Tema 3
RELÉ DE SOBRECORRIENTE
17/04/2015
Ing. Juvenal Manzaneda
INDICE
GENERALIDADES
CARACTERISTICAS FUNCIONALES
ESQUEMAS DE PROTECCION
RELÉS DE SOBRECORRIENTE
17/04/2015
Tema 3
1.- GENERALIDADES
Tema 3
Los relés, son dispositivos compactos que son conectados a través de los sistemas de potencia para detectar condiciones intolerables o no deseadas dentro de un área asignada. La operación de este tipo de protección, se basa en el aumento de corriente que provocan los cortocircuitos en los equipos (sistemas) protegidos.
Funciones principales:
Rápida remoción del servicio, ante un cortocircuito en algún elemento del sistema Dar la orden para desconectar un circuito, cuando se presenta una operación anormal
El «pick-up», fija la sensibilidad de la protección, lo que permite detectar cualquier tipo de cortocircuito en su zona protegida, incluida la zona en que debe dar respaldo. El «lever», permite seleccionar a curva de tiempo de operación del relé, de modo que sea selectivo con la operación de relés ubicados en zonas adyacentes. 17/04/2015
2.- CARACTERISTICAS FUNCIONALES
Tema 3
SENSIBILIDAD
La La protección debe saber distinguir inequívocamente las situaciones de falla de aquellas que no lo son. Para esta característica, es necesario:
Establecer, para cada tipo de protección, las magnitudes mínimas necesarias que permita diferenciar las situaciones de falla de las situaciones normales de operación.
Establecer para cada una de las magnitudes necesarias las condiciones limite que separan las situaciones de falla de las situaciones normales de operación.
Tal es el caso de la energización de un transformador de potencia, que al ser conectada origina una fuerte intensidad de vacío (llamada inrush current), que puede llevar a interpretaciones erróneas. Un análisis amplio, permite establecer si el súbito incremento de la corriente se debe a las energización del transformador o fue originado por una situación de falla. 17/04/2015
10 a 50 veces la corriente nominal
2.- CARACTERISTICAS FUNCIONALES
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SELECTIVIDAD
La capacidad de discernir si una falla se ha producido dentro o fuera de su área de vigilancia y, por tanto, dar orden de abrir los interruptores automáticos, en caso necesario para despejar la falla. Una protección debe actuar cuando tiene actuar y no debe actuar cuando no tiene que actuar (debe aislar el tramo en falla, si esta se halla dentro su zona protegida).
Si la falla esta fuera de su área de vigilancia, la protección debe dejar que sean otras protecciones las que actúen para despajarla (su actuación afectaría a más circuitos, debilitando innecesariamente el sistema). 17/04/2015
2.- CARACTERISTICAS FUNCIONALES
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RAPIDEZ
Tras una falla, esta debe ser despejada rápidamente. Cuando menos tiempo se tarde en aislar la falla, menos se extenderán los efectos y menores los daños y alteraciones. Todo ello redunda en una disminución de los costos, menores tiempos de restablecimiento, menor tiempo de indisponibilidad de las instalaciones Posibilita un mayor y mejor aprovechamiento de los recursos ofrecidos por el sistema
La rapidez de una protección, depende directamente de la tecnología empleada en su condición y de la velocidad del sistema de mando y control de los interruptores automáticos asociados a la misma Un despeje óptimo de la falla, no exige que las protecciones que la detectan actúen en forma inmediata; en función a esta característica, las protecciones de clasifican en: Protecciones instantáneas (dos o tres ciclos) Protecciones en tiempo diferido o con retraso en tiempo 17/04/2015
2.- CARACTERISTICAS FUNCIONALES
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FIABILIDAD
Fiabilidad significa que no deben producirse actuaciones innecesarias, ni omitirse actuaciones necesarias Una protección es fiable, cuando responde siempre correctamente La protección debe responder con seguridad y efectividad ante cualquier situación que se produzca. La respuesta de protección puede ser tanto de actuación, como de no actuación.
Cuando una protección actúa, es necesario que todas las etapas que componen el proceso de despeje de falla, sean cumplidas con efectividad. Es necesario e importante un programa de mantenimiento preventivo. Aunque una protección, a lo largo de su vida útil, va a operar en escasas ocasiones, se debe tener la seguridad de que operara correctamente (aunque haya transcurrido un largo tiempo, desde su última operación)
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2.- CARACTERISTICAS FUNCIONALES •
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ECONOMIA Y SIMPLICIDAD
La instalación de una protección, debe justificarse tanto por motivos técnicos, como económicos. La protección de una línea eléctrica es importante, pero mucho más lo es impedir que los efectos de la falla alcancen a instalaciones alimentadas por dicha línea o que estas queden fuera de servicio.
El sistema de protección es una pieza clave del SEP, ya que permite:
•
•
Impedir que la falla se extienda a través del sistema y alcance a otros equipos Reducir los costos de reparación del daño Reducir los tiempos permanentes fuera de servicio de equipos e instalaciones La valoración económica no debe restringirse solo al elemento directamente protegido, sino que debe tomar en cuenta las consecuencias del fallo o funcionamiento anómalo. Es necesario señalar que una protección evite complejidades innecesarias, que pueden ser fuente de riesgo afectando en su funcionamiento. 17/04/2015
3.- ESQUEMAS DE PROTECCION
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3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Generalmente, se piensa en un sistema eléctrico de potencia, en función a sus partes más importantes: estaciones generadoras, transformadores de potencia, líneas de transmisión, etc. Mientras que estos son algunos de los elementos básicos, hay muchos otros componentes necesarios y fascinantes, como el sistema de protección por relevadores.
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3.- ESQUEMAS DE PROTECCION
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3.2 CLASIFICACION
Relé primario con actuación directa 17/04/2015
Relé primario con actuación indirecta
3.- ESQUEMAS DE PROTECCION
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3.2 CLASIFICACION
Relé secundario con actuación directa 17/04/2015
Relé secundario con actuación indirecta
3.- ESQUEMAS DE PROTECCION
3.3 ESQUEMAS FUNCIONALES (AC – DC)
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
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Es la protección que responde cuando la corriente que circula por él, supera un valor preestablecido.
La operación de este tipo de protección, se basa en el aumento de corriente, provocadas por cortocircuitos en la línea eléctrica , protegida.
Las magnitudes sobre las que se debe actuar para su aplicación, son la corriente mínima de operación “pick-up” y la curva de operación “ lever”.
El “pick-up”, fija la sensibilidad de la protección, permitiendo detectar cualquier tipo de cortocircuito en su zona protegida y la zona en que debe dar respaldo.
El “lever”, permite seleccionar a curva de tiempo de operación del relé, de modo que sea selectivo con la operación de relés ubicados en zonas adyacentes. Los relés de sobrecorriente, se fabrican en versiones instantáneas (electromagnéticos), relés de tiempo inverso (inducción) y relés de tiempo definido (relé instantáneo más modulo de tiempo).
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
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4.1 CLASIFICACION a) Aspectos constructivos
Relés electromecánicos Relés electrónicos o estáticos Relés digitales
c) Instalación del relé
Relés primario Relés secundario
Instantáneo t=0 Tiempo definido t=K Normalmente t = K/I inverso Tiempo Muy inverso t = K/I^2 inverso Extremadamente t = K/I^3 inverso 17/04/2015
b) Actuación del circuito de protección
Relés de actuación directa Relés de actuación indirecta
d) Método de ajuste Tracción del resorte Cambio de TAP’s de la bobina magnetizante Variación del entrehierro Variación de elementos del circuito Control por software
c) Tiempo de actuación
Operación instantánea Operación retardada
4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
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RELE INSTANTANEO
Operan sin retardo cuando la corriente excede de un valor preestablecido Sin embargo, el tiempo de operación, pueden variar significativamente (16 a 100 mseg) Se usa como elemento complementario, combinando su característica de operación con otros dispositivos de protección, principalmente con relés de sobrecorriente de tiempo inverso. En este tipo de relés, sólo es necesario ajustar su sensibilidad, de modo que ésta sea un 20% a un 30% superior a la máxima magnitud de corriente de falla que puede acontecer en el extremo más alejado, con respecto a su ubicación
Pueden ser usados solamente cuando la corriente de cortocircuito, es sustancialmente mayor que cualquier otra condición posible
Caso
Corriente momentánea asociada a la energización de ciertos componentes del sistema Líneas largas Transformadores cuyas impedancias son relativamente grandes comparadas con la impedancia del circuito 17/04/2015
4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
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RELE DE TIEMPO DEFINIDO
Permite ajustar la operación para diferentes niveles de corriente con diferentes tiempos de operación. Los ajustes se hacen en forma tal que el interruptor que alimenta la carga se dispare en el tiempo más corto y después sucesivamente los demás interruptores hacia la fuente, en tiempos cada vez mayores.
Como el tiempo de operación es independiente de la magnitud de la corriente de falla, no se presentan los inconvenientes del relé de corriente definida, la protección es más selectiva
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
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RELE DE TIEMPO INVERSO
La característica de operación es tal que, el tiempo varía inversamente con la magnitud de la corriente que detecta.
Su principal ventaja, sobre los relés de tiempo definido, es que ante muy altas corrientes pueden obtenerse tiempos de disparo muy cortos, sin tener que sacrificar la selectividad
Los tipos de relés de sobrecorriente más comúnmente usados, son: normalmente inverso, muy inverso y extremadamente inverso.
En los relés electromecánicos , en la forma de las curvas tienen mucha influencia elementos como: el resorte de reposición, la inercia de las partes móviles, imanes permanentes de freno, etc. Para los relés de estado sólido, es posible conseguir una variedad más amplia de curvas, las que además pueden ser expresadas matemáticamente. Los relés instantáneos y los de tipo inverso, son inherentemente no selectivos, ya que detectan condiciones de sobrecorriente en sus zonas de protección y en zonas adyacentes 17/04/2015
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4.2 RELES ELECTROMECANICOS
Actuaban operando sus contactos sobre la bobina del interruptor de potencia, cuando se presentaba una falla.
El principio de funcionamiento, está basado en los fenómenos de la atracción e inducción electromagnética.
Tap - Dispositivo que permite variar la sensibilidad del relé, permitiendo que opere a diferentes valores de corriente.
Pick up - Corriente mínima que produce el cambio de los contactos del relé de abierto a cerrado
Corriente de partida - Valor de corriente justa y necesaria que vence la inercia de las partes móviles
Lever - Escala de tiempo que indica la posición de reposo del disco y determina el recorrido del mismo hasta el cierre de los contactos (permite variar el tiempo de operación, para corriente mínima de operación)
Overshoot – Sobrecarrera - Tiempo que puede seguir girando el disco, en los relés de inducción, debido a su inercia, luego de desenergizada la falla por otro sistema de protección, antes de cerrar sus contactos 17/04/2015
Consisten de un disco de inducción, un núcleo electromagnético, un muelle en forma de espiral, una bobina secundaria o de sombra y una unidad de sello indicadora.
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
Atracción electromagnética Se construyen con componentes eléctricos, magnéticos y mecánicos, tienen una bobina de operación y diversos contactos (son muy robustos y confiables). Pueden ser alimentados por corriente continua o alterna y operan por el movimiento de una pieza de metal, cuando es atraída por el campo magnético producido por la bobina. Fatraccion K1 I2 K1 I2
I
K2
K2 K2 K1
K 1: Depende del número de vueltas del solenoide en operación, el entrehierro, la sección efectiva y reluctancia del circuito magnético, entre otros factores
K 2: Es la fuerza de restricción o de oposición,
Relé tipo Armadura (palanca)
usualmente producida por un resorte
Relé tipo Pistón (solenoide)
Los relés de atracción no tienen retardo de tiempo y, por tanto, son usados cuando se requiere operación instantánea. 17/04/2015
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
Inducción electromagnética Trabaja solo con corriente alterna y consiste de un sistema electromagnético que opera en un conductor movible, generalmente en forma de disco. Funciona a través de la interacción del flujo magnético con las corrientes parásitas de Foucault que se inducen en el rotor (disco), debido a tales flujos.
i1 (t)
d1 m1 cos(t) dt
F1 1 (t) i2 (t)
i2 (t)
d2 m2 cos(t ) dt
F2 2 (t) i1 (t)
FR F2 F1 FR 2 (t) i1 (t) 1 (t) i2 (t) F R m 2 sen( t ) * m1 cos( t ) m1 sen( t ) * m 2 cos( t ) F R T
sen m1
m2
sen m1
m2
1
Φm1(t) Valor máximo de la onda senoidal del flujo Φ1(t), debido a la
proporcionalidad (puede ser cambiado por el valor eficaz) Φm2(t) Valor máximo de la onda senoidal del flujo Φ2(t) o valor eficaz
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θ 2
Desfase entre los dos flujos
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4.3 RELES ELECTRONICOS ESTATIVOS (Analógicos)
Surgieron como alternativa de los relevadores electromecánicos Están diseñados con circuitos electrónicos analógicos discretos, estos circuitos emulan las características de los relevadores electromecánicos. Primeros modelos – Uso del transistor (problemas con transitorios de tensión y temperatura, en régimen permanente) Posteriormente, con el arribo de la tecnología de circuitos integrados, los relevadores de estado sólido, hicieron uso de los amplificadores operacionales (AMP OPs).
Generar señales (actua como fuente de corriente o de tensión Amplificar Sumar, restar, invertir señales Comparar señales Integrar o derivar señales Eliminar ruido Convertir señal alterna en directa Convertir tensión en corriente
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4.4 RELES ELECTRONICOS DIGITALES Son relés de protección con microprocesadores (digitales o relevadores numéricos) Ampliamente aceptados en el ámbito de la protección de sistemas eléctricos de potencia Son dispositivos con múltiples capacidades (protección, medición, control y supervisión) Convierte señales analógicas de tensión y corriente, en cantidades binarias por medio de un convertidor analógico/digital Las cantidades son procesadas numéricamente por los algoritmos o programas de cómputo del relevador. Los algoritmos se encargan de la detección de fallas y control de las señales de disparo.
Los relés digitales han revolucionado el enfoque tradicional de las protecciones eléctricas. Al estar implantada su lógica de protección en software, son pocos los límites en la innovación de nuevas técnicas de protección. Al principio fue inviable obtener tiempos adecuados de actuación Con el arribo de los micros de 16 bits, se comenzó a construir computadores más rápidos y económicos 17/04/2015
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Las señales analógicas de V e I, son filtradas en primera instancia con filtros que eliminan harmónicas de orden superior en las señales entrantes Las señales filtradas son muestreadas por medio de convertidores analógicos/digitales Los valores numéricos digitales, son almacenarse en la memoria para su procesamiento Es necesario un segundo filtrado (ahora numérico) que elimina casi por completo las harmónicas, quedando solamente la componente fundamental
Una vez obtenidas las fundamentales de V e I (o sus componentes real e imaginaria), se puede calcular la impedancia Z, vista por el relé desde su lugar geográfico de instalación Las ventajas más notables: Confiabilidad Auto-diagnóstico Registro de eventos y disturbios Desarrollo de protecciones adaptivas Económicos 17/04/2015
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
4.4 AJUSTE DE LOS RELES TAP – Valor de ajuste necesario para que los contactos operen Ajuste tipo PORCENTUAL - responde a un valor en Ajuste DIRECTO - representa el valor de los porcentaje de la corriente nominal secundaria del amperios secundarios que circulan por él relé = ∗
=
= ∗ ∗
= ∗
Si se tiene un relé cuya corriente nominal secundaria es de 5A y el ajuste del TAP es 0.5 I/In, quiere decir que es un ajuste porcentual
Si se tiene un relé cuya corriente nominal secundaria es de 5A y el ajuste del TAP es de 3A, quiere decir que es un ajuste DIRECTO
Por tanto, el relé opera cuando la corriente que circula por el es de 0.5*5 (es decir 2.5 A), secundarios.
Por tanto, el relé opera cuando la corriente que circula es de 3A, secundarios.
Si los CTs en los que el relé está conectado son de relación 600/5 (RCT=120), entonces el ajuste del relé es 0.5*5*120 (es decir 300 A, primarias).
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Si los CTs a los cuales el relé está conectado son de relación 200/5 (RCT=40), entonces el ajuste del relé es 3*40 (120 A, primarios).
4.- RELE DE SOBRECORRIENTE INSTANTANEA Además del ajuste del TAP (que por lo general es temporizado), existe el ajuste instantáneo, es decir que los contactos de disparo del relé se cierran tan pronto la corriente supera este valor ajustado. Las unidades instantáneas tienen un tiempo de operación de 5 a 50 mseg, dependiendo de la tecnología del relé. El ajuste instantáneo al igual que el TAP, puede ser porcentual i directo, de la corriente nominal del relé o del TAP.
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DIAL o MULTIPLICADOR DE TIEMPO Es el sistema que determina el tiempo de operación de los contactos del relé, después de haber iniciado su operación. El dial representa cada uno de los posibles ajustes de tiempo o curva. Inicialmente, el dial está asociado temporizado (es decir al TAP)
al
ajuste
Con el avance de la tecnología, ha sido posible asignar un ajuste de dial para la instantánea en las aplicaciones en que se requiere “temporizar” la instantánea, sobre todo en los relés numéricos y algunos digitales.
4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
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EJEMPLO Los relés electromecánicos, eran los más utilizados en el pasado reciente, sus curvas recibieron a lo largo del tiempo, normalizaciones de acuerdo a sus pendientes (que fueron introducidas en diferentes países), de modo que es posible adecuar a cada tipo de curva la respuesta del relé, de cualquier fabricante.
Curva IEC 255-4 y BS 142 (International Electrotechnical Commission) Curva IEEE/ANSI C37.90 (Institute Of Electrical and Electronics Engineers) Curva IAC (de General Electric - GE) Curva I2t
Una de las ventajas de los relés digitales, en relación a las curvas de tiempo, es que los mismos posibilitan: Ajustar
las pendientes de sus curvas de tiempo Tienen curvas propias de actuación Tienen curvas personalizadas de actuación, de acuerdo con las necesidades Emular las curvas normalizadas de actuación de los relés electromecánicos (pueden imitar la operación del relé electromecánico)
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
APLICACIÓN En un relé digital, no es necesario tener las curvas de tiempo, en papel; ya que actúa asociado a una función que reproduce la curva normalizada. La función, es dada por la siguiente relación, que representa las curvas de tiempos por los múltiplos de los relés electromecánicos, establecida por la IEC, I2t y por le C37.112-1996 IEEE. NORMA t actuacion del rele
M
K Tcurva L M I Iajuste
Donde:
Tcurva Tactuacion del relé M I Iajuste K, α, L, β 17/04/2015
IEC IEEE I2t todas
TIPO
K
α
L
β
Curva inversa (Clase A) Moderadamente inversa Muy inversa (Clase B) Extremadamente inversa (Clase C) Moderadamente inversa Muy inversa Extremadamente inversa Curva I2t Tiempo definido
0.14 0.05 13.5 80 0.515 196.1 282 100 0
0.02 0.04 1 2 0.02 2 2 2 -
0 0 0 0 1.14 4.91 1.217 0 cualquier
1 1 1 1 1 1 1 0 1
Múltiplo de tiempo (DIAL), en las curvas de tiempo del relé electromecánico Tiempo de actuación del relé, en segundo (disparo) Múltiplo del relé Corriente real que entra al relé Corriente de ajuste del relé Coeficientes de la relación matemática, según el siguiente cuatro
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
Para las curvas tiempo-múltiplo, definido por IAC, usadas generalmente por GE, se tiene: t actuaciondel rele
B D E Tcurva A 2 3 M C M C M C
CURVA IAC Inversa corta Inversa larga Inversa Muy inversa Extremadamente inversa
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A
B
C
D
E
0.0442 0.3754 0.2078 0.09 0.004
0.0482 17.8307 0.863 0.7955 0.6379
0.34 0.32 0.8 0.1 0.62
0.0223 -23.7187 -0.418 -1.2885 1.7872
0.0697 23.8978 0.1947 7.9586 0.2461
Los tiempos obtenidos en las curvas de tiempo de los relés de protección, son: Electromecánico 7,5% Electrónico 5,0% Digital 5,0%
4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
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Ajuste del tiempo (DIAL) del relé
La curva de tiempo, debe ser elegida en base a las características y condiciones de coordinación de los relés presentes en la protección, donde se hallan interrelacionadas.
Una coordinación, depende de una cadena (escala) de tiempos diferentes, para una misma corriente de cortocircuito, de modo que se garantice una secuencia de selectividad en la apertura del elemento de protección, buscando aislar el elemento fallado y afectando a la menor cantidad de Consumidores.
En los relés electromecánicos, las diferentes curvas de tiempo, representan diferentes posiciones de distanciamiento de los contactos móviles, con relación a los contactos fijos.
Los fabricantes demarcan las curvas de atenuación de los relés con porcentaje o en base 10, pueden ser: Curva: 5% – 10% – 20% – 30% – 40% – 50% – 60% – 70% – 80% – 90% – 100% Curva: 0.5 – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 9 – 10
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
Por ejemplo, para un cortocircuito cuyo múltiplo es 3.0, en la hoja de tiempos del relé, se tiene los siguientes tiempos de actuación: M=3.0 M=3.0 M=3.0
curva de tiempo 10 t= 5.4 s curva de tiempo 5 t= 2.7 s curva de tiempo 1 t= 0.54 s
Observación
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El múltiplo M=1, corresponde a la corriente de su TAP. El relé esta en su limite de operación
Entre 1 a 1,5 el relé electromecánico opera con un pequeño torque y no garantiza eficiencia de operación de protección (no es confiable)
A partir de 1,5 el rele actua garantizando que el tiempo de actuacion ocurre sobre la curva elegida
4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
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Ajuste de la corriente (TAP) del relé
Los relés están disponibles en varios rangos para satisfacer ajustes de arranque, en una gama de 0.1 a 16 A.
La sensibilidad es determinada por medio de plug discreto y un dial de tiempo proporciona un ajuste de tiempo de retardo continuo y en todo el rango.
Los códigos de los modelos IAC terminan en "8__ A“ (como IAC51B801A), proporcionan una amplia gama de configuración.
La mayoría de los otros relés IAC tienen una relación de 04:01.
Los ajustes de TAP disponibles, se enumeran a continuación para el común de relés de sobrecorriente: Unidad 0.5 – 4.0 Unidad 1.5 – 12 Unidad 2 –16
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0.5 – 0.6 – 0.7 – 0.8 – 1 – 1.2 – 1.5 – 2 – 2.5 – 3 – 4 [A] 1.5 – 2 – 2.5 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 10 – 12 [A] 2 – 2.5 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 10 – 12 – 16 [A]
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4.- RELE DE SOBRECORRIENTE
Para este relé, supóngase que la mínima FMM necesaria para la operación del relé sea 100 Ae, por lo que es importante que la misma FMM sea producida dentro el núcleo, responsable del mismo par motor en el disco. Dicha FMM se puede obtener usando diferentes TAP’s, como se detalla a continuación: 1A 1.25 A 2A 2.5 A 4A 5A
x 100 espiras x 80 espiras x 50 espiras x 40 espiras x 25 espiras x 20 espiras
= 100 Ae = 100 Ae = 100 Ae = 100 Ae = 100 Ae = 100 Ae
El secundario del CT, ve al relé con la misma carga en VA. La equivalencia de potencia aparente es dada por la relación Z1 ( TAP1 )2
(1.4 a 1.5) * Inominal de carga Iajuste del rele a = 1.5
para relé electromecánico
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Ictocto minimo
al final del cto protegido
a a = 1.1
para relé digital
Z1
Z2 ( TAP2 )2
Z2 ( TAP2 )2 ( TAP1 )2
TAP2 Z2 TAP1
2
