En ingeniería eléctrica , un relé de protección es un dispositivo de relé diseñado para disparar un disyuntor cuando se detecta una falla. [1] : 4 Los primeros relés de protección fueron dispositivos electromagnéticos que dependían de bobinas que operaban en piezas móviles para detectar condiciones de funcionamiento anormales, como sobrecorriente, sobretensión , flujo de potencia inverso , sobrefrecuencia y subfrecuencia. [2]
Los relés de protección digitales de estado sólido basados en microprocesadores ahora emulan los dispositivos originales, además de proporcionar tipos de protección y supervisión poco prácticos con los relés electromecánicos. Los relés electromecánicos proporcionan sólo una indicación rudimentaria de la ubicación y el origen de una falla. [3] En muchos casos, un único relé de microprocesador proporciona funciones que requerirían dos o más dispositivos electromecánicos. Al combinar varias funciones en un caso, los relés numéricos también ahorran costos de capital y de mantenimiento en comparación con los relés electromecánicos. [4] Sin embargo, debido a su larga vida útil, decenas de miles de estos "centinelas silenciosos" [5] siguen protegiendo líneas de transmisión y aparatos eléctricos en todo el mundo. Importantes líneas de transmisión y generadores cuentan con cubículos dedicados a la protección, con muchos dispositivos electromecánicos individuales, o uno o dos relés con microprocesador.
La teoría y aplicación de estos dispositivos de protección es una parte importante de la educación de un ingeniero energético que se especializa en protección de sistemas eléctricos . La necesidad de actuar rápidamente para proteger circuitos y equipos a menudo requiere que los relés de protección respondan y disparen un disyuntor en unas pocas milésimas de segundo. En algunos casos, estos plazos de despacho están prescritos en la legislación o en las normas de funcionamiento. [6] Se utiliza un programa de mantenimiento o prueba para determinar el rendimiento y la disponibilidad de los sistemas de protección. [7]
Según la aplicación final y la legislación aplicable, varios estándares como ANSI C37.90, IEC255-4, IEC60255-3 e IAC rigen el tiempo de respuesta del relé ante las condiciones de falla que puedan ocurrir. [8]
Los relés de protección electromecánicos funcionan por atracción magnética o por inducción magnética . [9] : 14 A diferencia de los relés electromecánicos de tipo conmutación con umbrales de voltaje operativo y tiempos de operación fijos y generalmente mal definidos, los relés de protección tienen características operativas de tiempo y corriente (u otros parámetros operativos) bien establecidas, seleccionables y ajustables. Los relés de protección pueden utilizar conjuntos de discos de inducción, polos sombreados, [9] : 25 imanes, bobinas de operación y restricción, operadores de tipo solenoide, contactos de relé telefónico, [ se necesita aclaración ] y redes de cambio de fase.
Los relés de protección también se pueden clasificar por el tipo de medida 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 cantidades de CA. Sin embargo, esto no es importante; la única condición importante para un relé es su ajuste y se puede hacer que el ajuste corresponda a una relación independientemente de los valores de los componentes en un amplio rango." [10] : 92
Se pueden utilizar varias bobinas operativas para proporcionar "sesgo" al relé, permitiendo que otro controle la sensibilidad de respuesta en un circuito. En el relé se pueden producir varias combinaciones de "par de operación" y "par de restricción".
Mediante el uso de un imán permanente en el circuito magnético , se puede hacer que un relé responda a la corriente en una dirección de manera diferente que en otra. Estos relés polarizados se utilizan en circuitos de corriente continua para detectar, por ejemplo, corriente inversa en un generador. Estos relés pueden hacerse biestables, manteniendo un contacto cerrado sin corriente en la bobina y requiriendo corriente inversa para restablecerse. Para los circuitos de CA, el principio se amplía con un devanado polarizador conectado a una fuente de voltaje de referencia.
Los contactos livianos crean relés sensibles que funcionan rápidamente, pero los contactos pequeños no pueden transportar ni interrumpir corrientes intensas. A menudo, el relé de medición activará relés de armadura auxiliares de tipo telefónico.
En una gran instalación de relés electromecánicos, sería difícil determinar qué dispositivo originó la señal que disparó el circuito. Esta información es útil para que el personal operativo determine la causa probable de la falla y evite que vuelva a ocurrir. Los relés pueden estar equipados con una unidad de "objetivo" o "bandera", que se libera cuando el relé funciona, para mostrar una señal de color distintiva cuando el relé se ha disparado. [11]
Los relés electromecánicos se pueden clasificar en varios tipos diferentes de la siguiente manera:
Los relés de tipo "inducido" tienen una palanca pivotante apoyada en una bisagra [12] o pivote de filo, 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 vuelve mucho más pequeño cuando el relé ha operado, la corriente requerida para mantener el relé cerrado es mucho menor que la corriente para operarlo por primera vez. La "relación de retorno" [13] o "diferencial" es la medida de cuánto se debe reducir la corriente para restablecer el relé.
Una aplicación variante del principio de atracción es el operador de tipo émbolo o solenoide. Un relé de lengüeta es otro ejemplo del principio de atracción.
Los medidores de "bobina móvil" utilizan un bucle de espiras de alambre en un imán estacionario, similar a un galvanómetro pero con una palanca de contacto en lugar de un puntero. Estos se pueden hacer con una sensibilidad muy alta. Otro tipo de bobina móvil suspende la bobina de dos ligamentos conductores, lo que permite un recorrido muy largo de la bobina.
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 tener la misma frecuencia, de lo contrario no se produce ninguna fuerza operativa neta. [11] Estos relés electromagnéticos utilizan el principio de inducción descubierto por Galileo Ferraris a finales del siglo XIX. El sistema magnético de los relés de sobrecorriente de disco de inducción está diseñado para detectar sobrecorrientes en un sistema de energía y operar con un retraso de tiempo predeterminado cuando se alcanzan ciertos límites de sobrecorriente. Para funcionar, el sistema magnético de los relés produce un par que actúa sobre un disco metálico para hacer contacto, de acuerdo con la siguiente ecuación básica corriente/par: [14]
Donde y son los dos flujos y es el ángulo de fase entre los flujos
De la ecuación anterior se pueden extraer las siguientes conclusiones importantes. [15]
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 configuración de enchufe (psm). Generalmente siete tomas o bandas operativas equiespaciadas determinan la sensibilidad del relé. El devanado primario está ubicado 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 que los electroimanes superior e inferior están energizados, producen corrientes parásitas que se inducen en el disco de metal y fluyen a través de las rutas de flujo. Esta relación de corrientes parásitas y flujos crea un par proporcional a la corriente de entrada del devanado primario, debido a que las dos rutas de flujo están desfasadas 90°.
En una condición de sobrecorriente, se alcanzará un valor de corriente que supera la presión del resorte de control sobre el husillo y el imán de frenado, lo que hace que el disco metálico gire hacia el contacto fijo. Este movimiento inicial del disco también se mantiene a un valor positivo crítico de corriente mediante pequeñas ranuras que a menudo se cortan en el costado del disco. El tiempo que tarda la rotación para hacer 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 divisiones lineales del tiempo de rotación completo.
Siempre que el relé esté libre de suciedad, el disco metálico y el husillo con su contacto llegarán al contacto fijo, enviando así una señal de disparo y aislamiento del circuito, dentro del tiempo de diseño y las especificaciones vigentes. La corriente de caída del relé es mucho menor que su valor de funcionamiento y, una vez alcanzada, el relé se restablecerá en movimiento inverso mediante la presión del resorte de control gobernado por el imán de frenado.
La aplicación de amplificadores electrónicos a relés de protección se describió ya en 1928, utilizando amplificadores de tubos de vacío y continuó hasta 1956. [17] Se estudiaron dispositivos que utilizaban tubos de electrones, pero nunca se aplicaron como productos comerciales, debido a las limitaciones de los amplificadores de tubos de vacío. Se requiere una corriente de reserva relativamente grande para mantener la temperatura del filamento del tubo; Se requieren altos voltajes incómodos para los circuitos y los amplificadores de válvulas tuvieron dificultades con un funcionamiento incorrecto debido a perturbaciones de ruido.
Los relés estáticos tienen pocas o ninguna pieza móvil y se volvieron prácticos con la introducción del transistor . Los elementos de medición de relés estáticos se han construido con éxito y de forma económica a partir de diodos , diodos Zener , diodos de avalancha , transistores unijunción , 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 un suministro separado, no de los circuitos de señal. Los relés estáticos eliminaron o redujeron el rebote de los contactos y pudieron proporcionar un funcionamiento rápido, una larga vida útil y un bajo mantenimiento. [19]
Los relés de protección digitales estaban en su infancia a finales de los años 1960. [20] [21] A principios de la década de 1970 se probó un sistema de protección digital experimental en el laboratorio y en el campo. [22] [23] A diferencia de los relés mencionados anteriormente, los relés de protección digitales tienen dos partes principales: hardware y software [24] : 5 . El primer relé de protección digital disponible comercialmente en el mundo fue introducido en la industria eléctrica en 1984 por Schweitzer Engineering Laboratories (SEL), con sede en Pullman, Washington. [3] A pesar del desarrollo de algoritmos complejos para implementar funciones de protección, los relés basados en microprocesadores comercializados en la década de 1980 no los incorporaban. [25] Un relé de protección digital basado en microprocesador puede reemplazar las funciones de muchos instrumentos electromecánicos discretos. Estos relés convierten voltajes y corrientes a formato digital y procesan las mediciones resultantes utilizando un microprocesador. El relé digital puede emular 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 autoprueba para confirmar su preparación y emitir una alarma si se detecta una falla. Los relés digitales también pueden proporcionar funciones tales como interfaz de comunicaciones ( SCADA ), monitoreo de entradas de contactos, medición, análisis de formas 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 de terminales múltiples de larga distancia o en líneas que están compensadas en serie o en derivación [24] : 3 También ofrecen beneficios en la autoprueba y la comunicación con los sistemas de control de supervisión.
La distinción entre relé de protección digital y numérico se basa en puntos de fino detalle técnico y rara vez se encuentra en áreas distintas a la Protección [28] : Capítulo 7, pág. 102 . Los relés numéricos son producto de los avances tecnológicos de los relés digitales. Generalmente, existen varios tipos diferentes de relés de protección numérica. Sin embargo, cada tipo comparte una arquitectura similar, lo que permite a los diseñadores crear una solución de sistema completa basada en una cantidad relativamente pequeña 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]
Las diversas 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 protector de sobrecorriente temporizado.
Un relé de sobrecorriente es un tipo de relé de protección que funciona cuando la corriente de carga excede un valor de activación. Es de 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 funcionar a un nivel de corriente específico o por encima de él. Cuando el relé opera, uno o más contactos operarán y se energizarán para disparar un disyuntor. El relé DTOC se ha utilizado ampliamente en el Reino Unido, pero su problema inherente de funcionar más lentamente para fallas más cercanas a la fuente llevó al desarrollo del relé IDMT. [1] : págs. 30-31
Un relé de sobrecorriente de tiempo definido (DTOC) es un relé que funciona después de un período de tiempo definido una vez que la corriente excede el valor de activación. Por lo tanto, este relé tiene un rango de configuración actual así como un rango de configuración de tiempo.
Un relé de sobrecorriente instantáneo es un relé de sobrecorriente que no tiene un retraso de tiempo intencional para su funcionamiento. Los contactos del relé se cierran instantáneamente cuando la corriente dentro del relé supera el valor operativo. El intervalo de tiempo entre el valor de activación instantánea y el cierre de los contactos del relé es muy pequeño. Tiene un tiempo de funcionamiento bajo y comienza a funcionar instantáneamente cuando el valor de la corriente es mayor que la configuración del relé. Este relé opera sólo cuando la impedancia entre la fuente y el relé es menor que la proporcionada en la sección. [33]
Un relé de sobrecorriente de tiempo inverso (ITOC) es un relé de sobrecorriente que opera solo cuando la magnitud de su corriente de operación es inversamente proporcional a la magnitud de las cantidades energizadas. El tiempo de funcionamiento del relé disminuye con los aumentos de la corriente. El funcionamiento del relé depende de la magnitud de la corriente. [33]
Los relés de tiempo mínimo definido inverso (IDMT) son relés de protección que se desarrollaron para superar las deficiencias de los relés de sobrecorriente de tiempo definido (DTOC). [1] : págs. 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 usar la protección contra sobrecorriente IDMT [35] : 11 para lograr 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 la característica del relé IDMT no se puede explotar y se puede utilizar DTOC. [36] : 42 En segundo lugar, si la impedancia de la fuente varía y se debilita con menos generación durante cargas ligeras, esto conduce a un tiempo de eliminación más lento, negando así el propósito del relé IDMT. [37] : 143
La norma IEC 60255-151 especifica las curvas del relé IDMT como se muestra a continuación. Las cuatro curvas de la Tabla 1 se derivan de la norma británica BS 142, ahora retirada. [38] Las otras cinco, en 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 voltaje [40] : 3 . Es posible programar curvas personalizadas en algunos relés de protección [41] : págs. Ch2-9 y otros fabricantes [42] : 18 tienen curvas especiales específicas para sus relés. Algunos relés numéricos se pueden utilizar para proporcionar protección contra sobretensión de tiempo inverso [43] : 6 o protección contra sobrecorriente de secuencia negativa. [44] : 915
I r = es la relación entre la corriente de falla y la corriente de configuración del relé o un multiplicador de configuración del enchufe. [45] : pág. 73 "Plug" es una referencia de la era de los relés electromecánicos y estaba disponible en pasos discretos [1] : pág. 37 . TD es la configuración de marcación de tiempo.
Las ecuaciones anteriores dan como resultado una "familia" de curvas como resultado del uso de diferentes configuraciones de configuración del multiplicador de tiempo (TMS). Es evidente a partir de las ecuaciones características del relé que un TMS mayor dará como resultado un tiempo de eliminación más lento para un valor de PMS (Ir ) dado .
Los relés de distancia , también conocidos como relé de impedancia , se diferencian en principio de otras formas de protección en que su rendimiento no se rige por la magnitud de la corriente o tensión en el circuito protegido sino más bien por la relación de estas dos cantidades. Los relés de distancia son en realidad relés de doble cantidad de actuación con una bobina energizada por voltaje y la otra bobina por corriente. El elemento actual produce un par positivo o de activación, mientras que el elemento de voltaje produce un par negativo o de reinicio. El relé funciona sólo cuando la relación V/I cae por debajo de un valor predeterminado (o valor establecido). Durante una falla en la línea de transmisión, la corriente de falla aumenta y el voltaje en el punto de falla disminuye. La relación V/I [46] se mide en la ubicación de los CT y PT . El voltaje en la ubicación del PT depende de la distancia entre el PT y la falla. Si el voltaje medido 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 un disparo del relé incluso en ausencia de falla. [47] : 467
Un esquema diferencial actúa sobre la diferencia entre la corriente que ingresa a una zona protegida (que puede ser una barra colectora, un generador, un transformador u otro aparato) y la corriente que sale de esa zona. Una falla fuera de la zona genera la misma corriente de falla en la entrada y salida de la zona, pero las fallas dentro de la zona se muestran 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 únicamente por la ubicación de los transformadores de corriente . Por lo tanto, no se requiere clasificación de tiempo con otros sistemas de protección, lo que permite el disparo. sin demora adicional. Por lo tanto, la protección diferencial es adecuada como protección principal rápida para todos los elementos importantes de la instalación." [48] : 15
La protección diferencial se puede utilizar para brindar protección a zonas con múltiples terminales [49] [50] y se puede usar para proteger líneas, [51] generadores, motores, transformadores y otras plantas eléctricas.
Se deben elegir transformadores de corriente en un esquema diferencial para que tengan una respuesta casi idéntica a altas sobrecorrientes. Si una "falla directa" da como resultado que un conjunto de transformadores de corriente se sature antes que otro, la protección diferencial de zona verá una corriente de "operación" falsa y puede dispararse en falso.
Los disyuntores GFCI ( interruptor de circuito de falla a tierra ) combinan protección contra sobrecorriente y protección diferencial (no ajustable) en módulos estándar comúnmente disponibles. [ cita necesaria ]
Un relé direccional utiliza una fuente polarizadora adicional de voltaje o corriente para determinar la dirección de una falla. Los elementos direccionales responden al cambio de fase entre una cantidad polarizadora y una cantidad operativa. [52] La falla puede ubicarse aguas arriba o aguas abajo de la ubicación del relé, lo que permite operar dispositivos de protección adecuados dentro o fuera de la zona de protección.
Un relé de verificación de sincronismo proporciona un cierre de contacto cuando la frecuencia y la fase de dos fuentes son similares dentro de algún margen de tolerancia. A menudo se aplica un relé de "verificación de sincronización" cuando dos sistemas de energía están interconectados, como en un patio de distribución que conecta dos redes eléctricas, o en un disyuntor de generador para garantizar que el generador esté sincronizado con el sistema antes de conectarlo.
Los relés también se pueden clasificar según el tipo de fuente de alimentación que utilizan para funcionar.
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