Relé de protección

En ingeniería eléctrica , un relé de protección es un dispositivo de relé diseñado para disparar un interruptor automático cuando se detecta una falla . ^{[ 1 ]}^{: 4} Los primeros relés de protección eran dispositivos electromagnéticos, que se basaban en bobinas que operaban sobre partes móviles para proporcionar detección de condiciones de operación anormales tales como sobrecorriente, sobretensión , flujo de potencia inverso , sobrefrecuencia y subfrecuencia. ^{[ 2 ]}

Los relés de protección digital de estado sólido basados en microprocesadores ahora emulan los dispositivos originales, además de proporcionar tipos de protección y supervisión impracticables con relés electromecánicos. Los relés electromecánicos solo proporcionan una indicación rudimentaria de la ubicación y el origen de una falla. ^{[ 3 ]} En muchos casos, un solo relé de microprocesador proporciona funciones que requerirían dos o más dispositivos electromecánicos. Al combinar varias funciones en una sola carcasa, los relés numéricos también ahorran costos de capital y de mantenimiento en comparación con los relés electromecánicos. ^{[ 4 ]} Sin embargo, debido a su muy larga vida útil, decenas de miles de estos "centinelas silenciosos" ^{[ 5 ]} todavía protegen líneas de transmisión y aparatos eléctricos en todo el mundo. Las líneas de transmisión y los generadores importantes tienen cubículos dedicados a la protección, con muchos dispositivos electromecánicos individuales, o uno o dos relés de microprocesador.

La teoría y la aplicación de estos dispositivos de protección constituyen una parte importante de la formación de un ingeniero eléctrico especializado en protección de sistemas eléctricos . La necesidad de actuar con rapidez para proteger circuitos y equipos a menudo exige que los relés de protección respondan y disparen un interruptor en cuestión de milésimas de segundo. En algunos casos, estos tiempos de desconexión están estipulados en la legislación o en las normas operativas. ^{[ 6 ]} Se utiliza un programa de mantenimiento o pruebas para determinar el rendimiento y la disponibilidad de los sistemas de protección. ^{[ 7 ]}

En función de la aplicación final y la legislación aplicable, diversas normas como ANSI C37.90, IEC255-4, IEC60255-3 e IAC rigen el tiempo de respuesta del relé ante las condiciones de falla que puedan producirse. ^{[ 8 ]}

Principios de funcionamiento

Los relés de protección electromecánicos funcionan mediante atracción magnética o inducción magnética . ^{[ 9 ]}^{: 14} A diferencia de los relés electromecánicos de conmutación con umbrales de tensión y tiempos de operación fijos y generalmente mal definidos, los relés de protección tienen características de operación de tiempo y corriente (u otro parámetro de operación) bien establecidas, seleccionables y ajustables. Los relés de protección pueden usar conjuntos de discos de inducción , imanes de polo sombreado, ^{[ 9 ]}^{: 25} bobinas de operación y restricción, operadores de tipo solenoide, contactos de relé telefónico y redes de desplazamiento de fase.

Los relés de protección también se pueden clasificar según el tipo de medición que realizan. ^{[ 10 ]}^{: 92} Un relé de protección puede responder a la magnitud de una cantidad como voltaje o corriente. Los relés de inducción pueden responder al producto de dos cantidades en dos bobinas de campo, que podrían representar, por ejemplo, la potencia en un circuito.

"No es práctico fabricar un relé que desarrolle un par igual al cociente de dos magnitudes de corriente alterna. Sin embargo, esto no es importante; la única condición significativa para un relé es su ajuste, y este puede ajustarse para que corresponda a una relación independientemente de los valores de los componentes en un amplio rango." ^{[ 10 ]}^{: 92}

Se pueden utilizar varias bobinas de operación para proporcionar "polarización" al relé, lo que permite controlar la sensibilidad de respuesta de un circuito mediante otro. En el relé se pueden generar diversas combinaciones de "par de accionamiento" y "par de retención".

Mediante el uso de un imán permanente en el circuito magnético , se puede lograr que un relé responda de manera diferente a la corriente en una dirección que en otra. Estos relés polarizados se utilizan en circuitos de corriente continua para detectar, por ejemplo, la corriente inversa en un generador. Estos relés pueden ser biestables, manteniendo un contacto cerrado en ausencia de corriente en la bobina y requiriendo corriente inversa para restablecerse. Para circuitos de corriente alterna, el principio se amplía con un devanado polarizador conectado a una fuente de tensión de referencia.

Los contactos ligeros permiten crear relés sensibles que funcionan con rapidez, pero los contactos pequeños no pueden soportar ni interrumpir corrientes elevadas. A menudo, el relé de medición activa relés de armadura auxiliares de tipo telefónico.

En una instalación grande de relés electromecánicos, sería difícil determinar qué dispositivo originó la señal que activó el circuito. Esta información es útil para que el personal operativo determine la causa probable de la falla y evite que se repita. Los relés pueden estar equipados con una unidad de "objetivo" o "bandera", que se libera cuando el relé se activa, para mostrar una señal de color distintiva cuando el relé se ha disparado. ^{[ 11 ]}

Tipos según su construcción

Electromecánico

Los relés electromecánicos se pueden clasificar en varios tipos diferentes, como se indica a continuación:

Los relés de tipo "armadura" tienen una palanca pivotante sostenida por una bisagra ^{[ 12 ]} o un pivote de filo de cuchilla, que lleva un contacto móvil. Estos relés pueden funcionar con corriente alterna o continua, pero para corriente alterna, se utiliza una bobina de sombreado en el polo ^{[ 9 ]}^{: 14} para mantener la fuerza de contacto durante todo el ciclo de corriente alterna. Debido a que el espacio de aire entre la bobina fija y la armadura móvil se reduce considerablemente cuando el relé se ha activado, la corriente necesaria para mantener el relé cerrado es mucho menor que la corriente necesaria para activarlo inicialmente. La "relación de retorno" ^{[ 13 ]} o "diferencial" es la medida de cuánto debe reducirse la corriente para restablecer el relé.

Una variante del principio de atracción se aplica en los actuadores de émbolo o solenoides. Un relé de láminas es otro ejemplo de este principio.

Los medidores de bobina móvil utilizan una espira de alambre en un imán fijo, similar a un galvanómetro pero con una palanca de contacto en lugar de una aguja. Estos pueden fabricarse con una sensibilidad muy alta. Otro tipo de bobina móvil suspende la bobina de dos ligamentos conductores, lo que permite un recorrido muy amplio de la misma.

Relé de sobrecorriente de disco de inducción

Los medidores de disco de inducción funcionan induciendo corrientes en un disco que puede girar libremente; el movimiento giratorio del disco acciona un contacto. Los relés de inducción requieren corriente alterna; si se utilizan dos o más bobinas, deben estar a la misma frecuencia, de lo contrario no se produce ninguna fuerza de accionamiento neta. ^{[ 11 ]} Estos relés electromagnéticos utilizan el principio de inducción descubierto por Galileo Ferraris a finales del siglo XIX. El sistema magnético en los relés de sobrecorriente de disco de inducción está diseñado para detectar sobrecorrientes en un sistema de potencia y operar con un retardo de tiempo predeterminado cuando se han alcanzado ciertos límites de sobrecorriente. Para operar, el sistema magnético en los relés produce un par que actúa sobre un disco metálico para hacer contacto, según la siguiente ecuación básica de corriente/par: ^{[ 14 ]}

$T\propto \phi _{s}\times \phi _{u}\sin \alpha$

Dónde $\phi _{u}$ y $\phi _{s}$ son los dos flujos y $\alpha$ es el ángulo de fase entre los flujos

De la ecuación anterior se pueden extraer las siguientes conclusiones importantes. ^{[ 15 ]}

Para la producción de par motor se necesitan dos flujos alternos con un desfase.
El par máximo se produce cuando los dos flujos alternos están separados por 90 grados.
El par resultante es constante y no depende del tiempo.

El devanado primario del relé se alimenta desde el transformador de corriente del sistema de potencia a través de un puente de enchufe, ^{[ 16 ]} que se denomina multiplicador de ajuste de enchufe (psm). Generalmente, siete tomas o bandas de operación igualmente espaciadas determinan la sensibilidad del relé. El devanado primario se encuentra en el electroimán superior. El devanado secundario tiene conexiones en el electroimán superior que se energizan desde el devanado primario y se conectan al electroimán inferior. Una vez energizados, los electroimanes superior e inferior producen corrientes parásitas que se inducen en el disco metálico y fluyen a través de las trayectorias de flujo. Esta relación entre las corrientes parásitas y los flujos crea un par proporcional a la corriente de entrada del devanado primario, debido a que las dos trayectorias de flujo están desfasadas 90°.

En caso de sobrecorriente, se alcanza un valor que supera la presión del resorte de control sobre el husillo y el imán de frenado, lo que provoca que el disco metálico gire hacia el contacto fijo. Este movimiento inicial del disco se ve limitado a un valor crítico de corriente positivo por unas pequeñas ranuras que suelen estar talladas en el lateral del disco. El tiempo necesario para que se produzcan los contactos no solo depende de la corriente, sino también de la posición del tope del husillo, conocida como multiplicador de tiempo (tm). El multiplicador de tiempo se divide en 10 intervalos lineales del tiempo total de rotación.

Si el relé está limpio, el disco metálico y el husillo con su contacto alcanzarán el contacto fijo, enviando así una señal para desconectar y aislar el circuito, dentro de las especificaciones de tiempo y corriente para las que fue diseñado. La corriente de desconexión del relé es mucho menor que su valor de funcionamiento, y una vez alcanzado, el relé se restablecerá en sentido inverso por la presión del resorte de control, regulado por el imán de frenado.

Estático

La aplicación de amplificadores electrónicos a relés de protección se describió ya en 1928, utilizando amplificadores de tubo de vacío , y continuó hasta 1956. ^{[ 17 ]} Se estudiaron dispositivos que utilizaban tubos electrónicos, pero nunca se aplicaron como productos comerciales debido a las limitaciones de los amplificadores de tubo de vacío. Se requiere una corriente de espera relativamente alta para mantener la temperatura del filamento del tubo; se requieren voltajes altos e inconvenientes para los circuitos, y los amplificadores de tubo de vacío presentaban dificultades con el funcionamiento incorrecto debido a interferencias de ruido.

Los relés estáticos tienen pocas o ninguna parte móvil y se volvieron prácticos con la introducción del transistor . Los elementos de medición de los relés estáticos se han construido con éxito y económicamente a partir de diodos , diodos Zener , diodos de avalancha , transistores unijuntura , transistores bipolares pnp y npn , transistores de efecto de campo o sus combinaciones. ^{[ 18 ]}^{: 6} Los relés estáticos ofrecen la ventaja de una mayor sensibilidad que los relés puramente electromecánicos, porque la energía para operar los contactos de salida se deriva de una fuente de alimentación separada, no de los circuitos de señal. Los relés estáticos eliminaron o redujeron el rebote de los contactos y podrían proporcionar un funcionamiento rápido, una larga vida útil y un bajo mantenimiento. ^{[ 19 ]}

Digital

Los relés de protección digital estaban en sus inicios a finales de la década de 1960. ^{[ 20 ]}^{[ 21 ]} Un sistema de protección digital experimental fue probado en el laboratorio y en el campo a principios de la década de 1970. ^{[ 22 ]}^{[ 23 ]} A diferencia de los relés mencionados anteriormente, los relés de protección digital tienen dos partes principales: hardware y software ^{[ 24 ]}^{: 5} . El primer relé de protección digital disponible comercialmente en el mundo fue presentado a la industria eléctrica en 1984 por Schweitzer Engineering Laboratories (SEL) con sede en Pullman, Washington. ^{[ 3 ]} A pesar de los desarrollos de algoritmos complejos para implementar funciones de protección, los relés basados en microprocesadores comercializados en la década de 1980 no los incorporaron. ^{[ 25 ]} Un relé de protección digital basado en microprocesador puede reemplazar las funciones de muchos instrumentos electromecánicos discretos. Estos relés convierten voltaje y corrientes a formato digital y procesan las mediciones resultantes utilizando un microprocesador. El relé digital puede emular las funciones de muchos relés electromecánicos discretos en un solo dispositivo, ^{[ 26 ]} simplificando el diseño y el mantenimiento de la protección. Cada relé digital puede ejecutar rutinas de autodiagnóstico para confirmar su disponibilidad y activar una alarma si se detecta una falla. Los relés digitales también pueden proporcionar funciones como interfaz de comunicaciones ( SCADA ), monitoreo de entradas de contacto, medición, análisis de forma de onda y otras características útiles. Los relés digitales pueden, por ejemplo, almacenar múltiples conjuntos de parámetros de protección, ^{[ 27 ]} lo que permite cambiar el comportamiento del relé durante el mantenimiento del equipo conectado. Los relés digitales también pueden proporcionar estrategias de protección imposibles de implementar con relés electromecánicos. Esto es particularmente cierto en circuitos de alta tensión o multiterminales de larga distancia o en líneas que son compensadas en serie o en paralelo ^{[ 24 ]}^{: 3} También ofrecen ventajas en el autodiagnóstico y la comunicación con sistemas de control de supervisión.

Numérico

La distinción entre relés de protección digitales y numéricos radica en detalles técnicos sutiles y rara vez se encuentra en áreas distintas a la protección ^{[ 28 ]}^{: Cap. 7, págs} . 102. Los relés numéricos son producto de los avances tecnológicos de los relés digitales. Generalmente, existen varios tipos diferentes de relés de protección numéricos. Sin embargo, cada tipo comparte una arquitectura similar, lo que permite a los diseñadores construir una solución de sistema completa basada en un número relativamente pequeño de componentes flexibles. ^{[ 8 ]} Utilizan procesadores de alta velocidad que ejecutan algoritmos apropiados ^{[ 18 ]}^{: 51.}^{[ 29 ]}^{[ 30 ]} La mayoría de los relés numéricos también son multifuncionales ^{[ 31 ]} y tienen múltiples grupos de configuración, cada uno a menudo con decenas o cientos de configuraciones . ^{[ 32 ]}

Relés por funciones

Las distintas funciones de protección disponibles en un relé determinado se indican mediante números de dispositivo ANSI estándar . Por ejemplo, un relé que incluya la función 51 sería un relé de protección contra sobrecorriente temporizado.

relé de sobrecorriente

Un relé de sobrecorriente es un tipo de relé de protección que se activa cuando la corriente de carga supera un valor de activación. Existen dos tipos: relé de sobrecorriente instantánea (IOC) y relé de sobrecorriente de tiempo definido (DTOC).

El número de dispositivo ANSI es 50 para un relé IOC o un relé DTOC. En una aplicación típica, el relé de sobrecorriente se conecta a un transformador de corriente y se calibra para operar a un nivel de corriente específico o superior. Cuando el relé se activa, uno o más contactos se energizan para disparar un interruptor automático. El relé DTOC se ha utilizado ampliamente en el Reino Unido, pero su problema inherente de operar más lentamente para fallas cercanas a la fuente llevó al desarrollo del relé IDMT. ^{[ 1 ]}^{: pp 30-31}

Un relé de sobrecorriente de tiempo definido (DTOC) es un relé que se activa después de un período de tiempo determinado una vez que la corriente supera el valor de activación. Por lo tanto, este relé tiene un rango de ajuste de corriente y un rango de ajuste de tiempo.

Un relé de sobrecorriente instantáneo es un relé de sobrecorriente que no tiene retardo de tiempo intencional para su funcionamiento. Los contactos del relé se cierran instantáneamente cuando la corriente en su interior supera el valor de funcionamiento. El intervalo de tiempo entre el valor de activación instantánea y el cierre de los contactos del relé es muy corto. Tiene un tiempo de funcionamiento reducido y comienza a funcionar instantáneamente cuando el valor de la corriente es mayor que el valor de ajuste del relé. Este relé funciona únicamente cuando la impedancia entre la fuente y el relé es menor que la especificada en la sección ^{[ 33 ] .}

Un relé de sobrecorriente de tiempo inverso (ITOC) es un relé de sobrecorriente que opera únicamente cuando la magnitud de su corriente de operación es inversamente proporcional a la magnitud de las cantidades energizadas. El tiempo de operación del relé disminuye con el aumento de la corriente. El funcionamiento del relé depende de la magnitud de la corriente. ^{[ 33 ]}

Un relé de tiempo mínimo definido inverso (IDMT) es un relé de protección desarrollado para superar las deficiencias de los relés de sobrecorriente de tiempo definido (DTOC). ^{[ 1 ]}^{: pp 30-31}^{[ 34 ]}^{: 134}

Si la impedancia de la fuente permanece constante y la corriente de falla cambia apreciablemente a medida que nos alejamos del relé, entonces es ventajoso utilizar la protección contra sobrecorriente IDMT ^{[ 35 ]}^{: 11} para lograr una protección de alta velocidad en una gran sección del circuito protegido. ^{[ 28 ]}^{: 127} Sin embargo, si la impedancia de la fuente es significativamente mayor que la impedancia del alimentador, entonces no se puede aprovechar la característica del relé IDMT y se puede utilizar DTOC. ^{[ 36 ]}^{: 42} En segundo lugar, si la impedancia de la fuente varía y se debilita con una menor generación durante cargas ligeras, entonces esto conduce a un tiempo de despeje más lento, lo que anula el propósito del relé IDMT. ^{[ 37 ]}^{: 143}

La norma IEC 60255-151 especifica las curvas de relé IDMT que se muestran a continuación. Las cuatro curvas de la Tabla 1 se derivan de la norma británica BS 142, ahora retirada. ^{[ 38 ]} Las otras cinco, de la Tabla 2, se derivan de la norma ANSI C37.112. ^{[ 39 ]}

Si bien es más común usar relés IDMT para protección de corriente, es posible utilizar el modo de operación IDMT para protección de tensión ^{[ 40 ]}^{: 3.} Es posible programar curvas personalizadas en algunos relés de protección ^{[ 41 ]}^{: pp Ch2-9} y otros fabricantes ^{[ 42 ]}^{: 18} tienen curvas especiales específicas para sus relés. Algunos relés numéricos se pueden usar para proporcionar protección de sobretensión de tiempo inverso ^{[ 43 ]}^{: 6} o protección de sobrecorriente de secuencia negativa. ^{[ 44 ]}^{: 915}

I _r = es la relación entre la corriente de falla y la corriente de ajuste del relé o un multiplicador de ajuste de enchufe. ^{[ 45 ]}^{: pp 73} "Enchufe" es una referencia de la era de los relés electromecánicos y estaban disponibles en pasos discretos . ^{[ 1 ]}^{: pp 37} TD es el ajuste del dial de tiempo.

$PSM={\frac {Corriente de falla primaria}{Ajuste de corriente del relé \times \ Relación de CT}}$

Las ecuaciones anteriores dan como resultado una "familia" de curvas al utilizar diferentes ajustes del multiplicador de tiempo (TMS). Es evidente, a partir de las ecuaciones características del relé, que un TMS mayor resultará en un tiempo de despeje más lento para un valor de PMS (I _r ) dado.

Relevos de distancia

Los relés de distancia , también conocidos como relés de impedancia , se diferencian de otras formas de protección en que su funcionamiento no depende de la magnitud de la corriente o la tensión en el circuito protegido, sino de la relación entre estas dos cantidades. Los relés de distancia son, en realidad, relés de cantidad de doble actuación, con una bobina energizada por tensión y la otra por corriente. El elemento de corriente produce un par positivo o de activación, mientras que el elemento de tensión produce un par negativo o de reinicio. El relé opera solo cuando la relación V/I cae por debajo de un valor predeterminado (o valor de ajuste). Durante una falla en la línea de transmisión, la corriente de falla aumenta y la tensión en el punto de falla disminuye. La relación V/I ^{[ 46 ]} se mide en la ubicación de los transformadores de corriente (TC) y los transformadores de potencial (TP) . La tensión en la ubicación del TP depende de la distancia entre el TP y la falla. Si la tensión medida es menor, significa que la falla está más cerca y viceversa. De ahí la protección denominada relé de distancia. La carga que fluye a través de la línea aparece como una impedancia para el relé, y cargas suficientemente grandes (ya que la impedancia es inversamente proporcional a la carga) pueden provocar el disparo del relé incluso en ausencia de una falla. ^{[ 47 ]}^{: 467}

Esquema de protección diferencial actual

Un esquema diferencial actúa sobre la diferencia entre la corriente que entra en una zona protegida (que puede ser una barra colectora, un generador, un transformador u otro aparato) y la corriente que sale de dicha zona. Una falla fuera de la zona produce la misma corriente de falla a la entrada y a la salida de la zona, pero las fallas dentro de la zona se manifiestan como una diferencia de corriente.

"La protección diferencial es 100% selectiva y, por lo tanto, solo responde a fallas dentro de su zona protegida. El límite de la zona protegida está definido de forma unívoca por la ubicación de los transformadores de corriente . Por consiguiente, no se requiere sincronización con otros sistemas de protección, lo que permite el disparo sin demora adicional. Por lo tanto, la protección diferencial es idónea como protección principal rápida para todos los elementos importantes de la planta." ^{[ 48 ]}^{: 15}

La protección diferencial se puede utilizar para proporcionar protección a zonas con múltiples terminales ^{[ 49 ]}^{[ 50 ]} y se puede utilizar para proteger líneas, ^{[ 51 ]} generadores, motores, transformadores y otras instalaciones eléctricas.

Relé direccional

Un relé direccional utiliza una fuente de polarización adicional de voltaje o corriente para determinar la dirección de una falla. Los elementos direccionales responden al desfase entre una magnitud de polarización y una magnitud de operación. ^{[ 52 ]} La falla puede ubicarse aguas arriba o aguas abajo de la ubicación del relé, lo que permite que los dispositivos de protección adecuados se activen dentro o fuera de la zona de protección.

Verificación de sincronismo

Un relé de verificación de sincronización proporciona un cierre de contacto cuando la frecuencia y la fase de dos fuentes son similares dentro de un cierto margen de tolerancia. Un relé de "verificación de sincronización" se suele utilizar donde se interconectan dos sistemas de potencia, como en una subestación que conecta dos redes eléctricas, o en un interruptor de circuito de generador para asegurar que el generador esté sincronizado con el sistema antes de conectarlo.

Fuente de alimentación

Los relés también se pueden clasificar según su tipo de fuente de alimentación.

Un relé de protección de doble alimentación alimentado por la corriente obtenida de la línea mediante un transformador de corriente. También se muestra el percutor.

Los relés autoalimentados funcionan con la energía derivada del circuito protegido, por ejemplo, a través de los transformadores de corriente utilizados para medir la corriente de línea. Estos relés ofrecen ventajas en cuanto a coste y fiabilidad, ya que no requieren una fuente de alimentación independiente.
Los relés con alimentación auxiliar dependen de una batería o de una fuente de alimentación de CA externa. Algunos relés pueden usar tanto CA como CC. La alimentación auxiliar debe ser altamente confiable durante una falla del sistema para garantizar el funcionamiento del relé.
Los relés de doble alimentación se alimentan tanto del circuito protegido como de una fuente de alimentación auxiliar que actúa como respaldo.

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