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Cuaderno Técnico nº 113

Protección de las máquinas y delas redes industriales de AT

Por: P. Roccia

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

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La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 113 de Schneider Electric».

CuadernoTécnico n o 113Protección de lasmáquinas y de lasredes industrialesde AT

Por: P. Roccia

Trad.: Dr. M. Cortes, J.M. Giró

Edición francesa: junio 1985

Versión española: abril 1991

Pierre ROCCIA

Diplomado en 1969 como IngenieroEléctrico por el Institut NationalPolytechnique de Grenoble. Despuésde haber ocupado un puesto deresponsabilidad en el sector delequipamiento industrial y de ladistribución pública AT, pasó aencargarse de ampliar la gama derelés de protección Merlin Gerin y deconcretar una filosofía técnica sobrela protección de redes industrialesAT gracias a los dispositivosasociados a los interruptoresautomáticos. Este Cuaderno Técnicoes un reflejo de esta actividad.

Pasó a encargarse después deFormación. Actualmente esIngeniero de Estudios al servicio deldiseño de equipos y conjuntos.

Cuaderno Técnico Schneider n° 113 / p. 4

Índice

Protección de las máquinas y de las redes industriales de AT

La limitación de las consecuenciasde un defecto en las redes dedistribución y en las máquinas(costes de la reposición del servicioy pérdidas en la explotación) seobtiene por la utilización dedispositivos de vigilancia,denominados «protecciones».

El objeto de este Cuaderno Técnicoes el de definir los defectos y suscaracterísticas, exponer sus causasy consecuencias y los medios deprotección. Los diferentes relés deprotección empleados se presentansucesivamente. Se dan los criteriosde ajuste, en función de losparámetros eléctricos de la red y delas máquinas y de la selectividadque se pretende conseguir.

Asimismo, se estudian los problemasde la protección de las máquinas yde las redes industriales, incluyendolos relativos a las redes detransporte y de distribución pública,que exigen equipos de protecciónespecíficos (relés de distancia, deimpedancia, etc.).

1 Defectos principales que se que pueden presentar p. 5en las redes y máquinas

2 Relés de protección p. 14

3 Selectividad p. 27

4 Protecciones típicas p. 29

5 Conclusión p. 33

6 Bibliografía p. 33


1 Defectos principales que se pueden presentaren las redes y las máquinas

Antes de estudiar las causas, lasconsecuencias y los medios deprotección relativos a los principalesdefectos, juzgamos de interésrecordar que éstos son muy variadosy pueden determinar el corte de laalimentación eléctrica o el disparo deuna alarma.

Los defectos pueden caracterizarse:

nnnnn Por sus orígenesLos defectos que afectan alfuncionamiento correcto de una red ode una máquina se deben a causas:

ooooo de origen eléctrico,

ooooo de origen mecánico, modificandolos parámetros eléctricos(impedancias),

ooooo de origen humano, errores deexplotación.

nnnnn Por su localizaciónAl considerar un componente de lared de potencia (línea o máquina),es necesario distinguir:

ooooo los defectos internos,caracterizados generalmente por losdeterioros del aislamiento,

ooooo los defectos externos, en los quelas consecuencias se limitan a unasperturbaciones que pueden llevar, enmayor o menor medida, adesperfectos en el elementoafectado y pueden conducir a undefecto permanente.

nnnnn Por su duración

ooooo si el defecto desaparece por símismo se le denomina auto-extintor ,

ooooo si el defecto desaparece por laacción de la protección, sin dejardeterioros que afecten alfuncionamiento de la red, el defectoes denominado fugitivo .

El diseño de la red y las proteccionestienden a limitar los errores deexplotación a defectos fugitivos.

ooooo si el defecto entraña deteriorosque impliquen reparaciones esdenominado permanente .

En la redes de cables y en lasmáquinas los defectos de origeneléctrico son, generalmente,

permanentes. Salvo casosparticulares, exigen la desconexiónde la tensión.

Las protecciones son función del tipode defecto. La selectividad en ladesconexión está directamenteligada a la localización del defecto.El carácter permanente de undefecto obliga a utilizar relés conenclavamiento (con retención).

Cortocircuito entre fases

Causas

nnnnn La degradación de los aislantes:

ooooo degradación de la calidad de lassuperficies (polución),

ooooo degradación térmica(temperaturas excesivas),

ooooo descargas parciales en losintersticios (microcavidades) en lamasa de los aislantes.

nnnnn Disminución accidental de lasdistancias de aislamiento, (presenciade animales, herramientas dejadaspor inadvertencia en los juegos debarras, contactos entre conductoresaéreos).

nnnnn Roturas por causas externas(pedradas, golpes de pico, etc.).

nnnnn Sobretensiones.

Consecuencias

nnnnn Además de los esfuerzoselectrodinámicos, se producen efectostérmicos: incendios en los puntos delarco de defecto, calentamientos en laspartes que recorren las corrientes decortocircuito.

La ruptura rápida limita los efectostérmicos.

nnnnn El defecto modifica las magnitudeseléctricas de la red: origen de cerosde tensión, desequilibrios,intercambios de energía reactiva, etc.

Estas magnitudes al seraccidentalmente modificadasperturban el funcionamiento de lasmáquinas de la red (inestabilidad) yconstituyen un peligro(sobretensiones).

nnnnn Las corrientes de defectodeterminan fenómenos de inducciónelectromagnética en los circuitosauxiliares próximos.

Medios de protección

Empleo de relés de máxima corriente(máximo de I) a tiempo independienteo a tiempo dependiente. El relé limita:

nnnnn los efectos térmicos,

nnnnn los riesgos de inestabilidad dela red.

La coordinación entre los diversosrelés a máxima corriente de una redse realiza limitándose a dejar sintensión, únicamente, la parte condefecto (selectividad).

Estos relés no pueden mantener laselectividad en las redes en anillo ode estructura mallada. En éstas seemplean relés:

nnnnn direccionales,

nnnnn diferenciales longitudinales.

Defecto fase-tierra

Causas

Son las mismas que determinan loscortocircuitos fase-fase.

Los contactos accidentales tienenlugar entre fase y tierra o entre fasey masa, estando las masas unidasa tierra.

Los defectos permanentes producenla desconexión, excepto bajo ciertascondiciones, en régimen de neutroaislado (o fuertemente impedante).

Consecuencias

Las corrientes de defecto fase-tierrason moderadas y no excedengeneralmente de 1/10 la corriente decortocircuito entre fases.

Las consecuencias se reducengeneralmente a:

nnnnn elevación del potencial de lasmasas, poniendo en juego laseguridad de las personas. Latensión de contacto no deberáexceder de 50 V permanentes,


nnnnn cocción de las tomas de tierra,puntos calientes en las masas,quemaduras,

nnnnn calentamiento de los circuitosmagnéticos. La corriente de defectofase-tierra en una máquina deberálimitarse a unos veinte amperios, loque evitará daños en los circuitosmagnéticos,

nnnnn calentamiento del apantallado delos cables,

nnnnn sobretensiones en la red.


nnnnn Régimen de neutro débilmenteimpedante (TT, con factor dedefecto a tierra ≤ 1,4) es el másempleado.

La corriente de defecto, aunquelimitada, permite la utilización derelés de máxima corrientehomopolar . La coordinación deestos relés se realiza de manera quedejen sólo sin tensión la parte condefecto (selectividad cronométrica).Los mismos no pueden guardar laselectividad en las redes en anillo ode estructura mallada. En estoscasos se emplean:

ooooo relés diferenciales longitudinalesde corriente homopolar,

ooooo relés direccionales de corrientehomopolar, que al ser regulados,tienen también la ventaja de poderser insensibilizados a las corrientescapacitativas de los cables.

La utilización de relés voltimétricoshomopolares puede ser útil paradetectar, a partir de un puntovoluntariamente elegido en elconjunto de la red, los defectos fase-tierra, o fase-masa, que se originanen un punto cualquiera de la red.

nnnnn Régimen de neutro aislado, ofuertemente impedante (IT, factorde defecto a tierra > 1,4) con el cuales posible continuar la explotacióncon un primer defecto.

Por lo general, la detección delprimer defecto no es selectiva.

Esta detección es entoncesasegurada, bien sea por:

ooooo un relé voltimétrico homopolarconectado entre el borne neutro delgenerador y tierra y regulado enfunción del aumento del potencialdel neutro,

ooooo un controlador permanente deaislamiento, el cual tiene la ventajade medir el aislamiento de la red yfuncionar incluso sin tensión enla red.

El defecto doble es eliminado por lasprotecciones de máxima corriente dela instalación.

En las salidas no preferentes que sedesconectan al primer defecto,después de un cuidadoso estudiotécnico se pueden emplear relésdireccionales de la corriente fase-tierra o fase-masa. Generalmente elempleo de relés de máxima corrientehomopolar, que funcionen por lascorrientes capacitivas de la red esdifícil, sino imposible.

Error de acoplamiento

Causas

Este defecto se presenta cuando, alconectar en paralelo dos redes defases diferentes (con diferentesíndices horarios), un generador seconecta en oposición de fase.

Consecuencias

En el peor de los casos, lasconsecuencias son las mismas quelas de un cortocircuito entre fases.Los daños debidos a los defectostérmicos son generalmentelimitados, la energía del defecto esesencialmente liberada en la cámarade ruptura del interruptor automático.

Se pueden observar deteriorosmecánicos en los generadores.


Las medidas de protección previas ylos enclavamientos tienen queimposibilitar los errores deacoplamiento. No obstante, si seproduce el error de acoplamiento, losmedios de protección empleadoscontra cortocircuitos han de sersuficientemente eficaces.

Sobrecarga

Causas

Se deben esencialmente al aumentode la demanda de energía.

Tienen un origen:

nnnnn mecánico : aumento del parexigido (machacadoras),

nnnnn eléctrico : aumento anormal delnúmero de consumidores.

Las sobrecargas se deben también auna disminución del factor depotencia, o a una disminución oaumento de la tensión de la red.

Consecuencias

Las sobrecargas son sinónimo desobreintensidades.

Las sobrecargas provocan unaumento exagerado delcalentamiento de los cables, lostransformadores y los motores.Disminuyen la vida de los aislantes.


Control de la intensidad mediante unrelé de imagen térmica o un relé demáxima corriente de tiempoconstante para limitar en el tiemposobrecargas constantes y conocidas.

Se trata, por ejemplo de unasobrecarga, cuya duración yfrecuencia de repetición están biendeterminadas (apretado detirafondos de laminación).

Inversión del sentido decirculación de la energíaen ausencia de defectoeléctrico

Causas

El buen funcionamiento de la red secaracteriza por la transferencia deenergía de las fuentes a losconsumidores, respetando laspotencias nominales y lasintensidades admisibles.

Esta transferencia normal de energíapuede alterarse por ejemplo por:

nnnnn una bajada de la tensión de lared de distribución , que ocasiona elsuministro de energía a esta red porun abonado que disponga de unacentral de producción autónoma,

nnnnn un ciclo rápido de reenganche :la energía cinética almacenada pormotores de gran potencia provoca laalimentación por retorno de losreceptores.

La detección de este retorno deenergía permite el desacoplamiento


rápido de estos potentes motores.La reconexión de estos motorespodrá hacerse inmediatamente encondiciones óptimas (ausencia deacoplamiento en oposición al flujoremanente).

Los abonados 1 y 2 (figura 1 ) sonalimentados por el abonado 3, porejemplo, por causa de unadesconexión, con reenganche rápidoa nivel del Centro de Transformación.Se pueden constatar las dificultadesde la reanudación del servicio de losmotores (recuperación de lavelocidad) al retorno de la tensión dealimentación,

nnnnn del funcionamiento de un motorcomo alternador (pérdida depotencia del motor defuncionamiento).

Consecuencias

Son numerosas y se pueden citar:

nnnnn sobrecarga de una fuenteautónoma,

nnnnn desequilibrio del balanceenergético de la red,

nnnnn fallos de selectividad en la técnicaselectiva cronométrica si a unainversión del sentido de la energía lesigue un defecto eléctrico,

nnnnn que el alternador pase a arrastrara la turbina o diesel depauperados.


Empleo de un relé a retorno decorriente activa, o de un relé depotencia activa direccional. En elcaso de la que la red estéequilibrada en tensión y enintensidad, el relé puede sermonofásico.

El relé amperimétrico controla elvalor algebraico de:

Iact = I cos ϕ,lo que da, a tensión constante:

IW NP U 3 cos

Variación de tensión

Causas

nnnnn bajadas de tensiónLas bajadas de tensión se deben auna sobrecarga de la red o a un malfuncionamiento del regulador detensión en carga del transformador ode un regulador.

nnnnn sobretensiones

Las sobretensiones pueden debersea un mal funcionamiento en carga deun regulador, de un regulador develocidad, o de la disminuciónbrusca de la potencia demandada.

Consecuencias

nnnnn las bajadas de tensión disminuyenel par de los motores. En efecto:

Cm = kU2, para una velocidad dada(ω), en donde:

Cm: par motor,

U: tensión de la red.

La disminución del par de un motorasíncrono conlleva:

ooooo un aumento del tiempo dearranque:

m rd

C C Jdt

J = mr2: momento de inercia delgrupo,

Cr: momento resistente.

Si en la puesta en marcha Cm = Cr,el motor no acelera, «ronca» y suspérdidas son importantes.

ooooo una reducción de la velocidad enmarcha normal, lo que generalmentehace aumentar la intensidadabsorbida, las pérdidas por efectoJoule en el estator y, especialmente,las pérdidas rotóricas.

nnnnn las elevaciones de tensiónprovocan un calentamiento de loscircuitos magnéticos por aumento delas pérdidas en el hierro. Estecalentamiento es independiente delestado de carga de la máquina y noes por tanto controlado por los relésde sobrecarga.


Se utilizará un relé de proteccióncontra las bajadas de tensión:

nnnnn controlar el funcionamiento de losreguladores de tensión,

nnnnn descargar la red de los consumosno prioritarios,

nnnnn cortar la alimentación de losmotores si la tensión de alimentaciónes demasiado baja. Se empleará unrelé de tensión máxima paracontrolar los reguladores y loscompensadores en carga.

Presencia de unacomponente inversa enmarcha monofásica

Causas

En el conjunto de una red, se originauna componente inversa de tensióncuando se corta un conductor defase de la línea, o a causa de ungran consumo monofásicoconectado entre fases. La influenciade un defecto externo provoca laaparición de una componenteinversa de la intensidad en losarrollamientos de la máquina de redque alimenta a la red con defecto.

Si el corte de la fase se encuentraen la canalización de la máquina,ésta sufre un desequilibrio completo.

También aparece un desequilibrio porcorriente inversa cuando se produceun corte en el devanado de unamáquina, o un cortocircuito entreespiras de un mismo arrollamiento.Fig. 1.

M M

Centro de transformación

reengancherápido

Abonado 1Abonado 2

Abonado 3


Consecuencias

Los elementos de la red quepresentan una impedancia inversaZi, distinta de la impedancia directaZd, son sensibles a la componenteinversa de la tensión. Son lasmáquinas rotativas las que másacusan esta componente, puesreaccionan de forma diversa segúnque su sentido de giro coincida conel del campo inductor o sea opuestoal mismo. Se observa en estasmáquinas un calentamiento peligrosode la jaula rotórica o de la jaula deamortiguamiento (máquinassíncronas), una reducción del parmotor y del rendimiento:imposibilidad de arrancar si falta unafase, ralentización de los motoresasíncronos.

El fenómeno no es necesariamentedetectado por simples relés térmicos.


Son:

nnnnn preventivos : evitar que el cortede la fase externa se traduzca con eltiempo en un defecto interno,

nnnnn curativos : por detección de unaanomalía en el devanado de unamáquina, aparte del cortocircuitoentre fases, o de un defecto deaislamiento.

A este propósito se emplea un reléde desequilibrio inverso de máximacomponente inversa.

Todo sistema trifásico desequilibradode tensiones, o de intensidades, sedescompone en una suma, fase afase, de dos sistemas equilibrados:

trifásico directo (sucesión 1, 2, 3),

trifásico inverso (sucesión 1, 3, 2)

y un sistema trifásico homopolar,(1, 2, 3, en fase) (figura 2 ) y portanto un sistema que relaciona lasintensidades a sus componentessimétricas. El mismo razonamientoes válido aplicado a las tensiones.

Vectorialmente, o en númeroscomplejos podemos escribir:

I I I I

I I I I

I I I I

1 1 1 1hd i

2 2d 2i 2h

3 3d 3i 3h

Tomando la fase 1 como referencia:

I I

I I

I I

1d d

1i i

1h h

Con la ayuda del operador:

j23 31

e j2 2

podemos expresar I1, I2, I3, enfunción de:

II I

I I I I

I I I I

I I I I

d i h

1 d i h

22 d i h

22 d i h

, , ,

a a

a a

Las componentes de tensión y decorriente están relacionadas por:

la impedancia directa:

Id

dd

VZ

la impedancia inversa:

Ii

ii

VZ

la impedancia homopolar:

Ih

hh

VZ

En todo cuanto sigue tomaremos

Ih hV 0, hipótesis que se verificaen ausencia de un defecto fase tierra,en el sistema trifásico a 3 hilos.

Fig. 2.

Para una línea:

d iZ Z

Para un transformador:

I Id i

d id i

V VZ Z

Para un motor girando:

d i i dZ Z Z Z

Tracemos, a tensión constante, eldiagrama del circuito simplificadoI (g), de un motor de inducción(figura 3 ).

Con el motor en marcha, se tomanlos siguientes valores:

nnnnn la relación:

d

i

Z impedancia directaZ impedancia inversa

nnnnn la relación entre el deslizamientodirecto gd y el deslizamiento inversogi. Se demuestra seguidamente quela energía de frenado (debida a lacomponente inversa) se disipa en elrotor.

Supongamos que el motor esarrastrado por la carga, a velocidadω en sentido inverso al campo

giratorio p

, el deslizamiento

g 1

p es mayor que 1. Este tipo

de funcionamiento corresponde a unfrenado contra corriente, o a lacomponente inversa de la intensidaddebida, por ejemplo, a la ruptura de

t t t

t

3

22d 3i

1

3d 2i

1i1d

1i

2i

3i

directo inverso homopolar


síncrona

0

N

N g = 1,96

g < 1

( = 0, g = 1)a = arranque

Potenciaabsorbidade la red

Potenciacedidaa la red

i con Un

Fig. 3: Diagrama de círculo (g).

una fase, lo que provoca un campogiratorio parásito de sentido inversoal de rotación del eje. A tensiónconstante, si g > 1, la intensidadabsorbida es mayor que laintensidad de arranque ID, y éstamayor que la intensidad nominal:

IN(gn) < Ia < I (g>1).

En general, en las condicionesnominales de funcionamiento eldeslizamiento gn es del ordende 0,04.

Un ensayo a contra corrienterealizado a la velocidad nominalω = - ωn (g = 1,96) y extrapolado a latensión nominal permite escribir:

II

d

N n i

(g 1,96) Z(g 0,04) Z

en funcionamiento normal,

y como Ia (g = 1) < I (g= 1,96)

se tiene IID d

N i

ZZ

según el diagrama I (g) de la figura 3 .

En una primera aproximación d

i

ZZ

oscila entre 6 y 7.

En general la intensidad de arranqueID es función de:

ω = pulsación 2 πf

p = número de pares de polos

ω/p = velocidad del campo giratorio(velocidad de sincronismo)

Ω = velocidad de giro del eje

Se demuestra que si un motor esalimentado con un porcentaje, t, decomponente inversa de la tensión:

t= i

d

VV

la tasa de componente

inversa de la intensidad será:

I II I

i D

d Nt

lo que explica que se alcancenrápidamente valores elevados de lacomponente inversa de la intensidad.

Energía perdida en el rotor de unamáquina asíncrona

El deslizamiento viene expresado

por la relación: p

g 1

p p

Se pueden apreciar dos puntossingulares:

g = 0 para Ω = ω/p (máquinasíncrona), y

g = 1, para Ω = 0 (máquina contensión y parada).

Las corrientes inducidas en el rotortienen la pulsación ω = g ω.

La posibilidad de una alimentaciónque presente una componente inversapermite definir dos deslizamientos:

un deslizamiento directo:

dg 1

p,

y un deslizamiento inverso:

ig 1

p

de donde se deduce que

gd + gi = 2.

En una máquina asíncrona, con undébil porcentaje de componenteinversa se tiene

gd = 0,04 y gi = 1,96.

En una máquina síncrona:

gd = 0 y gi = 2.

Las corrientes inducidas en elamortiguador de una máquinasíncrona por la componente inversatienen la pulsación 2ω.

En general se tiene:

0 ≤ gd ≤1

1 ≤ gi ≤ 2.

En la figura 4 se indica el análisisenergético de un motor asíncronodespreciando las pérdidasestatóricas por efecto Joule y laspérdidas mecánicas.

Esquema energético de un motorasíncrono despreciando laspérdidas estatóricas y las pérdidasmecánicas

Sistema directo : alimentaciónnormal, trifásica equilibrada(figura 5 ).

Sistema inverso : contribución de lacomponente inversa de la tensión,en una alimentación trifásicadesequilibrada (figura 6 ).

La potencia útil en el eje esdisminuida por la presencia de unacomponente inversa.

Las pérdidas rotóricas debidas a lacomponente inversa vienen dadaspor la suma de dos energías:

n la que se absorbe de la red,

n y la que se toma del eje (frenado).

En el supuesto de una componenteinversa de la tensión de

i

d

V0,025

V , que da una

componente inversa de la intensidad

de II

i

d0,15 , se demuestra que


las pérdidas rotóricas seincrementarán entre un 5 y un 6%,con relación a las mismas pérdidasen régimen equilibrado.

Los datos de los cálculos numéricosdan los siguientes valores:

d

i

Z6

Z

cos ϕ i ≈ 0,25

cos ϕd ≈ 0,85

gi = 1,96

gd = 0,04

En marcha monofásica II

i

d1

las pérdidas rotóricas puedentriplicarse.

Con todo rigor, se deberán tener encuenta:

n las pérdidas estatóricas,

n la reducción de la velocidad aconsecuencia de la disminución delpar resultante.

Vemos con esto todo el interés quetiene el relé sensible a la componenteinversa de la intensidad, relé deprotección rotórica por excelencia.

Frecuencia de arranquedemasiado elevada

Causas

n mal funcionamiento delautomatismo de mando,

n accionamiento manual demasiadofrecuente,

n o, mucho peor, una serie dereconexiones con defecto.

Consecuencias

Además de un exageradocalentamiento del estator yparticularmente del rotor, se produceuna sucesión de choques mecánicosen los acoplamientos y en lascabezas de bobina perjudiciales paralos materiales, en particular para losaislantes.

Anotemos que un defecto fase-masa,a menudo, es la consecuencia de larotura de los aislantes de las cabezasde bobina en el extremo de lasranuras.

Sistema directo Sistema inverso

Potencia eléctrica global

=Pérdidas rotóricas

+Potencia disponible en el eje

Fig. 4.

Potencia absorbidadirecta

Pr = Pérdidas rotóticas

Pu en el eje

Motor

Fig. 5.

Fig. 6.

Pr = Pérdidas rotóticas

Pu en el eje

Motor


Se empleará un relé de protección,que cuente el número de arranquesdurante un tiempo determinado.

Si el número de arranquesefectuados durante un tiempodeterminado excede del número de

arranques permitido, el relébloqueará las ordenes de conexióndurante un intervalo de tiempopredeterminado. El relé permitelimitar la frecuencia de los arranquesa un valor fijado por el constructordel motor.

mdCp miC

p

md dC gp

mi iC gp

m ddC (1 g )p

iCm (1 gi)p

Id d d d dPa U 3 cos Cmp

d dCm gp

u r aP P P

Ii i i i iPa U 3 cos Cmp

i iCm gp

i iCm 1 g 0p

d dCm 1 g 0p


Agarrotamiento en marchade un motor asíncrono yarranque demasiado largo

Causas

Los bloqueos mecánicos de unmotor en marcha son debidos:

n sea a un defecto mecánico:agarrotamiento,

n sea a una explotación que tieneriesgos especiales deagarrotamiento, como por ejemplo,el motor de una quebrantadora.

Los bloqueos se producen cada vezque el par resistente es mayor que elpar motor máximo.

Los arranques demasiado largos seproducen cuando el motor estácargado en exceso, o estáalimentado con una tensiónreducida.

Consecuencias

El agarrotamiento del motor originaun choque mecánico sobre losacoplamientos, cojinetes,bobinados, etc.

El calentamiento es muy rápido, puesla intensidad alcanza el valor de lacorriente del arranque ID y la energíaabsorbida de la red se disipaprincipalmente en el rotor. La falta deventilación aumenta la temperatura.

El arranque demasiado largoprovoca esfuerzos térmicosperjudiciales para la esperanza devida de los aislantes.


Se utilizará un relé de máximaintensidad, inhibido durante elperiodo de arranque.

Se presentan dos casos:

n al final del periodo normal dearranque la intensidad sigue siendosuperior al valor nominal:

se tratará de un arranque muy largodebido a un par acelerador muy bajo,

n en marcha normal, la intensidadalcanza rápidamente el valor de lacorriente de arranque:

el motor se ha agarrotado.

El relé corta rápidamente laalimentación del motor para limitarlas consecuencias del defecto.

Si, a la puesta en marcha del motor,existe el riesgo de que el rotor quedeagarrotado, éste deberá soportar elcalentamiento correspondientedurante un tiempo superior al tiempode arranque.

Un estudio de la evolución de laintensidad y si es posible, del factorde potencia, durante el tiempo dearranque: I = f1(t); cos ϕ = f2(t),permitirá determinar si es posiblela utilización de un relé de máximaintensidad, o de un relé deimpedancia (figura 7 ).

Descebado de las bombasEs una protección específica de lasbombas aspirantes.

Causas

La ausencia de líquido en la bomba,su no cebado o el descebado de lamisma, el funcionamiento con lasválvulas cerradas, son las causasque pueden llevar al deterioro de labomba por calentamiento.

Consecuencias

El síntoma de que la bomba estádescebada, o no eleva líquido, lo dala corriente absorbida por el motoreléctrico de accionamiento.


Se utilizará un relé de corrientemínima enclavado en el arranque yregulado entre:

n la corriente de vacío, o con lasválvulas cerradas,

n la corriente absorbida en régimennormal de funcionamiento de labomba.

Si las condiciones de explotaciónindican que la diferencia entre losvalores anteriores es demasiadopequeña, diferencia en la queintervienen los diferentes errores deprecisión, se podrán tener en cuentalas variaciones del factor depotencia y utilizar un relé de mínimapotencia activa.

Pérdida de la excitaciónde las máquinassíncronas

Causas

Pueden ser una reducción notablede la corriente de excitación o unaruptura del devanado inductor.

Consecuencias

Con objeto de compensar la pérdidade la energía magnetizante del

Fig. 7.

D

Umbral del relé amperimétricotemporizado al arranque

Umbral del reléde impedanciao de admitancia,temporizadoal arranque

g = 1 = 0

N

V


inductor, la máquina la absorbe de lared bajo la forma de energíareactiva. El efecto se traduce poruna reducción del factor de potencia.Si el defecto viene seguido de unapérdida del sincronismo, el rotor y lajaula de amortiguamiento soportaráncorrientes inducidas que puedenproducir fuertes calentamientos enlos mismos.

Medidas de protección

Se puede emplear un relé de mínimade corriente continua en el circuitode excitación, si éste es accesible.

De no ser posible, la proteccióndeberá detectar el aumento deenergía reactiva absorbida. Seutilizará a tal efecto, un relédireccional de corriente reactiva o deenergía reactiva.

Aplicados a la protección de unmotor síncrono estos relés deberáninhibirse durante el arranqueasíncrono del motor.

Variación de la frecuencia

Causas

Se pueden citar entre las causas devariación de la frecuencia:

n las sobrecargas de una red,alimentada por fuentes de potencialimitada (redes autónomas),

n la ausencia de control desincronismo de un alternador o de unmotor síncrono bajo micro-rupturasde la red (reenganche rápido). Es elcaso de las microcentralesconectadas a una red,

n corte de la alimentación de unaestación equipada de grandesmotores asíncronos,

n mal funcionamiento del reguladorde velocidad de un grupo motoralternador.

Consecuencias

Las variaciones de frecuenciaenclavan los pilotajes y haránnecesarias las operaciones deacoplamiento al reiniciar laexplotación normal.

n las variaciones de frecuenciaperjudican el funcionamiento de losreceptores síncronos (registradores,relojes, etc.),

n las variaciones de frecuenciamodifican las pérdidas en el hierrode los circuitos magnéticos.


A partir del control de la frecuenciapor un relé de regulación (mini-maxio los dos):

n se realiza una desconexiónselectiva suprimiendo losconsumidores no prioritarios en casode sobrecarga,

n se fracciona la red en redeselementales si aparece unaperturbación en la frecuencia,perturbaciones a menudo debidas auna fuerte sobrecarga o a un defectoeléctrico.

La perturbación de frecuencia serámucho más importante, si el defectono se elimina rápidamente. En estascondiciones, se pondrá a prueba laestabilidad de las máquinassíncronas de la red. Los motoresserán adecuadamentedesconectados de la red.

n se aislan las microcentrales queno tienen un sistema de controlsíncrono,

n desconexión de una estación congrandes motores asíncronos bajomicrocortes de la red (reengancherápido y lento).

En la tabla de la figura 8 se puedever un resumen de los principalesdefectos descritos.


Defecto Origen del defecto Duración del defecto Particularidad delrelé recomendado

Cortocircuito entre eléctrico permanente con enclavamientofases

Defecto fase-tierra eléctrico permanente con enclavamiento

Error de eléctrico fugitivo con enclavamientoacoplamiento error de explotación

Sobrecarga mecánico fugitivo con enclavamientoerror de explotación (bajo precaución, sin

enclavamiento)

Inversión del sentido mecánico o fugitivo con enclavamientode circulación de la error de explotación si es mecánicoenergía, en ausenciade defecto eléctrico

Variación de la eléctrico o permanente o con o sintensión error de explotación fugitivo si es debido enclavamiento

a una sobrecarga

Fallo de una fase eléctrico permanente con enclavamiento

Presencia de una eléctrico permanente o con enclavamientocomponente inversa fugitivo (bajo condiciones,

sin enclavamiento)

Frecuencia de azares del mando fugitivo sin enclavamientoarranques muy elevada

Agarrotamiento del rotor mecánico permanente con enclavamiento

Descebado de la mecánico permanente con enclavamientobomba hidráulica

Pérdida de la excitación eléctrico permanente con enclavamiento

Variación de la mecánico o permanente o con enclavamientofrecuencia sobrecarga fugitivo (sin enclavamiento)

Fig. 8: Principales defectos que se encuentran en las redes.

El enclavamiento es un mecanismo de cerrojo que deja al operador un tiempo de reflexión antes de reanudar el servicio.El enclavamiento de los relés es imperativo en el caso de defectos permanentes.El enclavamiento es aconsejable en caso de errores de explotación.


DefiniciónLos relés de protección sondispositivos, más o menoscomplejos, que deciden una acción,generalmente la apertura de uninterruptor automático, si aparece undefecto en la red, en la alimentacióno en la máquina controlada.

Estos dispositivos se denominan«relés», porque son unosintermediarios entre una magnitudfísica controlada y un disparador.En AT son del tipo indirecto, porcuanto toman la información a travésde captadores (TC, TT, toroides).

La utilización de relés directos en ATva disminuyendo porque sonrudimentarios, imprecisos y de difícilinstalación debido a las distanciasde aislamiento que hay que respetar.

Ante un defecto, los relés dan laorden de apertura a los interruptoresautomáticos (figura 9 ).

Un relé puede ser:

n de alimentación propia (oautónomo): toma la energía de lared a través de captadores,

n de alimentación auxiliar: toma laenergía necesaria para sufuncionamiento de una fuente auxiliarde tensión (continua o alterna).

Relés de corriente máximapara la detección decortocircuitos entre fasesEste relé tiene (figura 10 ):

n un ajuste de intensidad,

n una temporización, en la que elinstante inicial corresponde al derebase del umbral y el final a laorden de apertura del interruptorautomático,

o la temporización puede ser fija,para cualquier exceso del umbral:relé a tiempo constante o a tiempoindependiente.

El usuario puede ajustar el margende intensidad y la temporización:

o la temporización puede dependerdel desvío entre la corriente desobrecarga y el umbral del relé:

es el caso del relé a tiempodependiente o a tiempo inverso.

La temporización está especificadapara un valor de corriente (10 I r)y es regulada por el usuario. Eltransformador de corriente dealimentación no debe saturarse

2 Relés de protección

Fig. 9.

TC

Relé

Bobinade disparo

Fig. 10.

t1

t

Iri = k n umbral10 r cc

Relé de tiempoindependiente

Relé de tiempodependiente

duración máxima del defectosin que haya habido desconexión

histéresis

valor delumbral

de retorno

tiempode

memoria

valor delumbral

T1: temporización del relé T1

t

Fig. 11.

dentro del campo de la curva útildel relé.

El relé es generalmente bipolar, siestá asociado a un reléamperimétrico homopolar (contra losdefectos fase-masa).

Otras características (figura 11 )

n tiempo de memoria después de ladesaparición de un defecto:

es la diferencia de tiempo entre eldefecto de más larga duración que


no produce el disparo y latemporización del relé. Este tiempodebe ser lo más limitado posiblepara facilitar la selectividadcronométrica.

n el umbral de retorno es el valor dela magnitud controlada (o magnitudregulada) que provoca el retorno deldetector del relé al estado de espera(o de reposo),

n el tiempo de retorno es ladiferencia de tiempo entre el pasodel umbral de retorno y el momentoen que el relé electromagnético desalida vuelve a alcanzar el reposo.Es igual al tiempo de memoria,incrementado en el tiempo de puestaa cero de la temporización y eltiempo de vuelta al reposo del reléelectromagnético de salida. Eltiempo de retorno de un relé conenclavamiento no es determinante.

Relé de corriente máximapara la protección demáquinas contracortocircuitos internosEs un relé tripolar que mide laintensidad diferencial longitudinalde fase.

El relé es sensible únicamente a losdefectos internos que se sitúan entrelos dos transformadores de corrienteque delimitan la zona protegida(figura 12 ).

Para el par de transformadores demedida, iA e iB son imágenes deIA e IB.

I

IA A

B B

i k

i k

I Iqueatraviesaelrelé A B A Bi i i k

En ausencia de defecto interno en lazona comprendida entre los doscaptadores, la intensidad de entradaen una fase IA es igual a laintensidad de salida IB. La ventajadel relé diferencial es que permiteuna regulación por debajo de lacorriente nominal iN.

El relé sólo es sensible a losdefectos internos que suponen una:

I IA B 0

El relé puede ser:

n a porcentaje

A B

ii i

2

o

n a valor real, pero graduado en

s

N

is%

i

En este caso, cada elemento demedida del relé se pone en serie conuna resistencia de estabilización R.

Esta resistencia R aumentaartificialmente la impedancia delrelé. De esta forma si uno de los dostransformadores de corriente, porcausa de un defecto externo, sesatura, la corriente de medida

i = iA - iB no alcanzará el valor deumbral.

El valor de la resistencia R seelegirá para que:

o IN 2 1 AR. s% R R i

o IN 2 1 AUc

R. s% R R i2

R: resistencia de estabilización,

s% x IN: corriente de umbral,

R2: resistencia del secundario deltransformador de corriente,

R1: el mayor valor de las dosresistencias del bucle A o B del reléa los transformadores de medida,

iA: el mayor valor de la corriente decortocircuito teórica para un defectoexterno; el ejemplo supone que sesatura el transformador A,

Uc: tensión de codo de lostransformadores de corriente (TC).

Esto implica transformadores clasePS, o sea 30 VA 5P 15.

La regulación del relé será del 15 al20% de IN.

n este relé puede proteger losjuegos de barras en los casos mássimples,

n en el marco de la protección deun transformador, es necesariocompensar la relación detransformación de éste:

o en magnitud: compensación delnúmero de espiras,

o en fase: compensación del índicehorario, la rapidez de intervención, ladistinción entre la punta de conexióny el disparo bajo un cortocircuito,hacen que este relé sea complejo.

Fig. 12.

AA B B

Relé

R

IN

NiIN

Ni


Relé de corriente máximapara la deteccióndireccional o de retornode corriente de loscortocircuitos fase-faseSe trata de un relé de corrientemáxima en el que la sensibilidadestá supeditada a la «fase» de lacorriente respecto a la tensión.

El relé tiene en consecuencia:

n un umbral de intensidaddependiente de la fase de lacorriente respecto a la tensión,

n una temporización en la que elinstante inicial corresponde al pasodel umbral, bajo una cierta condiciónde la fase (o defasaje).

Salvaguardando la continuidad deservicio en la distribución con doslíneas en paralelo, el relé es capazde eliminar muy rápidamente lascorrientes de cortocircuito de retornopor desconexión aguas abajo de lasdos líneas, dejando a continuación alos relés de máxima intensidad, conselectividad cronométrica o lógica, latarea de cortar definitivamente elcortocircuito de la línea con defecto.El relé es inoperante si elcortocircuito se produce en el juegode barras alimentado por dos líneasen paralelo. Para que responda aesta incidencia se debe discriminar

en un conductor I Icc ccde ,

o dicho de otra forma el signo decos ϕcc:

Desconexión para Icc

No disparo para Icc

Se compara a este propósito eldesfasado del vector representativode la corriente de una fase con un

vector «eje característico del relé»ligado a la tensión entre las otrasdos fases.

Se observará que esta comparacióndebe ser bastante laxa para permitir elbuen funcionamiento sobre todos loscables y para todas las distancias delcortocircuito al relé. Además el relédebe tener una alta sensibilidad a latensión, pues ésta es muy reducida enlos cortocircuitos trifásicosequilibrados próximos al relé.

El esquema y el diagrama vectorialde principio aclaran elfuncionamiento (figura 13 ).

Al ser el relé generalmente unipolar,se demuestra que son necesarios ysuficientes dos relés para poner enevidencia el cortocircuito trifásicoequilibrado y los tres cortocircuitosbifásicos.

Se deberá seguir el esquema decableado que da el constructor.

o cortocircuito trifásico deimpedancia nula (atornillado):

gx

ar c t2 r

Fig. 13.

cortocircuito bifásico

cortocircuito trifásico

1 2 3

V1

V1.2referencia de tensión

dominiobloqueado

dominiooperacional

V3

60o

30o

V2

Umbral K n

zona delcortocircuito

trifásico

zona del cortocircuito

bifásico - fases 2.3eje característico

resultado de un compromiso


o cortocircuito bifásico deimpedancia nula (atornillado)fases 2.3:

g

3 R r 3 xt

3 X r 3 r

en general β = entre 150 y 300,

U1.2: tensión de referencia,

x: inductancia por unidad de longituddel cable cortocircuitado,

r: resistencia por unidad de longituddel cable cortocircuitado,

- I3: corriente que da origen aldisparo,

+ I3: corriente que no determina eldisparo,

R y X: componentes de laimpedancia de la red vista ladoaguas arriba del punto de lectura dela tensión,

l: longitud del cable desde el defectoal punto de medida de la tensión(figura 14 ).

Relé diferenciallongitudinal de máximaintensidad, para laprotección de líneascontra los cortocircuitosEste relé se asemeja al diferenciallongitudinal para la protección demáquinas contra los cortocircuitos.

La transmisión, fase por fase de lainformación, «intensidad», en lospuntos de lectura límites de la zonaprotegida, se reduce de 4 a 2 hilos,lo que supone una buena economíaen la transmisión a largas distancias.(Figura 15 ).

La información de la igualdad decorrientes de entrada y salida de lazona protegida, por fase, setransmite por 2 conductores por elprincipio de una combinación linealúnica de los vectores de intensidad.Este principio tiene validez para unrégimen senoidal, por lo que esnecesario que los transformadoresno lleguen a saturarse. Ésta es unade las razones de la dificultad deesta protección.

Además debe añadirse que la líneapiloto debe tener corrientes de fugamuy débiles y que no se han de

Fig. 14.

Fig. 15.

R y X

x y R

Rc RcTT1

k3

k2

k1

k3

k2

k1

1

2

3

a b

i i

producir efectos inductivos porproximidad con los conductores depotencia.

Éstas son las exigencias quedeterminan las peculiaridades entrelos constructores.

La utilización de las proteccionesdiferenciales se generaliza en losbucles cerrados con un númerocualquiera de centros detransformación intermedios. Laselectividad es total y la continuidadde la distribución es segura.

Relé de corriente máximapara la detección de losdefectos fase-masa ofase-tierra(utilizable en régimen de neutrodébilmente impedante)

Es un relé similar al de proteccióncontra los cortocircuitos fase-fase,

pero unipolar y mucho más sensible.Detecta las corrientes de defectofase-tierra, llamadas corrienteshomopolares.

La imprecisión de los relés a tiempoinverso para valores reducidos de lacorriente de defecto fase-tierra y lapequeña impedancia relativa de laslíneas (caída de tensión según laposición del defecto) respecto a lasimpedancias red-tierra, hacen que seaconseje utilizar un relé a tiempoconstante.

Los captadores son:

n 3 transformadores de corrienteque en la conexión neutro de sussecundarios dan el valor de laintensidad de defecto:

Id = I1 + I2 + I3 = 3 Ih

siendo Ih la corriente homopolar, o

n 1 transformador toroidal excitadopor los 3 conductores de fase. Lasespiras del toro concatenan un flujomagnético ∅, igual a:

I I I

I I Ia 1 1a 2 2a 3 3a

b 1 1b 2 2b 3 3b

i k k k

i k k k I I I I I Ia b

1a 1b 2a 2b 3a 3b

i i ,solamente si

; ; ;


1 2 3 lejos de la

saturación. 1 2 3, , son

proporcionales a las corrientes defase I1, I2, I3 y ∅, al igual que laseñal de salida del toro, sonproporcionales a 3 Ih.

Es conveniente respetar el montajede la figura 16 si los cables sonblindados.

El relé es insensible a los tercerosarmónicos de la corriente generadospor los terceros armónicos de latensión y las capacidades de loscables (figura 17 ).

Veamos por qué es necesaria estainsensibilidad a los tercerosarmónicos.

Fig. 17.

suma de las 3 corrientes de fase

Se pueden presentar dos casos:

n la presencia de los tercerosarmónicos en los secundarios de lostres transformadores de corrientesaturados cuando aparece unacorriente importante,

n la presencia de tercerosarmónicos de la tensión. En estecaso y en ausencia de defecto, comose demuestra a continuación, setiene una falsa corriente homopolardebida a las capacidades parásitas.

Despreciando la resistencia deaislamiento, la impedancia fase-tierra de un cable viene definida por:

1Z

j C

ω: pulsación en rad/seg,

C: capacidad alma-pantalla, oconductor-tierra, en faradios.

Si aplicamos en el origen de laconexión, a cada uno de los cablesde fase, una tensión respecto atierra del mismo valor y de la misma

fase, 1 2 3V V V V y se hace la

conexión en vacío:

la corriente vista por el toro (o porlos 3 transformadores TC) será:

Ic = (3 V) Cω.

Esta corriente se identifica con unacorriente de defecto fase-tierra

Idefecto = 3 VCωo

I Idefecto h h3 3 j V C ; V se

identifica entonces con hV , y VCcon la corriente homopolar Ih.

El oscilograma de la figura 18 ponede manifiesto que el tercer armónicogenera 3.V.

En el oscilograma se destaca quelas tensiones armónicas están enfase, teniendo V una tasa decomponente armónica de 3: τ.

(t)V V 2 sen t V 2 sen3 t

la suma de las tensiones V de cada

fase es igual a 3 V 2 sen3 t que

corresponde a una tensiónhomopolar de 150 Hz, lo quedemuestra que la tensión armónicaes equivalente a una tensiónhomopolar.

La corriente armónica es equivalentea una corriente homopolar y (aúncuando no se tenga defecto fase-tierra, o sea, aún cuando en la onda

fundamental I I I1 2 3 0 ) el toro

ve una suma de 3 corrientesFig. 16.

ReléToro

Trazo depuestaa tierra

Mreceptor

Origen de laconexión


armónicas en fase, de lo que sederiva una alteración de lasensibilidad del relé, o incluso unadesconexión intempestiva si no sehan tomado las precaucionesrequeridas para insensibilizar el reléal 3er armónico y a los armónicosmúltiples de 3.

Relé de corriente máximapara la deteccióndireccional (o de retornode corriente) de losdefectos fase-masa, ofase-tierraEl relé es casi idéntico al relé decorriente máxima para la deteccióndireccional de las corrientes decortocircuito fase-fase.

Se diferencian de este último en:

n la medida de la intensidad a partirde un toro que mide la corrientehomopolar,

n la presencia de un filtro del3er armónico en las entradas,

n la tensión de referencia del ejecaracterístico es la tensiónhomopolar, o tensión eléctricatierra-neutro.

La utilización de un dispositivoauxiliar compuesto de 3 pequeñostransformadores monofásicos, cuyossecundarios están conectados enserie, permite la elaboración de latensión homopolar cuando laresistencia de limitación está muyalejada. El dispositivoimperativamente debe ser montadosobre 3 transformadores de tensiónconectados en estrella (primarios ysecundarios), con los neutros a tierra(es necesario realizar un estudioespecial en el régimen IT supervisadopor un medidor permanente delaislamiento).

Salvaguardando la continuidad deservicio, el relé es capaz de:

los 3os armónicos están en fase y dan V en fase

V1

V2

V3

t

t

t

Fig. 18.


n desacoplar 2 líneas en paralelo, sise produce un defecto interno en lalínea protegida,

n ser sensible a las corrientescapacitativas, lo cual permite encanalizaciones largas, una buenaprotección contra defectos internosen los motores.

Es suficiente un relé unipolar porcanalización.

Utilización en el caso de 2 líneasen paralelo (figuras 19 y 20)

Utilización en el caso de una línealarga, insensibilidad a la corrientecapacitiva (figuras 21 y 22)

I r = (1 - α) IL,

IL: corriente limitada por laresistencia de tierra R, o límitesuperior de la corriente IR,

α: porcentaje de cobertura delbobinado motor,

I r: regulación del relé,

Ic: corriente capacitiva de la salida.

Incompatibilidad I r < 1,3 Ic queimplica disparo por un defectoexterior.

Posición de los vectores de lasmagnitudes aplicadas al relé(figura 22 ).

Relé de tensión máximahomopolar para ladetección del defectofase-masa o fase-tierraEs un relé de tensión máxima

regulado a una fracción de nU

3,

que vigila la subida de la tensión delneutro respecto a tierra

neutro hV V , fenómeno motivado

por un defecto fase-tierra en la red.

Difiere de los relés de tensiónmáxima por:

n su campo de ajuste de la tensión(inferior a Un / V3),

n la presencia de un filtro de3er armónico.

La tensión homopolar se lee en losbornes de la resistencia de limitaciónde la corriente de tierra, o bien,cuando la resistencia está muy

Fig. 19.

Fig. 20.

Fig. 22.Fig. 21.

TTauxiliar

TT

Vh R Vneutro

torohRCH RCHBA

extremidad del vector d con defectomotor o interno de la canalización

cc dela red

cc condefecto externo

no dispara dispara

d máx

ejecaracterístico

VhO

TTauxiliar

3 TT

r

longitudde línea

M

Vh

c

d

I IL r IL

defecto aguas abajo:no hay disparo

defecto aguas arriba:hay disparo

disparo no disparo

c red

c redR

RVh

d

r0

r: regulación, R: corriente limitada por la resistencia del neutro o por el generador homopolar

d


alejada, en los bornes de lossecundarios en serie de trespequeños transformadoresmonofásicos, los cuales constituyenel dispositivo auxiliar utilizado,también, en la aplicación del relé demáxima corriente para la deteccióndireccional de los defectos fase-masa. Como su información no esselectiva permite detectar el defectoa tierra de la red a la que estáconectado el relé, cualquiera quesea su localización.

Bajo defecto permite:

n seccionar inmediatamente en sub-redes, una red de fuentes múltiplespermitiendo con ello elfuncionamiento selectivo de los relésde máxima corriente homopolar parala detección de los defectosfase-tierra,

n detectar el primer defecto en elrégimen IT, aunque no ofrece elservicio de un controladorpermanente de aislamiento,

n proteger un alternador excitado,no acoplado en paralelo, contra losdefectos de aislamiento fase-masaalimentando normalmente una red enrégimen TT (débilmente impedante).En este caso su temporización debeser más elevada que la de los relésde corriente homopolar máximade la red.

Relé de corriente máximaa imagen térmica, para laprotección contrasobrecargas en lasmáquinasEl relé empleado tiene en cuenta lasobrecarga y el régimen de marchaprecedente a la sobrecarga.

El relé emite una orden cuando sealcanza el valor presumido delcalentamiento máximo.

Calentamiento: θ - θa,

θ: temperatura del punto deliberación de la energía térmica,

θa: temperatura ambiente.

La energía térmica es generada porefecto Joule.

I es la intensidad controlada.

En primera aproximación el reléverifica en todo instante la ecuaciónde equilibrio térmico:

I2a

th th

d 1 1C k t

dt R R

en la que:

C: calor específico del mediohomogéneo considerado,

Fig. 23.

Fig. 24.

Rth: resistencia térmica: incluyeconducción, convección, ventilación,la cual se considera constante,

C Rth: constante de tiempo τ.El relé se regula a la intensidadnominal de la máquina protegida,(IN máquina) a partir de la intensidadnominal de los transformadores decorriente (captadores) INTC(figura 23 ).

La imagen de la evolución de loscalentamientos en función de la

carga y/o de la sobrecarga I II IR N

viene dada por las curvas de lafigura 24 .

It

2thR K N 1 e

It

2thR k N 1 e

regulación ( R) del relé

N (TT)

margen de regulación del relé

N máquina

marchainicialcon N

curva en caliente

curva en frio

acción acción

O

t

máx

n

a calentamiento

It

2thR k 1 e n.e


A partir de estas curvas se puedentrazar los puntos de disparo que setraducen por dos curvas límitestrazadas para θmáx (figura 25 ).

n una en frío: la máquina está a latemperatura ambiente, consobrecarga desde la puesta entensión,

n otra en caliente: inicialmente (ent0), la máquina funciona en elrégimen nominal establecido yalcanzado el equilibrio térmico.

Un régimen de funcionamientoinferior a IN establecido antes de lasobrecarga daría una curva dedisparo comprendida entre las doscurvas anteriores:

IN

má x. amb.A

a régimen amb.

Los calentamientos máximos y loscalentamientos en marcha normalcon IN, definidos por las distintasclases de aislamiento, muestran quesi se toma arbitrariamente

A 1,07 , la protección queda

establecida cualquiera que sea laclase de aislamiento.

Después de la parada, la curva encaliente vuelve lentamente a la curvaen frío.

Las curvas pueden ser deformadaspara salvar, por ejemplo, las puntasde arranque.

Relé de detección deretorno de energía activaEste relé es sensible a la proyecciónde un vector, representativo de laintensidad de línea, sobre unacombinación de vectoresrepresentativos de las tensionesentre fases.

Regulando el relé de tal forma que lacombinación de los vectores tensiónsea proporcional y colineal con elvector de la tensión simple, seobtiene la medida de I cos ϕ(figura 26 ).

El vector tensión OA es regulable enmagnitud y en fase accionando elpotenciómetro.

El potencial de A respecto a Opuede tomar todos los valores

comprendidos entre VA ' y VA '' . Fig. 26.

S = R

R

tdisparo

disparo seguro

no disparo

Fig. 25.

II

22

N2

oS

t logS A

2

2

Sen frío : t log

S A

2

2

S 1en caliente : t log

S A

Io es la intensidad

antes de la sobrecarga

A,

A

V1

A ,,,

A,,

kV3.2

V2

V3.2

V3

O

-k,V3.2

1

A

A,,

A,

+ kV3.2

O

-k V3.2

|V1| = |V2| = |V3|

El relé daráuna orden siel extremo de 1 se encuentraen esta zona

«A» puede tomartodas las posicionesentre A' y A'' y enparticular A''' en elque OA''' = kV1k cota real


En particular VA ''' El vector 0A'''(que es igual a VA''') es entoncesproporcional al vector V1:

VA ''' = 1CV ; C = constante real.

Se utiliza el ángulo de fase de VA'''para elaborar I cos ϕ.

En régimen equilibrado de tensiones

e intensidades IW nP U 3 cos .

El funcionamiento del relé estáasegurado en el dominio:-1 ≤ cos ϕ < 0, retorno de corriente

y para I Is cos .Ιs viene generalmente dada bajo laforma de Ιs = umbral % x ΙN.

Relé de detección de lasvariaciones de tensión

Contra las bajadas de la tensión,(subtensión)

Se trata de un relé de tensiónmínima de tiempo constante.

Es un relé bipolar.

Generalmente controla dostensiones en valor eficaz, unidas porun potencial común.

Se transforma en relé unipolar por laalimentación en paralelo de 2captores.

Conectado entre fases, como indicala figura 27 la falta de tensión de lafase 2 es detectada si el relé estáregulado por debajo del 50% delvalor nominal de la tensióncontrolada (UN). Para obtener elfuncionamiento con valoresdecrecientes, es suficiente que unade las dos tensiones que se midenbaje del umbral. Regulado al 20% deUN e instantáneo, el relé permitedesenclavar la conexión cuando,después de un corte en la red, latensión residual de una máquinaasíncrona desciende lo suficientecomo para permitir la reconexión dela explotación.

Contra las sobretensiones

Se trata de un relé de tensiónmáxima a tiempo constante.

Es un relé unipolar.

El umbral y la temporización sonregulables.

Fig. 27.

captador 1

V3,2 y V1,2tensiones entre fases

V1 y V2 tensiones simples

captador 2

tensión 2tensión 1

Sea:Sea:

V1

V1

V3

V2V2

V3.2 V1.2

Relé amperimétrico dedetección dedesequilibrios y pérdidade faseA partir de dos intensidades de fase,este relé elabora la componenteinversa con la ayuda de undesfasador.

A partir del sistema de lascomponentes simétricas de lasintensidades de línea (teorema deStokvis).

I I I I

I I I I

I I I I

1 d i h 2j2 3

2 d i h

23 d i h

a a a e

a a

Se obtiene el sistema inverso:

I I I I

I I I I

I I I I

2d 1 2 3

2i 1 2 3

h 1 2 3

3 a a

3 a a

3

De la ecuación:

I I I I2i 1 2 33 a a

y considerando el hecho de que enausencia de un defecto a tierra

I I I3 3 2 , se deduce la

función de I I1 2e :

II Ii1 2

3

1

que en valores absolutos será

I I Ii 1 23

(«α» se obtiene por el desfasadordel relé).

Este relé está destinado a laprotección de los rotores de lasmáquinas giratorias.

Montado principalmente sobre laalimentación directa de lasmáquinas, puede, no obstante,encontrarse sobre las líneas, dondedetecta el corte de una fase.

La importancia de la acciónpreventiva de este relé es evidente.Limita las perturbaciones peligrosasen las máquinas, subsiguientes a undefecto externo (corte de fase)alejado.


El relé está graduado en I

Ii

n cT , tasa

de componente inversa respecto a lacorriente nominal del transformadorde corriente colocado sobre lacanalización de la máquina. Unmotor asíncrono puede funcionarindefinidamente con una tasa de 2%de componente inversa de tensión, ocon un 10% en corriente.

En efecto:

n alimentación en monofásico enel arranque a partir de una redtrifásica equilibrada de tensiónsimple V.

I id i

VZ Z

En el arranque Zd = Zi = Z(impedancia de arranque)

II Di

Z

V2 2

y también

II Dd

Z

V2 2

La componente inversa de laintensidad representa el 50% de lacorriente de arranque y el 100% dela componente directa.

Este valor de la componente inversaes superior a la regulación máximadel relé.

n alimentación monofásica enmarcha normal : la red está siempreequilibrada en tensión, la impedanciadirecta Zd es mayor que laimpedancia de arranque ZA.

II

d D

i N

ZZ

con

di

ZZ

6

I Ii Nd i d

V 6 V 6Z Z 7 Z 7

La componente inversa de laintensidad toma entonces un valordel orden del 85% de IN, tasa muysuperior a todas las regulaciones.

Causas de error

Las desconexiones intempestivasson debidas, esencialmente, a ladispersión de los captores decorriente (TC) en el momento delarranque.

n elegir captores (TC) de 10 a15 VA 10 P 10,

n cargar los dos captadores (TC)simétricamente.

Nota:

n el relé detecta la apertura,siempre peligrosa, de los circuitossecundarios en carga,

n al ser el relé amperimétrico, nodetecta la pérdida de las fases enausencia de carga.

Relé de protección contralos arranques demasiadofrecuentesSe trata de un contador (figura 28 ).

A partir del estado en el que laintensidad es nula (reposo), el relécuenta un arranque cada vez que laintensidad excede del umbral deregulación.

Este umbral es de tal cuantía que elrelé no toma en consideración laspuntas de intensidad debidas a losdispositivos de arranque(resistencias rotóricas, auto-transformadores, etc.) ni las puestasen carga a partir de unfuncionamiento en vacío.

El contador es puestoautomáticamente a cero al final decada periodo T1.

Si la lectura del contador excede enuna unidad a un valor prefijado, elrelé funciona y bloquea durante T2todo nuevo arranque.

Al final del tiempo T2, el relé vuelveal estado inicial.

La regulación del relé se obtiene apartir de los datos facilitados por elconstructor del motor.

Relé de detección delagarrotamiento del rotoren marcha de los motoresasíncronosEs un relé de máxima intensidad.Puede ser monofásico, ya que lascorrientes estatóricas con un rotoragarrotado, están equilibradas(ausencia de defecto eléctricointerno).

Para poder tener una temporizaciónregulable, el usuario inhibe laactuación del relé durante el periodode arranque normal. Más allá el relése activa con cualquiersobreintensidad que rebase suumbral.

La inhibición durante el arranque seconsigue permitiendo sobrepasar elumbral amperimétrico bajo, lo quesignifica que se ha sustituido elestado de reposo por el estado«en tensión».

El relé se ajustará en un margen queirá de las máximas intensidadesadmisibles a la de arranque.

Si se desea obtener una proteccióncontra los arranques excesivamentelargos, se regulará el relé a un valorinmediatamente por encima de lacorriente absorbida al final de unarranque normal (figura 29 ).

Fig. 28.

Fig. 29.

marcha posible

n + 1 arranques efectuados

si se paraimposiblerearrancardurante T2

bloqueoconexióndurante T2

tT1

umbrala teneren cuenta

N

d

tiempo de arranque t

relé


Relé de detección deldescebado de las bombashidráulicasEs un relé de intensidad mínima, sufuncionamiento viene definido por elpaso del umbral para un valordecreciente de la corriente (figura 30 ).

El relé no tiene en cuenta lasintensidades nulas (reposo).

El reposo es unipolar.

El umbral del relé será reguladoentre:

n la corriente en vacío del grupomotor-bomba con las válvulascerradas,

n la corriente normalmenteabsorbida en carga.

Relé de detección de laspérdidas en la excitaciónde las máquinassíncronasEste relé puede ser el mismo que elque se utiliza para detectar elretorno de la energía activa, con unaconexión y una regulación diferentes,de forma que pueda detectar laenergía reactiva absorbida de la red.

La regulación del relé se basa enllevar la combinación de vectorestensión, ortogonalmente al vectortensión simple.

Como indica el diagrama de la figura31, el vector VA''' es de la forma

VA''' + jCV1, siendo C una

constante real y j el complejoimaginario de valor 1 y fase π/2.

De VA''' sólo interesa su ángulo defase (– π/2) para obtener

I Icos sen2 .

Fig. 31.

Fig. 32.

V3

A,,,

A,,

-k V2.1

A,k V2.1

1

V1

V2.1

V2

O

2actuación del relépara todo 1 cuyo

extremo esté dentrode este área

zona B

zona A

C

V

j L

HB

E

O

j L mín

lugar de E que da

inestabilidad de la máquina

En régimen equilibrado, de tensión e

intensidad, IVAR N 3P U sen .

I sen ϕ generalmente viene dadobajo la forma Is = (umbral %) x IN.

En la zona A el motor síncronoabsorbe energía reactiva lo queindica un funcionamiento anormal(pérdida de la excitación).

Atención: el relé debe estarenclavado durante el arranqueasíncrono .

Como consecuencia de unaregulación continua para determinarA''' y por la combinación de lastensiones de entrada, son posiblesotras funciones, en particular el reléa retorno de corriente aparente I :

IVA NP U 3

Fig. 30.

tiempo relé

actuación

t

umbral

Determinación del umbral de unrelé de retorno de corrientereactiva, empleado en laprotección de la pérdida deexcitación de un motor síncrono.Empleado con una carga bajo la cualel par es sólo función de lavelocidad, el motor sincronofunciona a potencia útil constante.

Despreciando las pérdidas estatóricasel motor trabaja con una potenciaabsorbida:

Iw v APa U 3 cos cons tante.

El diagrama simplificado (figura 32 )

verifica que: V = E + j L j I en cadafase.

V, tensión simple, viene dada porla red.

→→→

→

→→

→


Área OBC = k1.|V|.ω.L.|I |.cos ϕ= k2 P eléctrica.

Al ser constante la potencia eléctrica,el punto B, extremidad del vector«fuerza contraelectromotriz E debidaal inductor» se desplaza sobre la recta∆, cuando se varía la excitación.

Sea Ιmín la intensidad absorbida concos ϕ = 1.

El triángulo BCH da:

II mín.

cos

Ι sen ϕ = Ιmín. tg ϕ.

Si hacemos II

NTC

mín.A = constante,

para una carga dada, se obtiene:

I

IINTC

umbral del relé

a retorno de corriente

reactiva, con respecto

a .NTC

sen 1tg

A

INTC es la intensidad nominalprimaria de los transformadores decorriente.

Relé de detección de lasvariaciones de frecuenciaSe compara la frecuencia de la red Fcon una frecuencia patrón FOgenerada por el relé.

n para los relés a mínima frecuencia

si: F - FO < 0 ⇒ el relé funciona,

n para los relés a máximafrecuencia si: F - FO > 0 ⇒ el reléfunciona.

El relé es unipolar y toma lainformación por medio de la tensiónde la red, con un TT.

Ventajas de los relésestáticos respecto a loselectromagnéticosPara detectar la magnitud controlada,los relés electrónicos, sólo necesitanuna potencia despreciable, que secifra en mVA e incluso en µVA, locual les da unas características delinealidad, de tiempo de puesta enmarcha, mucho mejores que los delos relés electromagnéticos.

Estas características aportan a losrelés estáticos las propiedades:

n de funcionar en el caso de uncortocircuito fase-fase, aunque sesaturen los transformadores decorriente,

n de hacer que los captadoresfuncionen en las condicionesideales, a saber:

o en vacío los transformadores detensión (TT),

o en cortocircuito los transformadoresde corriente (TC), lo que tiene laventaja de remontar el punto desaturación C, muy por encima delfactor límite de precisión (FLP).

En efecto, la igualdadCP = Cn Pn (1)siendo:

Cn: factor límite de precisióncorrespondiente a Pn, con laintensidad nominal,

Pn: potencia nominal con la corrientenominal,

C: coeficiente límite de precisiónpara una potencia P, con la corrientenominal, que indica que elcoeficiente límite de precisión esinversamente proporcional a lapotencia suministrada a la carga.

La fuerza electromotriz en elsecundario es de la forma

2

t

d(n )e

d

donde:

n2 φ es el flujo concatenado total porel secundario.

En los dos casos que siguenconsideramos el mismo valor paran2 φ, para el límite de linealidad.

n el transformador tiene su carganominal Z2n y, con esta carga, cedeuna corriente I2:

Pn = Z2n I2n2

I II

n2n 2 2n n 2n n

2n

Pe Z Z C C (2)

n el transformador tiene una cargacualquiera Z2 y, con esta carga,cede una corriente I2:

I II2 2 2 2n2n

Pe Z Z C C (3)

(2) y (3) demuestran la igualdadanterior:

CP = Cn . Pn (1)

En rigor debería considerarse lapotencia eléctrica P = e I2; Z incluyela resistencia interna del secundariodel transformador, la cual no puedeser despreciada cuando laimpedancia de carga es muypequeña.

La ausencia de engrase y decorrosiones en los pivotes y laausencia de resortes antagonistas,son otros tantos factores quefavorecen una fiabilidad y unaprecisión superiores.

Por otra parte, los choquesmecánicos (no destructivos) noprovocan funcionamientosintempestivos (por ejemplo:insensibilidad al cierre de laspuertas).

Por último, el relé estático es, por logeneral, económico, pues utilizacomponentes no específicoscontrariamente a las piezasmecánicas de los reléselectromagnéticos.


Una red de AT alimenta muchísimosconsumidores para los que unainterrupción de la alimentaciónpuede ser grave. Una buenacoordinación de las proteccionescontra los cortocircuitos fase-fase,las sobrecargas, los defectos fase-tierra, permite una continuidad de laexplotación óptima.

La coordinación de las proteccionespuede requerir un estudio bastantecomplejo. En los casos muy simples,redes en antena, la selectividad aldisparo, se limita a verificar cuándose tienen sobreintensidades.

Se consigue la selectividad si, paratodas las corrientes superiores a lasde regulación de los distintos relésque detectan el defecto, el tiempomas allá del cual el proceso dedisparo del interruptor de rupturaaguas arriba es ya irrevisible, essuperior al tiempo total de rupturadel interruptor aguas abajo.

Esta condición se verifica fácilmentepor yuxtaposición de las curvascaracterísticas de funcionamiento delos relés (figura 33 ).

La coordinación del conjunto de lasprotecciones debe tomar enconsideración la presencia eventualde máquinas giratorias y sucomportamiento en el momento deldefecto.

Elementos de regulaciónen la selectividadcronométrica(figura 34 )

El margen ∆t incluye:

n el error de temporización de losrelés A y B,

n el tiempo de memoria del relé B,

n el tiempo de funcionamiento delinterruptor automático A,

n un margen de seguridad.

Prácticamente se considera∆t ≥ 0,3s (figura 35 ).

3 Selectividad

Fig. 33.

Fig. 34.

Fig. 35.

t

aparato aguas arriba

aparato aguas abajo

t

relé A

relé B

cc presunta

A(aguas arriba)

B(aguas arriba)

a

fuente

t

margen deseguridad

tiempo de funcionamientodel interruptor automático A

tiempo dememoria de B

t1A t1B

t 0,3 s

valor teórico de latemporización T1del relé A, aguas abajo

: error de la temporización en el relé A

: error de la temporización en el relé B

valor teórico de latemporización T1

del relé B, aguas arriba


Una buena precisión y una buenafidelidad de las regulaciones de losumbrales y de las temporizacionespermiten admitir márgenes deregulación más reducidos.

En resumen, las regulaciones de lasredes a máxima intensidad, utilizadasen las protecciones contra loscortocircuitos fase-fase y los defectosfase-tierra deben tener en cuenta:

A nivel del umbral

n la menor corriente posible decortocircuito que puede provocaraguas abajo la toma de información.La regulación será inferior a 0,5veces el valor de esta corriente,

o inmediatamente superior a lasmás elevadas corrientes desobrecarga,

o superior al umbral del relé aguasabajo (aproximadamente en 30%),

n la corriente capacitativa. Laregulación será superior al 30% de lamayor corriente capacitiva queatraviesa el relé. Esta regla esaplicable, esencialmente a los relésde tierra.

A nivel de la temporización

n 0,3 segundos más que el reléaguas abajo en la selectividadcronométrica,

n el paso necesario de las puntasde intensidad debidas a la conexiónde transformadores en vacío, yeventualmente las debidas a lareconexión de motores, fija loslímites inferiores de la temporización(capítulo 4 protecciones típicas).

Aspecto práctico

El cálculo de las regulaciones, tantodel umbral como de la temporización,así como la verificación de laselectividad por un gráfico, constituyeel estudio de la selectividad. A estepropósito se usa un papel doblelogarítmico. Por década se utiliza unalongitud doble en abscisas (IA) y unalongitud simple en ordenadas(tiempo), lo que permitirá representarlas capacidades térmicasadiabáticas, I2t = constante, para unarecta diagonal de un cuadrado(optimización de los errores).

El gráfico permite verificar, si esnecesario:

n la selectividad entre interruptoresautomáticos y cortocircuitos,

n la capacidad térmica de loscables, transformadores, etc. a lascorrientes de cortocircuito.

A este propósito deberá calcularse lacorriente de cortocircuito en el puntoconsiderado.

Sistema de selectividadlógicaEste sistema desarrollado ypatentado por Merlin Gerin, serefiere a una técnica de selectividadfundamentada en el enclavamientotemporal de los relés situados aguasarriba.

En base a este principio, se puedenobtener márgenes de regulaciónnulas, o negativas.

Únicamente las puntas de conexiónimpiden anular las temporizaciones.

En particular, cuando la regulaciónde la temporización de lasprotecciones situadas en losorígenes de la instalación es corta yviene impuesta, la selectividad lógicapermite obtener la selectividad totalal disparo, cualquiera que sea elnúmero de escalones del nivel detensión de cada escalón.

El disparo amperimétrico de losalternadores auxiliares tiene lugardurante el transitorio de lascorrientes de cortocircuito.

Los choques térmicos sondisminuidos en los defectospróximos al origen de la instalación.

n se mejora la estabilidad de la red;se limitan las perturbaciones queprovoca un defecto al funcionamientode las máquinas rotativas, (máquinassíncronas, rearranque en marcha demotores asíncronos),

n la ampliación de la red es siempreposible sin retoques de lasregulaciones de los relés existentes,en particular a nivel de la proteccióngeneral emplazada en el origen de lainstalación.

Principio del sistema deselectividad lógica

A continuación se recuerdabrevemente el principio defuncionamiento (figura 36 ).

El relé aguas abajo envía una ordende espera lógica al reléinmediatamente superior a través deuna línea piloto bifilar.

Únicamente el relé directamenteaguas arriba del defecto estádisponible y provoca la desconexióndel interruptor automático asociado.

Inmediatamente después, los relésaguas arriba quedan liberados. Laespera lógica es regulada, por elusuario, a la duración presumida deeliminación del defecto.

La selectividad lógica se utiliza en laprotección contra cortocircuitos entrefases y contra defectos fase-tierra(régimen neutro impedante).

Protección de zona pormedidas amperimétricasdiferencialesLa insensibilidad de la protección alos defectos exteriores a la máquina,o a la zona cubierta, hace que estetipo de protección no se tome encuenta en los estudios deselectividad cronométrica o lógica.

nivel 2aguasarriba

nivel 1aguasabajo

relé

relé

fuente

Fig. 36.


El objetivo de esta última parte esestablecer la lista de proteccionesespecíficas a cada función de ladistribución de MT, el término«función» corresponde, muyfrecuentemente, a cada una de lasceldas que constituyen un cuadro MT.

Protección de las entradaso de las salidas dealimentaciones o«feeders»

En régimen neutro impedante

n un relé de intensidad máxima atiempo independiente bipolar, contralos cortocircuitos fase-fase,

n un relé de intensidad máxima atiempo independiente, unipolar,insensible a los terceros armónicos,contra los defectos fase-tierra,

n dos relés de intensidad máximadireccionales sobre cada entrada enparalelo.

En régimen de neutro aislado

Un relé de máxima intensidad atiempo independiente tripolar contralos defectos fase-fase.

Bajo determinadas condiciones:

empleo de un relé de corrientemáxima a tiempo independienteunipolar, insensible al 3er armónicocontra los defectos fase-tierra, oempleo de un relé direccionalhomopolar.

Se recuerda que la detección delprimer defecto es obligatoria.

Notas (figura 37 )

Si la celda de llegada alimenta unasalida correspondiente a untransformador de gran potencia, seañadirá un relé de intensidad máximaa tiempo independiente bipolar otripolar de umbral bajo.

El objetivo de este relé es el deasegurar una proteccióncomplementaria contra loscortocircuitos que se producen en losbornes del secundario deltransformador. Esto sólo es posible si:

α In < In < 0,5 I12CC

siendo:

In: corriente nominal de lostransformadores de corriente,

α In: sobrecarga admisible temporal,

Is: umbral del relé,

I12cc: corriente de cortocircuitotrifásico equilibrado en elsecundario, vista desde el primariodel transformador.

La protección de sobrecarga de lared, aguas abajo, es otra aplicaciónde este relé. Otras protecciones,tales como: relé de frecuencia, reléde tensión, relé a retorno decorriente, equipan a menudo estasceldas.

Protección degeneradores(alternadores) auxiliares

Contra los defectos externoseléctricos

n Un relé de máxima intensidad,bipolar (neutro impedante), tripolar(neutro aislado) de tiempo constantecontra los cortocircuitos fase-fase.La regulación del relé deberá teneren cuenta:

o la necesidad de dispararrápidamente bajo la impedanciatransitoria del alternador,

o la exigencia de la selectividad,

n un relé de máxima para lacorriente homopolar (si el neutro esimpedante), a tiempo constante si elgenerador de la corriente homopolar(resistencia de tierra) está conectadoal neutro del alternador,

4 Protecciones típicas

Fig. 37.

n transformador

n

relé de corriente máxima de umbral alto

relé de corriente máxima de umbral bajo

ver protección de los transformadores


n un relé sensible a la componenteinversa de la corriente contra losdefectos desequilibrados.

Contra los defectos internoseléctricos

n un relé de máxima corrientetripolar, de medida diferenciallongitudinal contra los defectosfase-fase,

n un relé de máxima corrientehomopolar si el generador homopolarestá conectado al juego de barras,

o

un relé de máxima corrientehomopolar cuyo toroide (captador)esté en la conexión de puesta a tierradel neutro del alternador,

o

un relé de corriente homopolar demedida diferencial longitudinal,

n un relé de máxima tensiónhomopolar delante del acoplamientosi el generador de corrientehomopolar está en el juego de barras.La regulación de tiempo de este relédebe superar todas las regulacionesde los relés de la red, o un controlpermanente de aislamiento antes delacoplamiento.

Contra los errores de explotación

n un relé a imagen térmica contralas sobrecargas,

n un relé sensible a la componenteinversa de la corriente contra losconsumos desequilibrados.

Atención: los desequilibriosinversos se transmiten a través delos transformadores cuyosdevanados estén acoplados en Yd;Dy; Yy.

Contra los defectos de lasmáquinas motrices

n un relé de retorno de corrienteactiva, para detectar la marcha comomotor síncrono.

Prácticamente se utilizará este reléen los grupos diesel, simultánea-mente con un control de la tensión,

n un relé contra las variaciones defrecuencia. Este relé de mínimafrecuencia, es obligatorio si elalternador está acoplado a una redde distribución sujeta a reenganchesrápidos.

Contra los defectos en el circuitode excitación

n un relé de tensión mínima ymáxima: control del regulador,

n un relé de retorno de corrientereactiva; absorción de energíareactiva por la máquina desexcitada.

Si el arrollamiento de excitación esaccesible:

o utilizar un relé amperimétricocontra los cortes y los cortocircuitos,

o empleo de un controladorpermanente de aislamiento (defectosmasa-rotor).

Protección de lostransformadores

Contra los defectos eléctricosexternos e internos

El relé Buchholz o presostato detectalos defectos eléctricos internos de lostransformadores en baño de aceite.

El empleo de relés indirectos es, noobstante, frecuente, teniendo encuenta su corto tiempo de respuesta.Se utilizará:

n un relé de máxima corrientebipolar (neutro impedante) o tripolar(neutro aislado), con:

o un umbral alto instantáneo(50 ms) contra los defectos fase-faseen el primario,

o un umbral bajo, a tiempoindependiente, contra los defectosfase-fase en el secundario, vistosdesde el primario. La temporizaciónpermite el funcionamiento selectivode las protecciones de la red aguasabajo del transformador.

La regulación del umbral alto estaráinmediatamente por encima de I12cc,corriente de cortocircuito trifásico enel secundario, vista desde el primario.

La regulación del umbral bajo sehará a partir de 2In; se puedeconsiderar, salvo casos particulares,que las sobrecargas no puedenexceder de 2IN,

siendo:

I II I

N Ncc

12cc 11ccU

IN: Intensidad nominal del transfor-mador del primario, con la tensiónprimaria Un.

I11cc: corriente de cortocircuitotrifásico en el primario,

I12cc: corriente de cortocircuitotrifásico en el secundario, vistadesde el primario,

Ucc: tensión de cortocircuito deltransformador en valor decimal(ej. 0,1).

Con selectividad lógica, es suficienteel relé con un solo umbral. Éste tieneen cuenta I12cc con un tiempocompatible con la conexión deltransformador en vacío.


Deberá verificarse que el paso de lapunta de conexión en vacío deltransformador no dispare el relé.

El umbral nr suficiente de los relésde nivel alto, nivel bajo, o lógico,deberá ser tal que:

II

r

e

ttN transfo.

r eNTC

1n n e

2

siendo:

nr: umbral del relé = IIumbral

NTC

tr: temporización del relé (deducidoel tiempo de memoria),

te: constante de tiempo de lacomponente aperiódica de lacorriente de conexión, (es un datodel transformador),

IN transfo.: intensidad nominal deltransformador con la tensiónprimaria Un,

INTC: intensidad nominal de lostransformadores de corriente

I

Icrestaconexión

eN eficaz

n

es un dato del transformador(figura 38 ),

n un relé de máxima corrientehomopolar en redes con neutroimpedante, o bajo ciertas condiciones,en redes con neutro aislado.

Nota: la protección fase-masasecundaria se realiza por un relé demáxima corriente homopolar, en elque el toro captador está emplazadoen la conexión de puesta a tierra delneutro. Si el régimen secundario escon neutro impedante, este reléactuará sobre el interruptorautomático primario,

n la protección diferencial deltransformador será necesaria cuandola energía pueda circular en los dossentidos, lo que normalmente excluyelas unidades de potencia limitada.

Como todas las proteccionesdiferenciales, será regulada pordebajo de la corriente nominal y esindependiente de la temporizaciónde los otros relés de la red.

La protección es sólo sensible a losdefectos internos del transformador.

Esta protección no exime de lanecesidad de relés de máximacorriente contra cortocircuitos pordefectos externos.

El relé es complejo, pues esnecesario:

n distinguir la punta de conexión deuna maniobra de cierre encortocircuito,

n compensar el número de espiras,el acoplamiento y el índice horario,sin dejar de tener en cuenta lacorriente magnetizante.

Se regula, alrededor del 25% de IN.

Contra los errores de explotación

Empleo de un relé de imagentérmica bipolar si no existenreceptores monofásicos. Casocontrario se utilizará un relé tripolaro un relé bipolar asociado a un reléde desequilibrio. El relé de imagentérmica es necesario en lostransformadores secos. Se utilizaráconjuntamente con el termostato enlas grandes unidades.

Protección de los motoresasíncronos

Contra los defectos externos

Se emplea:

n un relé de retorno de energía quedesacople las grandes unidades, si aldesconectar la red, es posible la

realimentación de otras cargas. Enalgunos casos, se asocia a este reléun relé de mínima tensiónremanente, verificando, después dela desmagnetización y reducción dela velocidad suficientes, laposibilidad de una reconexión ala red,

n un relé de mínima tensión

Si los relés de mínima son, engeneral, comunes a varios motores,se monta una protección individual,

n un relé amperimétrico contra lapresencia de una componente inversa,o de ruptura de fase en la red.

Contra los defectos eléctricosinternos

La zona protegida comprende lalínea de alimentación del motor y elpropio motor.

Se emplea:

n un relé de máxima corriente,bipolar (neutro impedante), tripolar(neutro aislado) contra loscortocircuitos fase-fase. El relé esregulado por encima de la corrientede arranque.

O un relé de máxima corrientetripolar diferencial longitudinalentrada-salida. Este relé es reguladopor debajo de la corriente nominaldel motor. (Se encuentra sobre todoen las grandes unidades).

n un relé de máxima corrientehomopolar con un captador toroidal,contra los defectos fase-masa(neutro impedante), o un relé decorriente para la deteccióndireccional. Si la línea es larga, hayinfluencia de la corriente capacitiva.

n un relé amperimétrico de máximapara la corriente inversa contra:

o los cortes de fase,

o los desequilibrios de fase quesiguen al cortocircuito entre espirasde un arrollamiento.

El relé realiza igualmente laprotección contra un defecto externo.

Contra los defectos de explotación

n un relé de imagen térmica contralas sobrecargas,

n un relé limitador de los arranques,si lo requieren las condiciones de laexplotación.

Potencia deltransformador n e teen kVA

50 15 0,10

100 14 0,15

160 12 0,20

400 12 0,25

630 11 0,30

800 10 0,30

1000 10 0,35

1250 9 0,35

1600 9 0,40

2000 8 0,45

Fig. 38.


Contra los defectos mecánicos

n un relé contra el agarrotamientoen marcha del motor,

n en un grupo moto-bomba un relépar las bajadas de intensidad.

Protección de los motoressíncronos

Contra los defectos externos

n un relé a mínima tensión,

n un relé amperimétrico contra lapresencia de una componenteinversa, o de fallo de fase en la red,

n un relé de retorno de corrienteactiva para evitar la marcha comogenerador,

n un relé que detecte las bajadas defrecuencia, lo que evitará, cuandovuelva la tensión, después de unmicrocorte, el acoplamiento enoposición de fase,

n un relé amperimétrico dedesconexión bajo un cortocircuitoexterno.

Contra los defectos internos

Se utilizan las proteccionessiguientes (ver protección degeneradores):

n un relé de máxima corrientetripolar diferencial longitudinal,entrada-salida, contra los defectosfase,

n un relé de máxima corrientecontra los defectos fase-tierra,

n un relé de desequilibrio inversocontra las variaciones de impedanciainterna (ruptura del bobinado,cortocircuito entre espiras),

n un relé de retorno de corrientereactiva (absorción de energíareactiva por la máquinadesexicitada). Se inhibirá este relédurante el periodo de arranque.

Si el arrollamiento inductor esaccesible, se pueden también utilizardos relés de corriente continuacontra los cortes de devanado y loscortocircuitos, así como uncontrolador permanente deaislamiento (defectos masa-rotor),

n un relé contra el agarrotamientodel rotor en marcha y los arranquesdemasiado largos,

n un relé de sobrecarga de imagentérmica contra los incrementosde par,

n un relé de limitación de lafrecuencia de los arranques.

Protección de las bateríasde condensadoresSe limita a la protección contra losdefectos internos, cortocircuitosfase-fase y defectos fase-tierra(según el régimen de neutro).

n un relé de máxima corrientebipolar (neutro impedante) o tripolar(neutro aislado), de tiempo definido yconstante contra los defectosfase-fase,

n un relé de máxima corrienteunipolar, homopolar (neutroimpedante) contra los defectosfase-masa.

Con frecuencia se instalan relésespecíficos en las baterías decondensadores, como por ejemplo:relés de desequilibrio, etc.


La continuidad de la explotación y lalimitación al mínimo estricto de lasconsecuencias de todos los tipos dedefectos, se consiguen con unaelección adecuada de losdispositivos de protección y sucorrecta regulación.

Deseamos que este documento seauna ayuda eficaz para los

5 Conclusión

proyectistas, los instaladores y losresponsables del mantenimiento encuanto afecta al conocimiento de losdefectos y el de los relés deprotección correspondientes.

Merlin Gerin dispone de una gamade relés estáticos, Vigirack, para laseguridad de las instalacionesindustriales de MT.

Conférence aux Colloques ELECorganisés par le GIMEE.M. AMBLARD. Asociatión desmatèriels de protection.

Protección de redes por el sistemade selectividad lógica . R. CALVASy SAUTRIAU. Cuaderno TécnicoSchneider nº 2.

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Cuaderno Técnico nº 113 -...

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