ero &ara condiciones de ,alla sim&le a tierra- el 7olta3e residual ser; i0ual a la ca
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Fi%&r" No.12 Co!e5i! (e re$* (ireccio!"$ co!tr" #"$$" " tierr" (i"%r"+" #"'ori"$
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2.2.1. Po$"ri>"ci! (e corrie!te 9i el 7olta3e residual en cual:uier &unto del sistema es insu,iciente &ara &olari2ar el relé direccional- se &uede o/tener la &olari2ación de la corriente de neutro de un trans,ormador de &uesta a tierra. La corriente de neutro la residual de l
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Fi%&r" No.13 Co!e5i! (e re$* (ireccio!"$ )"r" (o' ti)o' (e 'i'te+"'
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n trans,ormador 88 no es adecuado &ara &olari2ar un relé direccional aun cuando am/os lados de la 8 estén &uestos a tierra. Para estos casos se suele conectar un trans,ormador de tres arrollados con uno o m;s arrollados en D.
2.2.2. Po$"ri>"ci! (o-$e En casos e6tremos el 7olta3e de &olari2ación &uede ser /a3o en determinadas condiciones. En estos casos un relé de &olari2ación do/le es el adecuado- cuos arrollados de &olari2ación son alimentados tanto &or el 7olta3e residual como &or la corriente residual. Esto 0aranti2ar; :ue cual:uiera de las cantidades &olari2ar; el relé en caso de la ausencia de la otra.
3.
Re$*' (i#ere!ci"$e' n relé di,erencial acta sumando la corriente :ue ,lue %acia dentro %acia ,uera de la 2ona &rote0ida. En condiciones normales de o&eración la corriente :ue entra en la 2ona &rote0ida es i0ual a la :ue sale de la misma- en cuo caso la di,erencia de las mismas es cero o mu cercana a cero. 9i ocurre una ,alla dentro de la 2ona &rote0ida &arte de la corriente ir; %acia la ,alla resultar; en :ue la corriente :ue sale de la 2ona &rote0ida es menor a la entrante- lo :ue %ace :ue la di,erencia de las corrientes sea &ara este caso distinto de cero. La actuación del relé ocurrir; cuando esta di,erencia su&ere un a3uste de dis&aro &redeterminado. Este ti&o de &rotección encuentra a&licación en todas a:uellas &artes del sistema de &otencia donde se desee des&e3ar ,allas internas /ien locali2adas 0aranti2ando a la 7e2 inmunidad ,rente a ,allas e6ternas a la 2ona &rote0ida. Casos es&ec<,icos son la &rotección de motores- 0eneradores- ca/les- l
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Di,erencial de so/recorriente>
Di,erencial &orcentual= o
Di,erencial &orcentual ,i3a con arrollados restricciones>
o
Di,erencial &orcentual 7aria/le con arrollados restricciones>
o
Di,erencial &orcentual armónica con arrollados restricciones>
o
Relé di,erencial de alta im&edancia>
o
Di,erencial de %ilo &iloto.
A continuación se descri/e cada uno de los ti&os de relés mencionados.
3.1. Re$* (i#ere!ci"$ (e 'o-recorrie!te n relé di,erencial de so/recorriente o&era a &artir de un a3uste de corriente di,erencial. Es la ,orma m;s económica sencilla de &rotección di,erencial &ero &resenta des7enta3as si0ni,icati7as ,rente a otros ti&os de &rotección di,erencial como son la /a3a sensi/ilidad es&ecialmente ,rente a ,allas a tierra mu &e:ueas &or otro lado se 7e a,ectado ,;cilmente &or los errores de los TC. La Fi0ura No.1" muestra la a&licación del relé de so/recorriente di,erencial &ara &rote0er un motor AC. 9e muestra sólo el relé de una de las ,ases. El es:uema com&leto re:uiere un relé di,erencial &or ,ase. La Fi0ura No.1* muestra la &rotección de los arrollados del estator de un motor AC. En este caso un TC de ti&o toroidal mide la corriente de ,ase ,rente a una ,alla interna 4,ase,ase o ,aseneutro5 &roducir; una res&uesta di,erencial :ue ser; 7ista &or el relé.
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Fi%&r" No.1/ Protecci! (i#ere!ci"$ (e &!" +"?&i!" tri#'ic"
Fi%&r" No.1 Protecci! (i#ere!ci"$ (e &! +otor
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3.2. Re$*' (i#ere!ci"$e' )orce!t&"$e' Los relés del ti&o &orcentual son utili2ados &ara &rote0er trans,ormadoresmotores- 0eneradores /arras. La 7enta3a de este ti&o de relé :ue es insensi/le a corrientes de ,alla ele7adas :ue &uedan ocurrir ,uera de la 2ona de &rotección- siendo mu sensi/le a ,allas dentro de la 2ona de &rotección. B;sicamente %a tres ti&os de relés del ti&o &orcentual- los ,i3oslos 7aria/les los restrictores de armónicos. Los ,i3os 7aria/les encuentran a&licación en todos casos mencionados anteriormente mientras :ue los restrictores de armónicos sólo encuentran a&licación &ara la &rotección de trans,ormadores. El relé &orcentual 7aria/le es m;s sensi/le &ara detectar ,allas de /a3a intensidad dentro de su 2ona de &rotección- encontrando su a&licación m;s inmediata en la &rotección de 0eneradores. En el caso de &rotección de trans,ormadores se &ueden a&licar relés menos sensi/les. El relé restrictor de armónicos se a&lica en la &rotección de trans,ormadores a :ue &ermite la corriente de ma0neti2ación de este sin dar dis&aro err;tico &or los armónicos 0enerados &or esta corriente- &articularmente el se0undo. El relé tiene ca&acidad de detectar corrientes de ,alla &or el orden del ) al $) de la corriente nominal del trans,ormador.
3.2.1. Pri!ci)io' (e o)er"ci! (e$ re$* )orce!t&"$ El ti&o electromec;nico utili2a el &rinci&io del relé de disco de inducción. La Fi0ura No.1' muestra la cone6ión en el caso de &rotección de un 0enerador. Ba3o condiciones normales de o&eración la corriente ,lue &or los TCs los arrollados restrictores R1 R nin0una corriente ,lue &or el arrollado o&erador O. La corriente al &asar &or R1 R 0enera un tor:ue de restricción o de $'()1*'.doc
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a&ertura de contactos. Cuando ocurre una ,alla interna se &roduce un des/alance de corriente tal :ue 1 es distinta a 2 ,or2ando la ,ormación de una corriente o en el arrollado o&erador. Para un relé ,i3o- el 7alor de o re:uerido &ara iniciar el cierre de contactos es un 7alor ,i3o :ue se e6&resa en &orcenta3e de la corriente de los arrollados restrictores. Por e3em&lo un a3uste del 1) im&lica :ue la acción de dis&aro se iniciar cuando o sea su&erior al 1) de la corriente :ue ,lue &or los arrollados restrictores. La caracter
Fi%&r" No.1 Protecci! (i#ere!ci"$ (e &! %e!er"(or +e(i"!te re$*' (i#ere!ci"$e' )orce!t&"$e'
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Fi%&r" No.1: C"r"cter4'tic" (e o)er"ci! (e &! re$* (i#ere!ci"$ )orce!t&"$ (e "0&'te #i0o
Para el caso del relé 7aria/le- la corriente re:uerida &ara o&erar el relé es un &orcenta3e 7aria/le de la corriente de los arrollados restrictores con el m;6imo &orcenta3e a ni7eles altos de corriente de ,alla. La Fi0ura No.1( muestra la caracter
El relé restrictor de armónicos del ti&o electromec;nico consiste de un trans,ormador un recti,icador conectados a en con,i0uración restrictora o&eradora. La salida de estas unidades se a&lica a las unidades direccionales &ara 0enerar la orden de cierre de contactos ,rente a una ,alla. El elemento restrictor de armónicos es construido con ,iltros de armónicos- :ue lle7an las corrientes armónicas a la unidad restrictora. La unidad o&eradora solo reci/e $'()1*'.doc
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corriente de ,recuencia ,undamental. Esto %ace insensi/le al relé ,rente a los armónicos 0enerados durante la ener0i2ación del trans,ormador. La Fi0ura No.1# muestra el es:uema de cone6ión de este ti&o de relé.
Fi%&r" No.18 C"r"cter4'tic" (e o)er"ci! (e &! re$* (i#ere!ci"$ )orce!t&"$ (e "0&'te "ri"-$e
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Fi%&r" No.1< Co!e5i! (e &! re$* re'trictor (e "r+!ico' )"r" )rotecci! (e &! tr"!'#or+"(or
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3.2.2. Re$* )orce!t&"$ (e e't"(o '$i(o 7e$ectr!ico9 El relé di,erencial &orcentual electrónico consiste de 7arios circuitos electrónicos conectados tal :ue se re&roduce la ,unción de un relé tri,;sico del ti&o di,erencial. Los elementos constan de un circuito restrictor- un circuito o&erador un circuito sensor un circuito am&li,icador- un circuito de dis&aro un circuito de seali2ación. El circuito restrictor sensa la corriente de cada ,ase &roduce un 7olta3e de salida &ro&orcional a la corriente de ,ase de maor ma0nitud. Los circuitos o&eradores sensan la corriente di,erencial &ara cada ,ase &roduce un 7olta3e de salida &ro&orcional a la corriente di,erencial de maor ma0nitud. El relé reci/e las salidas de los circuitos restrictores o&eradores las com/ina &ara &roducir una salida :ue re,le3a la di,erencia de am/as cantidades. La salida se a&lica al circuito am&li,icador. 9i la ma0nitud es lo su,iciente &ara dis&arar el am&li,icador- su seal acciona el circuito de dis&aro :ue consiste /;sicamente de tiristores :ue ,inalmente dar;n la orden de a&ertura del interru&tor asociado. La seal de dis&aro del am&li,icador acciona tam/ién el circuito de seali2ación.
3.2.3. Re$* (i#ere!ci"$ (e "$t" i+)e("!ci" 9on utili2ados &rinci&almente &ara la &rotección de /arras. Estos e7itan el &ro/lema del &osi/le di,erente com&ortamiemiento de los TC- colocando una unidad de relé de alta im&edancia- la cual t<&icamente est; entre 1!)) ')) o%ms. Esta alta im&edancia %ace :ue el 7olta3e en el TC sea maor al :ue e6istir
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Protección de sistemas eléctricos industriales
im&edancia de ma0neti2ación del TC sea casi in,inita ,or2a/an a :ue &racticante toda la corriente &ase a tra7és del arrollado o&erador. Para ,allas e6ternas a la 2ona de &rotección los errores de los TC ser;n 0randes la corriente del TC ser; ,or2ada a &asar a tra7és de la im&edancia de ma0neti2ación en 7e2 de ir &or la alta im&edancia del relé. La Fi0ura No.) muestra un es:uema t<&ico de cone6ión de relés de alta im&edancia &ara &rotección de /arras.
Fi%&r" No.26 E'?&e+" (e )rotecci! (e -"rr"' )or re$*' (i#ere!ci"$e' (e "$t" i+)e("!ci"
3.2./. Re$* (e @i$o )i$oto 9u a&licación /;sica es en l
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Protección de sistemas eléctricos industriales
Desde el &unto de 7ista constructi7o el dis&ositi7o consta de dos relé idénticos colocados a cada e6tremo de la l
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Protección de sistemas eléctricos industriales
Fi%&r" No.21 E'?&e+" (e )rotecci! (e @i$o )i$oto
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