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Pons CARLOS FELIPE RAMIREZ G.1. E., M. Sc.

Pontificia BolivarianaOhio Mato Universily

Auspiciado per:

MEDIA CCILLEGAS S.A.UNIVERSIDAD

CONSULTOYES INOENIERIA ELICTICAPONTIFICIA

B LIVARIANA

INTRODUCCION

Este libro fue elaborado exclusivamente con fines didácticos y se basó en

libros y publicaciones existentes ; especialmente , para los tres (3) prime-

ros capítulos , en el libro del Ingeniero C. Russell Manson "The Art and

Science of Protective Relaying " ( 1). Los demás capítulos son una recopila-

ción de artículos y libros de los principales fabricantes de relés de pro-

tección, tanto de la tendencia Americana como de la Europea.

El Autor

Agradezco muy especialmente a los In

genieros Alvaro Villegas Mejía y

Luis F. Penagos Gómez por su aporte

a la elaboración de este documento.

El Autor

INTRODUCCION A LOS RELES DE PROTECCION

CONTENIDO

PAGINA

CAPITULO 1 INTRODUCCION Y FILOSOFIA GENERAL

1.1 Introducción 1

1.2 Función de los Relés de Protección 1

1.3 Clasificación de los Relés 3

1.3.1 Categorías Funcionales 3

1.3.2 Entrada o Cantidad Actuante 5

1.4 Determinación del Grado de Protección

Requerida 6

1.5 Determinación del Tiempo Requerido pa

ra Eliminar una Falla 9

1.6 Técnicas de los Relés de Protección 10

1.7 Representación del Sistema de Poten -

cia 11

1.8 Principio Fundamental de Utilización

de los Relés de Protección 13

1.8.1 Protección Principal 13

1.8.2 Protección de Respaldo 16

1.9 Principales Exigencias Impuestas a los

Dispositivos de Protección 22

1.9.1 Selectividad 22

1.9.2 Seguridad 22

1.9.3 Confiabilidad 22

1.9.4 Sensibilidad 22

1.9.5 Velocidad 22

1.10 ¿Cómo Funcionan los Relés de Protección? 23

CAPITULO 2 CALCULOS DE CORTOCIRCUITO -

UNA VISION GENERAL

2.1 Introducción 25

2.2 Bases Fundamentales 26

2.3 Componentes Simétricas 29

2.4 Cortocircuito . Generalidades 35

2.4.1 Efectos 35

2.4.2 Cortocircuito Trifásico Simétrico 37

2.4.3 Cortocircuito Monofásico a Tierra 38

2.4.4 Cortocircuito entre dos Fases 42

2.4.5 Cortocircuito entre dos Fases y Tierra 43

2.4.6 Coeficiente de Puesta a Tierra 45

2.5 Cálculos de Cortocircuito en una Red

Radial 46

2.6 Cálculos de Cortocircuito en una Red

Enmallada 54

2.7 Balance de Amperios -Vuelta y Circulación

de Corrientes de Secuencia Cero 55

CAPITULO 3 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS FUNDAMEN-

TALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS RELES

3.1 Consideraciones Generales 64

3.1.1 Principio de Funcionamiento 64

3.1.2 Definición de Funcionamiento 65

3.1.3 Indicadores de Funcionamiento 67

3.1.4 Bobinas de Sello y de Retención 67

3.1.5 Ajuste del Valor de Puesta en Trabajo

o de Reposición 67

3.1.6 Ajuste del Tiempo de Operación 69

3.1.7 Otras Consideraciones 69

3.2 Relés de una Sola Magnitud del Tipo

Atracción Electromecánica 70

3.3 Relés Direccionales del Tipo Atracción

Electromecánica 73

3.4 Relés del Tipo Inducción 75

3.4.1 Principios Generales de Funcionamiento 75

3.4.2 Tipos de Estructura Actuante 78

3.5 Relés de Inducción de una Sola Cantidad

Actuante 81

3.6 Relés de Inducción Direccionales 83

3.6.1 Relés de Corriente-Corriente 83

3.6.2 Relés de Corriente-Tensión 85

3.6.3 Relés de Tensión-Tensión 87

3.6.4 Características de Funcionamiento de un

Relé Direccional 87

3.7 Ecuación General de Torque 90

3.8 Relés de Estado Sólido 90

3.8.1 Elementos de Trabajo 91

3.8.2 Características de Diseño 95

3.8.3 Algunos Circuitos de Relés de Estado So

lido 96

3.9 Otros Relés 98

CAPITULO 4 TIPOS PRINCIPALES DE RELES DE PROTECCION

4.1 Relés de Sobrecorriente , Baja Corriente,

Sobretensión y Baja Tensión 102

4.1.1 Ajuste del Valor de Puesta en Trabajo 103

4.1.2 Ajuste del Tiempo de Operación 103

4.1.3 Sobrecarrera y Tiempo de Reposición 106

4.1.4 Conexión 108

4.2 Relés Direccionales de ca. 109

4.2.1 Relés de Potencia 110

4.2.2 Relés Direccionales de Sobrecorriente 111

4.3 Relé de Equilibrio de Corriente 117

4.4 Relés Diferenciales 120

4.5 Relés de Distancia 125

4.5.1 Tipos de Relés de Distancia 126

4.5.2 Consideraciones Generales Aplicables a

todos los Relés de Distancia 143

4.6 Relés Pilotos 147

4.6.1 Hilo Piloto 148

4.6.2 Comparación de Fases 149

4.6.3 Ondas Viajeras 152

4.7 Algunos Circuitos para Relés Electrón¡

cos 154

4.7.1 Comparador de Bloque Instantáneo 157

4.7.2 Comparador de Bloque Promedio 159

4.7.3 Relé Tipo Impedancia 161

4.7.4 Relé Mho 163

4.7.5 Relé Mho Completamente Polarizado 164

4.7.6 Relé de Reactancia 166

4.8 Algunos Circuitos Electrónicos para los

Principales Tipos de Relés de Protección 170

CAPITULO 5 TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTACION

5.1 Introducción 178

5.2 Transformadores de Potencial 178

5.2.1 Definición 178

5.2.2 Simbología 178

5.2.3 Tensiones Nominales 178

5.2.4 Potencia Nominal 180

5.2.5 Potencia Máxima 181

5.2.6 Error de Tensión 181

5.2.7 Angulo de Error 182

5.2.8 Límite de Capacidad Térmica 182

5.2.9 Factor de Tensión 182

5.2.10 Tipos 184

5.2.11 Clases 188

5.2.12 Causas de los Errores de Relación 190

5.2.13 Selección de la Potencia Nominal 193

5.2.14 Aislamiento 193

5.2.15 Clases de Precisión 194

5.2.16 Conexiones 194

5.3 Transformadores de Corriente 196

5.3.1 Definición 196

5.3.2 Simbología y Circuito Equivalente 196

5.3.3 Corrientes Primarias Nominales 196

5.3.4 Corrientes Secundarias Nominales 200

5.3.5 Potencia Nominal 200

5.3.6 Error de Intensidad 201

5.3.7 Error de Fase 202

5.3.8 Error Compuesto 202

5.3.9 Corriente Límite Térmica 202

5.3.10 Corriente Límite Dinámica 203

5.3.11 Corriente Térmica Nominal 203

5.3.12 Coeficiente de Sobreintensidad 203

5.3.13 Tipos 203

5.3.14 Límites de Operación para Protección 215

5.3.15 Selección de la Potencia Nominal 216

5.3.16 Clases de Precisión 218

5.3.17 Efectos de la Corriente Directa 221

5.3.18 Conexiones 224

CAPITULO 6 PROTECCION DE GENERADORES Y MOTORES DE CA

6.1 Introducción 226

6.2 Protección contra Fallas en los Arrolla

mientos del Estator (87 G) 227

6.3 Protección contra Fallas entre Espiras

(51) 230

6.3.1 Tendencia Americana 232

6.3.2 Tendencia Europea 234

6.4 Protección contra Fallas a Tierra del Es-

tator ,(59 G)

6.4.1 Tendencia Americana 237

6.4.2 Tendencia Europea 241

6.5 Protección contra el Sobrecalentamiento

del Estator ( 49) 243

6.6 Protección contra Sobretensiones de ca

(59) 244

6.7 Protección contra Fallas a Tierra en el

Campo ( 64) 244

6.8 Protección contra Corrientes Desbalancea -

das (46) 246

6.9 Protección contra la Pérdida de la Excita-

ción (40) 248

6.10 Protección contra Motoreo ( 32) 251

6.11 Protección contra Bajas Tensiones ( 27) 254

6.12 Protección de Respaldo contra Fallas Ex

ternas 254

6.13 Otras Protecciones 255

6.13.1 Protección contra Vibraciones 255

6.13.2 Protección de Sobrecalentamiento de las

Chumaceras 256

6.13.3 Protección contra Quemado de Fusibles

de los Transformadores de Potencial 256

6.13.4 Protección contra Sobretensiones Transi

torias 256

6.14 Esquema General 257

6.15 Protección de Motores 257

6.15.1 Fallas entre Fases 264

6.15.2 Fallas a Tierra 265

6.15.3 Rotor Bloqueado 267

6.15.4 Sobrecarga 268

6.15.5 Baja Tensión 268

6.15.6 Inversión de Fase 268

6.15.7 Fases Desbalanceadas 269

6.15.8 Pérdida de Excitación 269

6.15.9 Pérdida de Sincronismo 269

6.15.10 Esquema General270

CAPITULO 7 :;ROTECCION DE TRANSFORMADORES Y REACTORES

7.1 Protección Diferencial 272

7.1.1 General272

7.1.2 Relés de Sensibilidad Reducida 274

7.1.3 Relés con Bloqueo de Armónicas 275

7.1.4 Insensibilización del Relé 276

7.1.5 Conexión de los Transformadores de Co -

rriente 277

7.1.6 Ajuste del Relé 290

7.1.7 Protección Diferencial de Autotransforma

dores 296

7.1.8 Alcance de la Zona de Protección 298

7.2 Relé de Presión Súbita 299

7.3 Relé Buchholz 299

7.4 Protección con Relés de Sobrecorriente 301

7.5 Protección contra Anomalías 305

7.6 Disparo Transferido 306

7.7 Protección de Transformadores de Puesta a

Tierra 306

7.8 Protección de Respaldo contra Fallas Ex -

ternas 309

7.9 Protección de Reactores en Derivación 311

7.9.1 Protección de Sobrepresión 314

7.9.2. Protección de Sobrecorriente 314

7.9.3 Protección Diferencial 315

CAPITULO 8 PROTECCION DE BARRAS

8.1 Configuraciones 319

8.1.1 Configuraciones de Conexión de Barras 319

8.1.2 Configuraciones de Conexión de Inte -

rruptores 325

8.2 Protección 327

8.2.1 Protección de Barras con Relés Diferen

ciales de Sobrecorriente 328

8.2.2 Protección de Barras con Relés Diferen

ciales de Alta Impedancia 330

8.2.3 Protección de Barras por el Principio

de Comparación Direccional 337

8.2.4 Protección de Respaldo 339

8.2.5 Protección de Barras de las Diferentes

Configuraciones 340

CAPITULO 9 PROTECCION DE LINEAS CON RELES DE SO -

BRECORRIENTE

9.1 Ajuste de los Relés de Sobrecorriente 346

9.2 Selección de la Curva de Operación de

los Relés 353

9.2.1 Curvas Extremadamente Inversas 353

9.2.2 Curvas Inversas 356

9.3 Ajuste de los Relés de Tierra contra

los de Fase 356

9.4 Utilización de los Relés Direccionales 357

9.5 Utilización de los Relés Instantáneos 359

9.6 Detección de Fa llas a Tierra en Siste-

mas no Puest os a Tierra 366

9.7 Coordinación de Relés y Fusibles 366

9.8 Ejemplo 367

CAPITULO 10 PROTECCION DE LINEAS CON RELES DE DIS-

TANCIA

10.1 Propiedades Características de la Pro-

tección de Distancia 371

10.2 Zonas de Protección 373

10.3 Aplicación de los Relés de Distancia 374

10.4 Selección entre Relés de Impedancia

Reactancia o Mho 376

10.5 Efectos en el Ajuste de los Relés de

Distancia 378

10.5.1 Efecto del Arco 378

10.5.2 Efectos de Fuentes de Corriente Inter-

media 382

10.5.3 Efecto de Condensadores en Serie 384

10.5.4 Efecto de Líneas en Paralelo 386

10.6 Impedancia Vista por el Relé 388

10.7 Tendencias en el Ajuste de los Relés de

Distancia 390

10.7.1 Criterios Generales de Ajuste de los Re

lés de Distancia 390

10.7.2 Ajuste Tradicional 391

10.7.3 Método de Ajuste Utilizado por EPM 398

10.7.4 Método de Ajuste Utilizado por ISA 403

10.7.5 Alcance Máximo de la Zona 3 y de la Ca-

racterística de Oscilación de Potencia

respecto al Punto de Falla 406

10.7.6 Casos Especiales 408

10.8 Bloqueo y Disparo por Inestabilidad 409

CAPITULO 11 PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISION CON

RELES PILOTOS

11.1 Introducción 414

11.2 Relés Pilotos por Comparación de Co -

rrientes 415

11.2.1 Hilo Piloto 415

11.2.2 Comparación de Fases 417

11.2.3 Ondas Viajeras 420

11.3 Protección Piloto con Relés de Distan -

cia 422

11.3.1 Bajo Alcance Permisible con Transferen-

cia de Disparo 424

11.3.2 Aceleración por Portadora 424

11.3.3 Transferencia de Disparo Directa 427

11.3.4 Comparación Directa - Esquema de Bloqueo 427

11.3.5 Comparación Directa - Esquema de no Blo-

queo 430

11.3.6 Sobrealcance Permitido - Transferencia

Directa 432

11.3.7 Esquema Híbrido 432

11.3.8 Extensión de la Zona 1 434

CAPITULO 12 OTROS RELES Y SISTEMAS DE PROTECCION

12.1 Introducción 435

12.2 Protección de Respaldo Local 435

12.2.1 Duplicación de los Relés de Protección 437

12.2.2 Protección Local de Respaldo contra Fa -

]las del Interruptor 449

12.3 Recierre Automático 461

12.3.1 Tipos de Fallas 462

12.3.2 Desionización 463

12.3.3 Tiempo Muerto 464

12.3.4 Duración de la Falla 466

12.3.5 Bloqueo 466

12.3.6 Interruptores 466

12.3.7 Relés de Recierre 467

12.3.8 Dos Interruptores por Línea 470

12.4 Verificación de Sincronismo 471

CAPITULO 13 PROTECCION DE SISTEMAS INDUSTRIALES

13.1 Introducción 472

13.2 Dispositivos de Protección 473

13.2.1 Relés de Sobrecorriente 474

13.2.2 Relés Diferenciales 475

13.2.3 Otros Relés 480

13.2.4 Interruptores 480

13.2.5 Fusibles 484

13.3 Requerimientos de Protección 485

13.3.1 Transformadores 485

13.3.2 Alimentadores 487

13.3.3 Generadores 488

13.3.4 Motores 489

13.4 Coordinación 495

13.4.1 Relés 496

13.4.2 Interruptores de Baja Tensión 500

13.4.3 Fusibles 500

13.4.4 Coordinación entre Diferentes Dispositi

vos 504

13.5 Esquemas Típicos 504

APENDICE - NOMENCLATURA DE LOS RELES

NORMA ANSI C37.2 DE 1970 511

BIBLIOGRAFIA 517

CAPITULO 1

INTRODUCCION Y FILOSOFIA GENERAL

1.1 Introducción

Los relés son dispositivos analógicos compactos que son conectados a tra -

vés de los sistemas de potencia para detectar condiciones intolerables o no

deseadas dentro de un área asignada.

El objetivo de un sistema de protección consiste en reducir la influencia

de una falla en el sistema , hasta tal punto que no se produzcan daños rela

tivamente importantes en él ni tampoco ponga en peligro seres humanos o a-

nimales. Esto sólo se puede conseguir cubriendo de una manera ininterrum-

pida los sistemas de producción, transmisión y distribución de energía me-

diante unos esquemas de protección y relés que hayan sido diseñados con la

atención requerida . A continuación se discutirán las consideraciones bási

cas de dichos esquemas.

1.2 Función de los Relés de Protección

La función de los relés de protección es causar la pronta remoción del ser

vicio cuando algún elemento del sistema sufre una falla (cortocircuito) o

anomalía (mal funcionamiento) en forma tal que pueda causar daño o inter

ferencia en la operación efectiva del resto del sistema; las protecciones

trabajan en asocio con los interruptores los cuales desconectan el equipo

luego de la "orden" del relé, pa-a mitigar los efectos que puedan origi-

narse por las fallas. Una función secundaria de los relés de protección

2

es suministrar indicación de la localización y tipo de falla, de tal mane-

ra que la comparación con la observación humana y los registros de falla

constituyan un medio para el análisis de la efectividad de la prevención de

fallas y la mitigación de sus efectos.

Una falla es por lo general un cortocircuito e implica sobrecorrientes y/o

desbalance en la tensión . Mal funcionamiento o anomalfa es por lo general

una falla de tipo mecánico representada por vibraciones, sobretemperatura,

desgaste mecánico y fallas en los sistemas eléctricos o mecánicos secunda-

rios.

Las fallas son producidas por el rompimiento del aislamiento, el cual pue-

de ser : aire, materiales orgánicos ( mica , papel , algodón, aceite) y ma-

teriales no orgánicos (porcelana, SF6,resina epóxica). Generalmente el

aislamiento se rompe por envejecimiento , humedad, contaminación (indus

trial, marina, suciedad ), calentamiento , fuego y sobretensiones.

Otras fallas pueden ser ocasionadas por árboles , el viento, aves , y otros

animales.

En un sistema típico de potencia las fallas se distribuyen de la siguiente

forma:

Líneas de transmisión 33.e

Cables 9c'

3

Equipos de maniobra 10 01,

Equipos de generación 7%

Equipos de transformación 12%

Sistemas secundarios 29%

Cerca del ochenta y cinco por ciento (85%) de las fallas son monofásicas a

tierra, el cinco por ciento (5%) involucran más de una fase y el diez por

ciento ( 10%) son del tipo mecánico o anormales.

Los relés de protección son ayudados en su función por los interruptores

que son capaces de desconectar el elemento defectuoso, ya sea en condicio

nes normales o en cortocircuito, cuando el equipo de protección se los mar

da. Los interruptores están localizados de tal forma que cada equipo (ge

nerador, transformador , línea , etc.) pueda desconectarse por completo del

resto del sistema, o sea que los interruptores siempre se encuentran como

elemento separador entre dos (2) equipos. Los fusibles se utilizan como e

lementos de protección cuando los relés y los interruptores no son justifi

cables económicamente.

1.3 C lasificación de los Relés

Las siguientes clasificaciones y definiciones se basan en la Norma ANSI C

37.90 (IEEE 313).

1.3.1 Los relés se pueden dividir en cinco (5) categoriasfun

cionales, así:

4

1.3.1.1 Relés de Protección

Son los que detectan líneas y aparatos defectuosas o cualquier otra condi-

ción peligrosa o intolerable . Estos relés pueden iniciar o permitir aper-

tura de interruptores o simplemente dan una alarma.

1.3.1.2 Relé de Monitoreo

Son los que verifican las condiciones del sistema de potencia o del siste-

ma de protección . Esta categoría incluye entre otros:

Relés de verificación de sincronismo

Relés verificadores de secuencia de fases

Monitores de canales de comunicación y protección

Sistemas de alarmas e indicadores de estado del sistema

(mímicos).

1.3.1.3 Relés Programables

Son los que establecen o detectan secuencias eléctricas , como por ejemplo

los relés de recierre y sincronismo.

1.3.1.4 Relés Reguladores

Son los que se activan cuando un parámetro del sistema se desvía de lími-

tes predeterminados . Estos relés actúan a través de equipo s .:p'ecentaric

para restablecer el parámetro a los límites prescritos, como por ejemplo

5

relés reguladores detersión para cambiadores automáticos bajo carga de los

transformadores de potencia.

1.3.1.5 Relés Auxiliares

Son los que operan en respuesta a la apertura o cierre del circuito de ope

ración de los relés de protección para efectuar una función determinada.Es

tos incluyen temporizadores, contactores, relés de bloqueo, relés de dispa

ro, etc.

Además de las categorías funcionales antes descritas los relés se pueden

clasificar por su entrada, principio de operación y comportamiento.

1.3.2 Entrada o Cantidad Actuante

Corriente

Tensión

Potencia

Presión

Frecuencia

Temperatura

Flujo

- Vibración

- Velocidad

6

1.3.2.1 Principio de Operación

Estado sólido

Electromecánicos

Térmicos

1.3.2.2 Comportamiento o Desempeño

Distancia

Sobrecorriente

Sobrecorriente direccional

Tiempo inverso

Tiempo definido

_ Baja tensión o sobretersión

- Fase o tierra

- Alta o baja velocidad

- Comparación de fases

- Comparación direccional

fases segregadas

1.4 Determinación del Grado de Protección Requerida

Ya que simplemente no es factible diseñar un sistema de protección capaz

de atender cualquier problema potencial, se impone la necesidad de hacer

7

compromisos . En general , sólo aquellos problemas que, de acuerdo con exoe

riencias pasadas, pueden ocurrir más frecuentemente , reciben una mayor aten

ción. Naturalmente , esto hace que la protección tenga algo de arte. Dife

rentes ingenieros de protección y compañías productoras, diseñan sistemas

significativamente diferentes de protección para el mismo equipo o compo-

nente del sistema.

Como resultado es muy poca la normalización que existe en los relés de pro

tección. No solamente puede variar el sistema de protección , sino también

el alcance de la zona que cubre dicha protección. Disponer de demasiada

protección es casi tan malo como contar con poca protección.

Cada instalación eléctrica en servicio puede estar expuesta a defectos e-

léctricos . Se trata en la mayoría de los casos de cortocircuitos, pe-

ro también de defectos a tierra, de sobretensiones , de sobrecargas , etc.Es

tos defectos pueden poder en peligro parte de la instalación o reducir con

siderablemente su duración de vida . Un conocimiento exacto de estos ries-

gos es la condición previa para la concepción de un dispositivo de protec-

ción económicamente rentable y técnicamente óptimo.

En la actualidad, las estadísticas facilitan el cálculo de la probabilidad

de las fallas para cada parte de una instalación eléctrica ; por ejemplo,

para redes a 220 kY, se calcula que el número de fallas varía entre 0,2 y

1 salidas - año por cada 100 km de línea. El cálculo del cortocircuito su

ministra la potencia dei defecto.

ó

Conociendo las estadísticas de los daños en los años precedentes , es pos¡

ble obtener las indisponibilidades por unidad de tiempo ( año) las cuales

permiten discriminar:

Material defectuoso

Gastos de reparación (trabajo)

- Pérdida de energía

Peligro para hombres y animales

Estos valores permiten cifrar el riesgo en unidades monetarias.

En el cálculo del precio de un dispositivo de protección, no sólo hay que

tener en cuenta el precio de compra del propio relé, sino también de todos

los aparatos asociados al mismo ( transformadores de corriente , baterías,

etc.) proporcionalmente a su distribución en la protección considerada, y

los gastos de explotación ( mantenimiento , controles periódicos y disparos

intempestivos eventuales provocados por la protección y que dan lugar a u-

na falta de energía).

Si se compara ahora el valor total del riesgo para una instalación con la

prima (costo total del dispositivo de protección ), a; que ex aminar de

cerca el factor duración de la falla, es decir, el tiempo de disparo de la

protección . E s muy posible ^ue un_- pr otección rás costos?. ce ro co n

un tiempo d_a disparo más corto, reduzca el riesgo en forma tal, que resul-

9

te finalmente la solución más económica.

1.5 Determinación del Tiempo Requerido para Eliminar una Fa

11a

Cuando se lleva a cabo el cálculo descrito en la anterior sección, resulta

obvio, con base en las estadísticas reunidas en los últimos treinta (30) a

ños, que la extensión de la destrucción causada por fallas eliminadas en

un tiempo inferior a cien (100) ms es considerablemente inferior a la causa

da por fallas eliminadas en más de cien (100) ms.

Innumerables análisis de fallas han confirmado esta relación y como conse-

cuencia de ello se han diseñado unos esquemas de protección mede rnos que

tienden a obtener tiempos de eliminación de fallas de ochenta (80) a cien-

to veinte (120)ms, es decir, que para el funcionamiento del relé se dispo-

ne de diez (10) a cuarenta (40)ms, según sea el tipo de interruptor utili-

zado.

Generalmente en Norteamérica y también en otros países -especialmente cuan

do se trata de instalaciones importantes - se especifica también el tiempo

para la protección local de reserva . Estos son entonces los valores para

determinar cuánta protección se requiere . En la mayoría de los cases e les

mostrarán que , a largo plazo , el ahorro en la protección consti tuye la

solución menos económica.

1.6 Técnicas de los Relés de Protección

Los relés de protección se realizan hoy, o con la ayuda de sistemas mecáni

cos (relés Ferraris, de cuadro móvil, de hierro móvil) o bien con sis:e-

mas de medida estáticos.

Las características de los relés estáticos (poco consumo, rapidez, conce;

ción compacta, posibilidad de realizar cómodamente unas características de

medida especiales) se aprecian especialmente en las grandes instalaciones

de protección o cuando la realización de un conjunto de relés resulta nece

saria. El sistema de construcción en elementos normalizados asegura una

gran flexibilidad de empleo y garantiza una seguridad y una cor,fiabiliHad

al menos equivalente a la de los relés electromecánicos . Pueden disponer-

se con entradas separadas galvánicamente unas de otras y transformadores de

entrada provistos con blindaje entre sus arrollamientos primario y secunda

rio para que los cables de alimentación no necesiten ser blindados; las sa

lidas están provistas con relés mecánicos, lo que permite efectuar conexio

nes con los circuitos de mando y señalización sin ningún problema.

Por lo tanto se consideran los relés de estado sólido, al menos para las

protecciones principales , como los más adecuados para utilizarse en insta-

lación de alta tensión, técnica que es predominante hoy en todo el mundo.

Además, los relés electromecánicos están ya fuera de la linea normal de

producción de algunos fabricantes . Para las instalaciones de media y baja

tensión todavía se utilizan relés electromecánicos por su reconocida con-

fiabilidad y por la simplicidad en su principio de operación; esto es par-

1'

ticularmente cierto en el caso de los relés de sobrecorriente de tiempo

inverso.

1.7 Representación del Sistema de Potencia

Cuando se pretenden realizar estudios sobre el sistema ce proteccióc es

normal representar dicho sistema mediante los llamados diagramas unifila

res, los cuales se conforman mediante símbolos y convenciones establecidos

de acuerdo con el tipo de normas que se empleen para su construcción (ANSI

de Norteamérica o IEC de Francia, principalmente).

En dichos diagramas unifilares se presenta la disposición y ubicación de

los componentes principales del sistema o parte de él (centrales de gene-

ración, subestaciones, transformadores, líneas, barrajes y líneas de trans

misión).

Desarrollando un poco más una porción específica del sistema, se presenta

una información más completa referente a los equipos que conforman dicha

porción del sistema presentando en el diagrama las características princi-

pales de los equipos de control , protección y medida de acuerdo a la deno-

minación por números establecida en la norma ANSI C37.2, de acuerdo con la

función que desempeñen , denominación que es utilizada también en los dia-

gramas de principio, libros de instrucción y especificaciones. En el Ane-

xo No. 1 se presenta dicho sistema de nomenclatura.

Las `figuras No.!-1 y No.1-2 presentan dos (2) e snplos cel diagrana unir

17

lar de un sistema de potencia y el diagrama unifilar desarrollado para una

subestación.

34,5 kv

1 3 ,2 IV

FIGURA No. 1-1 DIAGRAMA UNIFILAR GENERALA LA SuBES-ACION SAN CARLOS

IES E4 L239 - 0 ',5 10,115 KV

1Z A

t ?f ^^eerenrteaón .'r-^87 ^.

í iti ^? i

A

IZOO-5A.

-e9 e9

79 2 52

89 89\

89 B9 89^ ) 89

Í

1

FIGURA No. 1-2 DIAGRAMA UNIFILAR DESARROLLADO

1.3 Principio F urI a-ent al de Utilización de los R e", -Es :: e

Protección

Considerares sólo por el momento los relés de protección contra ccrtocir-

cuitos. Hay dos (2 ) grupos de dichos equipos que son la protección privo=

pal y la protección de respaldo.

1.8.1 Protección Principal

La filosofía general de la aplicación de los relés de protección consiste

en dividir el sistema de potencia en zonas de protección que n;:eder. ser

protegidas adecuadamente con la mínima cantidad de desconexión en el mis-

mo. El sistema de potencia se puede dividir en las siguientes zonas:

Generadores

Motores

- Transformadores

Barrajes

Líneas de transmisión

La Figura No.1-3 ilustra una porción de un sistema con las zonas de pro-

tección demarcadas. Los relés principales son los encargados de proteger

dichas zonas dando la orden, cuando ocurre una falla en el elemento corres

pondiente, a los interruptores que son los elementos separadores de la zo-

na. 0 sea ^--ue cuando ocurre una c=alla dentro de ura zona sus relés ")m'-

1`.

cipales deben disparar todos los interruptores de la zona, y sólo esos ^n-

terruptores.

MOTORES

FIGURA No. 1-3 ZONAS DE PROTECCION

Colocar interruptores separando los diferentes elementos del sistema o las

zonas de protección permite sólo desconectar el ele-,ente defectuoso. A ve

ces puede omitirse un interruptor entre los elementos adyacentes , en cuyo

caso ambos elementos deben desconectarse si hay una falla en cualquiera de

los dos.

De la figura se puede observar que alrededor de los interruptores se crea

una zona de traslapo o superposición tal que al ocurrir una falla en és-.a,

se dispararán más interruptores que el mínimo necesario para descenecar

J

el elemento defectuoso. Pero si no hubiera suoer:osic ión,una fall a er. --. a

región entre zonas no estaría situada en nir..iuna de las caos (2) z,-as

y por lo tanto no se dispararían los interruptores . La superposición es el

menor de los dos (2 ) males . La extensión física de la superposición o

traslapo es pequeña relativamente , y la probabilidad de falla en dicha re-

gión es baja.

El alcance y demarcación de las zonas es determinada por los transformado-

res dP instrumentación que son los dispositivos que reproducen las seña-

les (tensión y corriente) del sistema de potencia para alimentar los re-

lés de protección con los niveles adecuados. La zona de traslapo se legra

entonces instalando transformadores de instrumentación a ambos lados del

interruptor tal cono se ilustra en la Figura No. 1-4 a.

rc pert :o zona B

ZONA A

T.C. pcra 'o =no

LONA A

TC. Para 'IQ .'cno A

ZONA B

ZONA B

TC. Paro lo e-e. T r a-s'ormoaores ae corri e n t ea un lodo

de i nterruptor

FI GURA No. 1-4 LOCALIZACION DE TRANSFOR:'.AOORES DE CORRIENTE

o. Trdnstormddores de corriente en

omoos lados del interruptor

lc

Esto as factible y económico en sistemas de basa tensión e cuando se u-

tilizan interruptores de tar,cue muerto. En siste r:as de alta tensión y con

interruptores de tanque vivo, por razones económicas sólo se instala un so

lo transformador de instru - entación tal como se ilustra en la Figura

No. 1-4b; en este caso , al nc existir el trasla:C , se tiene una zon .. "roer

ta" para la protección no produciéndose el disparo de todos los interru:-

tores necesarios para aislar la falla. Fallas en esta zona "muerta" de

la protección se pueden detectar con relés de respaldo local contra las

fallas del interruptor que serán descritas en capitulo posterior.

1.8.2 Protección de Respaldo

La interrupción selectiva de una falla en un sistema eléctrico origina la

actuación de la siguiente cadena de aparatos:

Equipos para medida de la magnitud (transformadores de

corriente, transformadores de potencial con sus líneas secundarias y fusi-

bles).

Elementos que establecen los valores reducidos (relés,

dispositivos de disparo, etc.).

Equipo de interrupción (interruptores incluyendo su me

canismo de control, etc.).

Los aux'',iares correspondientes (batería, transmisión

de infcr-ación y mando a a '.= a frecuencia , compresores de aire , etc.).

1

Si uno de los elementos de la cadena falla, el sistema de protección no

trabaja y la falla continúa hasta presentarse la destrucción de la -,arte a

fectada. Como el daño, y además el tiempo y los gastos involucrados en la

reparación, dependen esenc'alment del tiempo de duración del cortocircui-

to, es esencial que los relés y los interruptores sean de acción rápida.

demás de este sistema de protección, los requerimientos modernos demandan

la supervisión de la cadena de elementos del sistema de protección. Esto

es especialmente cierto para grandes concentraciones de potencia y altas

tensiones de transmisión. La instalación debe permanecer protegida aún si

hay falla simultánea en ella y en la cadena de protección. Todo el equipo

que forma parte de este sistema de protección adicional recibe el nombre

de protección de respaldo.

El diseño se basa usualmente en la falla de un elemento de la cadena; la

falla simultánea de dos ( 2; elementos de la cadena, a menos que se deba a

la misma causa, se considera altamente improbable y solamente se tiene en

cuenta en instalaciones extremadamente importantes . El costo de la protec

ción de respaldo puede justificarse tomando en cuenta la probabilidad de

falla de cada elemento de la cadena , la importanc '.: del sistema eláct:rico

que se desea proteger , la probabilidad de ocurrencia de la falla y el cos-

to de la salida del sistema.

La protección de respaldo se emplea solamente para la p re tección contra

cortocircuitos (tipo pre_cminante de falla en un sistema de potencia;.

La experiencia ha demostrado que la protección de respaldo que no sea con-

tra cortocircuito no es económicamente justificable. Existen dos (2, for-

mas básicas de protección de respaldo:

Respaldo remoto

Sistema de protección duplicado - respaldo loca'

Como un complemento se utiliza la supervisión del equipo existente.

1.8.2.1 Respaldo Remoto

Es deseable que la protección de respaldo esté dispuesta de tal forra que

cualquier evento que pueda originar la falla de la protección princi;:al no

origine la falla de la protección de respaldo en una estación difererte,de

aquí el nombre de protección de respaldo remota.

En este sistema la falla se mide en varios puntos de la red a través de la

trayectoria del cortocircuito. Los tiempos de disparo se gradúan ce tal

forma que se realiza una desconexión selectiva y rápida si todo el eq uipo

de protección funciona correctamente, pero si algún elemento de la cadena

falla se aisla la falla por medio de los interruptores remotos, des pAs de]

retardo de tiempo de la estación siguiente. Esto se logra en una f:rna na

tural ya sea por la característica de los relés de sobrecorriente de tiem-

po inverso o por la segunda y tercera zonas de protección de los relés de

distancia.

Para un mejor entendimiento de la operación de los relés de respalde re-c-

to se presenta la Figura No. 1-5.

:s

c o

A 8

1 1 2 3 1 4 1 5

E

to

11

Falto en 1 y no opera C9- 4------- Operan C8-2 y C9-5

Fano en 1 y no opero Ca- 5-- -----Operan C8-4, CE-8 y C8-9

Folio en 2 y no opero CE- 7--------Operan CB• 5, CB-6 yC8-9

Folio en 3ynoopera C8-6-------Operan CB-41 C8-7yCB-9

CE Interruptor

b. Ejemplo

FIGURA No . 1-5 PROTECCION DE RESPALDO REMOTO

La protección de respaldo para la línea EF está normalmente dispuesta pa

ra disparar los interruptores A, B, 1 y J. Si el interruptor E falla al

disparar, por una falla en la Sección EF, se dispararían los interruptores

A y B (no los interruptores C y D ya que están localizados en la misma es-

tación de E). Si ocurre una falla en la estación K, los relés de respaldo

en este.caso serían A, B y F. Los relés de respaldo para la línea BD se -

rían A y F.

Es evidente que cuando funciona la protección de respaldo, se desconecta u

o. protección de respaldo

na parte mayor del sistera que cuando funciona correctamente la protección

primaria . La protección de respaldo debe funcionar con suficiente retardo

de tiempo cono para que le dé a la protección primaria tiempo suficiente

para funcionar si es capaz de hacerlo. En otras palabras, cuando ocurre

na falla, ambas protecciones ( principal y de respaldo ) inician np ;. al ,e

te su funcionamiento , pero se espera que la protección principal dispare

los interruptores necesarios para retirar el elemento descompuesto del sis

tema, y la protección de respaldo responderá sin haber terido ' .er.pc de

complementar su función.

Los relés de respaldo normalmente son o hacen parte de la protección prin-

cipal de las estaciones remotas.

1.8.2.2 Principio de Protección Duplicada

Consiste en la duplicación de

protección, y cada uno de los

la misma velocidad , es decir,

los componentes que se han de

dad de falla de ellos y la im

de proteger.

elementos más importantes de la cadena de

ramales se dispone normalmente para operar a

tan rápido como sea posible . La selección de

duplicar debe tener en cuenta la prc_abili -

)ortancia del sistem a eléctrico que se trata

La duplicación de los relés puede realizarse utilizando el mismo crincipic

de medida (por ejemplo, dos relés de distancia) o diferente principio de

medida (pnr ejemplo, protección principal d_ distar.cia - ^ro`e_ciór. de

respaldo con relés de scdrecorriente; para duplicación de :rotecc'ó n de fa

2i

lla a tierra, protección principal de distancia para todo tino ^: fal.a-

protección de distancia de respaldo con características de reactancia). Se

disponen entonces los transformadores de corriente con dos (2) núcleos, ca

da uno de los cuales alimenta un grupo de relés, y los interruptores se e-

quipan con dos (2 ) bobinas de disparo cada una de ellas operara ?cr u-.

equipo de relés ; dependiendo de la importancia de la instalación puede du-

plicarse la batería. Igualmente los transformadores de potencial se dispo

nen con dos ( 2) devanados , cada uno de los cuales alirienta una cadena

de protección.

Al contrario del principio de tiempos escalonados, este tipo de protección

de respaldo está todo incluido en el mismo lugar de la instalación.

El interruptor es el elemento de la cadena de sistema de protección que

por su elevado costo no se duplica, por lo tanto se debe prever un relé

que proteja las subestaciones contra fallas de los interruptores o dejar

que actúe la protección de respaldo remoto.

1.8.2.3 Principio de Supervisión

Consiste en la supervisión continua de la cadena de elementos de protec -

ción con el fin de evitar disparos indeseados del sistema de protección.A

parte de los chequeos operacionales de los relés con sus circuitos de dis-

paro e interruptores , en la mayoría de los casos se supervisa la tensión

de .a baterfa y en o--os el circuito de disparo de los interrupt ores se e-

euipa con dispositivos para su supervisión.

712

1.9 Principales Exigencias Impuestas a 10s Dispcsitivos de

Protección

1.9.1 Selectividad

El relé de protección sólo debe aislar la parte de la instalación alcanza-

da por el defecto y evitar el corte superfluo de cualquier otro elemento.

1.9.2 Seguridad

El relé nunca debe disparar en ausencia de defecto en el elemento protegi-

do

1.9.3 Confiabilidad

Con ocasión de un defecto el relé siempre debe disparar dentro de los tiem-

pos de disparo garantizados. La confiabilidad del disparo es extremadamen

te importante cuando los relés de respaldo no dan disparo selectivo.

1.9.4 Sensibilidad

Se refiere al mínimo valor de entrada para el cual el relé ya funciona co-

rrectamente (por ejemplo , cortocircuito tri csico muy próximo a los trans

formadores de tensión que alimentan la protección , requiere una sensibili-

dad elevada).

1.9.5 Velocidad

El disparo deberá ser efectuado en un tiempo mínimo para evitar :r emes

de estabilidad.

i)

1.10 ¿Cóqo Funcionan los Relés de Protección?

Hasta ahora se han tratado los relés en una forma muy impersonal, dicien-

do qué hacen , sin tor..ar en cuenta cómo lo hacen. Esto se expondrá a tra-

vés de los diferentes capítulos de este libro ; pero se puede adelantar, en

una forma muy general , la siguiente explicación.

íodbs los relés utilizados para protección de cortocircuitos y el•.unas a

nomalias funcionan en virtud de la corriente y/o tensión proporcionada a e

líos por los transformadores de instrumentación ( tensión y corriente) co

nectados en diferentes combinaciones al elemento del sistema que va a prote

gerse . Por cambios individuales o relativos en estas dos (2 ) ragnitudes

las fallas señalan su presencia , tipo y localización a los relés de protec

ción. Para cada tipo de localización de falla se presentan diferencias en

estas magnitudes, así como varios tipos de equipos de protección disponi-

bles, cada uno de los cuales está diseñado para reconocer ua cif erercia

particular y funcionamiento en respuesta a ésta.

Cuando ocurren fallas y algunas anomalías, estas magnitudes pueden variar

en una o más de las siguientes formas:

Magnitud

Frecuencia

Angulo de fase

.ración

2 4

Razón de cambio

Dirección

Arr„ónicas o forma de onda

La figura No.'-6 ilustra la forma general de conexión de los relés de pro-

tección BARRAJE0A

1

a8

Dc

le

tero

FIGURA No. 1-6 CONEXION GENERAL DE LOS RELES DE PROTECCION