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3proteccion de Sobrecorriente
3proteccion de Sobrecorriente
3proteccion de Sobrecorriente
Normalmente las fallas en los sistemas de potencia eléctricos causan niveles muy
elevados de corrientes. Estas corrientes pueden usarse para determinar la presencia de
las mismas y operar dispositivos de protección, que pueden variar en el diseño
dependiendo de la complejidad y la exactitud requerida.
Los relés de sobrecorriente que forman la base de este capítulo es la forma más común
de protección usadas contra las corrientes excesivas en los sistemas de potencia de 33kV
y superiores, y como protección principal a la partida de los alimentadores en redes de
distribución de 13.2kV. Ellos no deben aplicarse solamente como un medio de protección
de los sistemas contra las sobrecargas, lo cual está asociado con la capacidad térmica de
máquinas o líneas, sino también como protección contra sobrecorrientes, principalmente
que operen bajo las condiciones de falla. Sin embargo, el ajuste de un relé debe hacerse
teniendo en cuenta el compromiso a cubrir por los dos, la carga excesiva y condiciones de
sobrecorriente.
3.1. Introducción
Uno de los fenómenos más comunes que se presentan durante las anormalidades en un
sistema eléctrico de potencia y en especial en los cortocircuitos, es el aumento de la
corriente por sobre los valores normales de operación. Este aumento se utiliza para
discriminar la ocurrencia de fallas, ya sea como protección principal o de respaldo y el relé
se denomina de sobrecorriente. Es uno de los sistemas más simples y se usa
ampliamente, especialmente en alimentadores radiales de distribución (10 a 25 kV) y
transformadores de poca potencia (hasta 4 MVA). Como protección de respaldo se usa en
equipos más importantes dentro del SEP, tales como: generadores, transformadores de
mayor potencia, líneas de media tensión, etc.
El nivel de corriente mínima de operación (o corriente de pickup), que es aquel valor que
produce el cambio de estado del relé.
Para los relés de estado sólido, es posible conseguir una variedad más amplia de
curvas, las que además pueden ser expresadas matemáticamente, como se verá
más adelante.
2.2 Dial
Permite obtener diferentes tiempos de operación para un mismo tipo de curva y
una corriente dada. Ver la Figura 3.
En relés modernos los pasos de dial son muy cercanos entre sí. Por ejemplo, 0.1 a
1 en pasos de 0.05 que equivale a 18 curvas. Esto permite considerar el ajuste de
dial como una función continua.
En relés antiguos, los dial son números con los cuales se
operación. Por ejemplo, ½, 1, 2 hasta 11, en pasos de 1. Estos números son
nombres y no corresponden a factores de ecuación alguna.
Una vez se seleccionan el tipo de curva de operación del relé y la corriente nominal
se procede a determinar los mejores valores de Iarranque y dial aplicando los
criterios y procedimientos de coordinación de protecciones.
Como una forma de solucionar las deficiencias que presenta el método anterior, se ha
desarrollado otro en base a relés de sobrecorriente de tiempo inverso, tal como se
muestra en la Figura 3.33.
3.4.3. Selectividad con protecciones de tiempo inverso e instantáneas
Se pueden combinar las características de tiempo de operación de estos dos tipos de
relés para mejorar la selectividad y la estabilidad del SEP tal como se muestra en la
Figura 3.34, especialmente en el caso de líneas largas o para la protección de
transformadores, donde hay una apreciable diferencia entre las corrientes de cortocircuito
entre dos relés consecutivos. El ajuste de los elementos instantáneos debe ser tal que no
detecte fallas en la barra siguiente a su ubicación, por lo que en general se le da un
margen de un 25 a un 30%, es decir, se multiplica la corriente de falla en la barra
siguiente por 1,25 o 1,3.
3.5. Determinación de ajustes de relés de sobrecorriente. Coordinación de
protecciones
Un estudio de coordinación de protecciones consiste en organizar las curvas tiempo-
corriente de cada uno de los relés que se encuentran en serie entre el dispositivo que usa
la energía y la fuente. Este debiera realizarse al comienzo de cualquier proyecto de un
sistema eléctrico, ya que ello podría indicar que se requieren algunos cambios en las
especificaciones de ciertos equipos. También debiera efectuarse un estudio o una
revisión, cada vez que se añaden cargas nuevas o se reemplazan equipos en un sistema
existente, o bien, cuando se produce un cambio importante en el nivel de cortocircuito del
sistema. Finalmente, se requiere un estudio cuando una falla no es despejada con la
selectividad adecuada y compromete una mayor parte del sistema de la que debiera.
a. Corriente de partida
Es el valor de corriente capaz de sacar del reposo a la parte móvil del relé. Cuando el relé
es de comparador móvil, como el disco, por ejemplo, en los relés de tipo disco de
inducción se requiere esta corriente, para iniciar el movimiento del disco, aunque es
posible que éste no llegue a cerrar sus contactos a pesar de seguir manteniéndola
aplicada.
Las curvas de los relés vienen con el valor de corriente expresado en veces tap y no en
amperes, de modo que sirvan para cualquier rango de corrientes primarias. También es
habitual que las curvas no comiencen en 1 por tap sino que en 1,5 veces en el caso de los
americanos o 1,3 veces en el caso de los relés ingleses. En los relés de estado sólido es
frecuente que el pickup sea 1,1 veces el tap y que las curvas comiencen también desde
este punto, aunque en algunos casos, las curvas comienzan en 1,03 veces el tap, (relés
digitales) que para estos efectos denominan pickup. La razón para esto es que resulta
difícil precisar las curvas para valores de corriente muy cercanos al valor de la toma (tap),
de modo que el fabricante se deja un margen donde no asegura la exactitud de las
curvas.
c. Tap
Es el dispositivo que permite seleccionar la corriente de operación del relé dentro de un
rango de tomas o derivaciones dispuestas para este efecto. Normalmente el valor del tap
se designa en Amperes y representa el valor de corriente que haría operar al relé en un
tiempo indeterminado (muy largo).
Las curvas tiempo-corriente se dibujan, en general, como una sola línea; sin embargo, es
necesario indicar que se aceptan ciertos límites de error para estas curvas (banda de
operación), los que como se verá posteriormente, influyen en la determinación del tiempo
de paso. En los relés transistorizados, por lo general, el lever, que en este caso se
denomina time dial (dial de tiempo) es un reóstato que influye en un circuito RC y que
permite variar los tiempos de operación.
e. Sobrecarrera (overshoot)
En el caso de los relés de inducción, es el tiempo que puede seguir girando el disco (del
relé de respaldo) luego de que la falla ha sido despejada por otro relé (local), antes de
cerrar sus contactos. En el caso de los relés estáticos antiguos, correspondía al tiempo
que demoraba el condensador del circuito de tiempo en descargarse bajo su nivel de
operación, luego que la falla se había despejado. Esta sobrecarrera puede representar
tiempos de 0,03 a 0,10 segundos, valores que hay que tener en cuenta como se verá más
adelante.
En los relés de estado sólido modernos, la sobrecarrera no existe.
f. Tiempo de paso
Cuando se coordinan relés, debe mantenerse un intervalo de tiempo entre sus curvas,
con el objeto de obtener una operación secuencial correcta de los interruptores. A este
tiempo de apertura del interruptor, sobrecarrera y error de las curvas de operación de los
relés, y a otros, como la exactitud de los TT/CC y a su posible saturación.
3.5.2. Reglas generales para calcular los ajustes de los relés de sobrecorriente.
Con lo explicado hasta ahora, se está en condiciones de dar algunas reglas que permitan
abordar el cálculo de ajustes de los relés de sobrecorriente. Conviene recordar que estos
relés, además de dar protección a ciertos equipos, cumplen también la misión de dar
respaldo local o remoto a otras protecciones que pueden ser incluso de sobrecorriente.
a. Relés de fase.
a.1. El relé de fase debe detectar fallas por lo menos hasta el extremo final de la sección
de circuito siguiente a la que está protegiendo. Por ejemplo, en la Figura 3.35, el relé R1
debe detectar fallas mínimas en el sector del relé R3.
a.2. El tap debe elegirse de modo que el pickup sea mayor que la corriente máxima de
carga y detecte fallas mínimas en respaldo. Además de esto, en algunos casos, al relé de
sobrecorriente se le da el carácter de relé de sobrecarga eligiendo entonces un ajuste de
1,2 a 1,5 veces la corriente nominal del equipo. Es necesario tener cuidado en esto último,
ya que si se abusa de ello, se puede limitar mucho la posibilidad de sobrecarga controlada
que puede dar el equipo protegido. Al elegir el valor del tap, debe tenerse en cuenta las
posibles variaciones que respecto a este valor tiene el pickup.
a.3. El lever (ajuste de tiempo) debe elegirse dando el tiempo más corto posible al relé
más alejado de la fuente. Si éste no coordina con otros elementos (fusibles, relés
térmicos, etc.), o si se tiene corrientes transitorias elevadas (partidas de motores,
corriente de inrush de transformadores, etc.) debe dársele el lever mínimo permisible que
evite falsas operaciones. Este lever se recomienda sea 1 para los americanos y 0,1 para
los europeos, pero puede ser hasta 0,5 o 0,05, respectivamente. El resto de los relés
debe coordinarse con los que le anteceden, dándole el tiempo de paso más el tiempo del
relé con que se coordina, en el punto que corresponda a la máxima falla. Como tal se
considera generalmente una falla trifásica, con máxima generación justo después de la
siguiente barra o el pickup del instantáneo del relé con el que se está coordinando. Por
ejemplo, en la Figura 3.35, el lever del relé R2 debe calcularse con el tiempo del relé R3
más el tiempo de paso, con una falla máxima en F (barra siguiente al relé R2). En todo
caso, debe verificarse la coordinación para otro tipo de fallas.
a.4. Todo lo explicado es válido para sistemas radiales. En puntos donde no hay
suficiente diferencia entre la corriente de los alimentadores fallados y no fallados que
llegan a una misma barra de subestación, o en sistemas en anillo o con líneas de doble
circuito debe usarse relés con control direccional.
b. Relés de tierra.
Para estos relés son válidos los mismos puntos mencionados antes, excepto lo indicado
al comienzo de a.2. En efecto, como estos relés son alimentados con las corrientes de
secuencia cero, las que deberían valer cero para condiciones normales de operación,
puede elegirse un tap de valor inferior a las corrientes normales de carga.
Donde tnc es el tiempo para lever máximo tomado como veces pickup igual nc. El valor
así determinado, dará de inmediato el Lever para los relés Europeos, cuyo Lever máximo
es la unidad y habrá que multiplicarlo por 10 en el caso de los relés americanos cuyo
Lever máximo es 10.
La coordinación del relé siguiente se hará a partir de una nueva corriente de falla máxima
y con un procedimiento similar al expuesto. En el caso de utilizar elementos instantáneos,
la coordinación se hará a partir del ajuste de corriente de esta unidad, (el que por
supuesto es menor que la corriente de falla máxima) en vez de la corriente de falla
máxima.
1. RELES DE SOBRECORRIENTE.
Es de aclarar, que los relés no realizan directamente las maniobras de conexión y desconexión
del sistema eléctrico, estas las realiza el equipo de corte y maniobra.
La selectividad o discriminación es la cualidad de un sistema de protección que le permite
distinguir entre aquellas condiciones para las cuales está pensado para operar y aquellas para
las cuales no debe operar. El proceso de ajustar la selectividad se denomina “coordinación de
protecciones”.
En los relés de sobrecorriente temporizados de tipo “tiempo inverso” el tiempo para operación
es inversamente proporcional a la magnitud de la corriente observada. Ver la Figura 2.
Existen varios tipos de curvas de tiempo inverso las cuales, por lo general, se modelan mediante
ecuaciones exponenciales, como por ejemplo:
Donde a y n son constantes de forma, M es la relación entre corriente observada por el relé y la
corriente de arranque (I/Iarranque) y DIAL es el factor de escala para un tipo de curva dado.
Algunos ejemplos de valores para a y n se muestran en la Tabla 1.
Estos relés tienen los dos siguientes parámetros de ajuste:
2.2 Dial
Permite obtener diferentes tiempos de operación para un mismo tipo de curva y una corriente
dada. Ver la Figura 3. En relés modernos los pasos de dial son muy cercanos entre sí. Por
ejemplo, 0.1 a 1 en pasos de 0.05 que equivale a 18 curvas. Esto permite considerar el ajuste de
dial como una función continua.
En relés antiguos, los dial son números con los cuales se “bautiza” a cada curva de operación.
Por ejemplo, ½, 1, 2 hasta 11, en pasos de 1. Estos números son nombres y no corresponden a
factores de ecuación alguna.
Una vez se seleccionan el tipo de curva de operación del relé y la corriente nominal se procede
a determinar los mejores valores de Iarranque y dial aplicando los criterios y procedimientos de
coordinación de protecciones. Un relé con perillas de ajuste tiene la forma que se presenta en
la figura 4. Además, puede existir otra perilla para seleccionar el tipo de curva de operación.
Puesto que en una red radial la corriente de cortocircuito disminuye conforme la falla se aleja
de la fuente, la curva de tiempo inverso es conveniente para ofrecer operación rápida ante fallas
en la zona propia del relé y respaldo a los relés ubicados en la zona aguas abajo, como se muestra
en la Figura 5.
Los relés se numeran en forma ascendente de la cola hacia la fuente. El algoritmo de coordinación
es:
Paso 1: Ajustar la corriente de arranque real xIn ó TAP de todos los relés.
xIn = Iarranque deseada/(RTC*In) (2)
TAP = (Iarranque deseada)/RTC (3)
Iarranque deseada = k Icarga (4)
Los valores obtenidos con (2) o (3) deben redondearse a los valores discretos de ajuste del relé.
A menor corriente de arranque, más rápida será la operación del relé y viceversa.
Iarranque debe ser mayor a la Icarga por un factor k que tiene en cuenta las variaciones diarias
en la carga, su crecimiento, las corrientes de energización y el error de medida.
El rango de valores de k es 1.0 < k ≤ 2.0. Un valor típico es 1.5
Cuando se utiliza un valor alto de k debe verificarse que no se supere la capacidad térmica de los
equipos debido a las sobrecargas.
Paso 2: Para el relé 1 de la cola seleccionar DIAL1 reemplazando los siguientes valores en la
ecuación característica del relé:
t11=tmin (5)
M11=Ifalla1/Iarranque1 (6)
Tmin: es un tiempo de espera para que la falla se aclare por sí misma y desaparezcan las
corrientes de energización. Valor típico: 0.1 segundos.
Paso 3: Para el siguiente relé aguas arriba seleccionar DIALi reemplazando los siguientes valores
en la ecuación característica del relé:
ti i-1=ti-1 i-1+tmargen (7)
Mi i-1=Ifallai-1/Iarranquei (8)
Tmargen: es un tiempo de espera para que la falla sea detectada y despejada por los equipos de
protección de la subestación aguas abajo. Varía entre 0.1 y 0.5 segundos. Valor típico: 0.3
segundos.
.
Juegos de curvas tiempo/ corriente de acuerdo con los Standards BS 142.1966 e IEC 60255-3.
Se dispone de cuatro curvas standard llamadas extremadamente inversa, muy inversa, normal
inversa e inversa de larga duración. La relación entre la corriente y el tiempo cumple con los
standards BS 142.1966 e IEC 60255-3 y puede expresarse como sigue:
Las pendientes de los juegos de curvas de tiempo/corriente se determinan con las constantes
como sigue:
4.3 Relés de sobrecorriente de tipo instantáneo.
Si el relevador opera instantáneamente sin ningún retardo intencional en el tiempo se
denominan instantáneos y esta característica se puede lograr por medio de relés del tipo de
armadura de atracción no polarizada, tiene la ventaja de reducir el tiempo de operación a un
mínimo para fallas muy cercanas a la fuente cuando la corriente de falla es muy grande y es
efectivo solo cuando la impedancia entre el relé y la fuente es pequeña con la impedancia de la
zona por proteger. Una de las importantes consideraciones en la aplicación de relés de
sobrecorriente y sobrevoltaje es su velocidad de operación, los relés de acción instantánea se
emplean para fallas de línea a tierra restringidas y otras formas de circulación de corriente. La
relación X/R del sistema de la fuente a la falla controla el grado de desajuste y el índice de
decremento de la onda de corriente y la relación de al impedancia de la fuente a la impedancia
de la carga el grado de rapidez que puede ser logrado. Para que un esquema de protección como
este sea eficiente se requiere que a falla mínima de corriente de falla exceda a la máxima
corriente de carga.
Relés de sobrecorriente instantáneos.
Se utilizan cuando la corriente de cortocircuito en el sitio del relevador es por lo menos tres veces
la corriente de cortocircuito en el extremo opuesto de la línea. Los relés se ajustan a la corriente
que resultaría de tener una falla localizada en un punto equivalente al 70% de la longitud de la
línea. El uso de estos relés reduce el tiempo de operación para la mayoría de las fallas y permite
escoger una curva inferior ya que el factor de coordinación se aplica al punto de cubrimiento del
relé instantáneo.
Adicionando unidades de disparo instantáneo a los relevadores de sobrecorriente de tiempo
inverso, se suministra una operación de alta velocidad para fallas cercanas, permitiendo hacer
ajustes en los relés adyacentes.
Los ajustes de los relés se determinan primero para obtener el tiempo de operación más
rápido a niveles de falla máximos y luego se verifica que la operación siga siendo
satisfactoria con la corriente de falla mínima esperada. Se deben dibujar las curvas de
los relés y otros elementos de protección como fusibles, que deben operar en serie, en
una escala común de corriente (de acuerdo con el nivel de voltaje) o con escalas de
corriente separadas para cada nivel de voltaje, como se muestra en la figura 27.
La regla básica para una correcta coordinación se puede determinar generalmente así:
1. En lo posible, utilizar relés con la misma curva característica en serie con cada
uno.
2. Asegurarse que el relé aguas abajo tiene ajustes de corriente iguales o menores
que los relés aguas arriba.
INTERRUPTOR TERMOMAGNETICO
Ante todo aclaremos que un circuito está formado por una serie de conductores
y elementos de consumo, estos elementos de consumo son en número limitado
y dependiendo del consumo del elemento será el conductor que se colocara y
también el INTERRUPTOR TERMOMAGNETICO.