Relé de protección

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 eran dispositivos electromagnéticos, que dependían de bobinas que operaban sobre partes móviles para proporcionar detección de condiciones operativas anormales como sobrecorriente, sobrevoltaje , flujo de potencia inverso , sobrefrecuencia y subfrecuencia. ^[2]

Los relés de protección digitales de estado sólido basados en microprocesadores emulan ahora los dispositivos originales, además de proporcionar tipos de protección y supervisión que no son prácticos con los relés electromecánicos. Los relés electromecánicos proporcionan solo una indicación rudimentaria de la ubicación y el origen de una falla. ^[3] En muchos casos, un solo relé con microprocesador proporciona funciones que requerirían dos o más dispositivos electromecánicos. Al combinar varias funciones en una caja, los relés numéricos también ahorran costos de capital y costos de mantenimiento en comparación con los relés electromecánicos. ^[4] Sin embargo, debido a su vida útil muy larga, decenas de miles de estos "centinelas silenciosos" ^[5] aún protegen líneas de transmisión y aparatos eléctricos en todo el mundo. Las líneas de transmisión y los generadores importantes tienen cubículos dedicados a la protección, con muchos dispositivos electromecánicos individuales o uno o dos relés con microprocesador.

La teoría y la aplicación de estos dispositivos de protección son una parte importante de la formación de un ingeniero de energía que se especializa en la protección de sistemas de energía . La necesidad de actuar rápidamente para proteger circuitos y equipos a menudo requiere que los relés de protección respondan y disparen un disyuntor en cuestión de unas pocas milésimas de segundo. En algunos casos, estos tiempos de despeje 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]

Dependiendo de la aplicación final y la legislación aplicable, varias normas como ANSI C37.90, IEC255-4, IEC60255-3 e IAC regulan el tiempo de respuesta del relé a las condiciones de falla que puedan ocurrir. ^[8]

Principios de funcionamiento

Los relés de protección electromecánicos funcionan por atracción magnética o 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 otro parámetro operativo) 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, ^{[ aclaración necesaria ]} y redes de cambio de fase.

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

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

Se pueden utilizar varias bobinas de operación para proporcionar "polarización" al relé, lo que permite que la sensibilidad de respuesta en un circuito sea controlada por otro. Se pueden producir varias combinaciones de "par de operación" y "par de restricción" en el relé.

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 a la de otra. Estos relés polarizados se utilizan en circuitos de corriente continua para detectar, por ejemplo, la corriente inversa en un generador. Estos relés se pueden hacer biestables, manteniendo un contacto cerrado sin corriente de bobina y requiriendo corriente inversa para restablecerse. Para circuitos de CA, el principio se extiende con un devanado polarizador conectado a una fuente de voltaje de referencia.

Los contactos livianos permiten la creación de relés sensibles que funcionan rápidamente, pero los contactos pequeños no pueden transportar ni interrumpir corrientes fuertes. 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 de operación 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 se activa, para mostrar una señal distintiva de color cuando el relé se ha disparado. ^[11]

Tipos según construcción

Electromecánico

Los relés electromecánicos se pueden clasificar en varios tipos diferentes como sigue:

Los relés de tipo "armadura" tienen una palanca pivotante apoyada sobre una bisagra ^[12] o pivote de filo de cuchillo, que lleva un contacto móvil. Estos relés pueden funcionar con corriente alterna o continua, pero para la 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 funcionado, la corriente necesaria para mantener el relé cerrado es mucho menor que la corriente para hacerlo funcionar 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 variante de aplicación del principio de atracción es el operador de tipo émbolo o solenoide. Un relé de láminas 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 medidores pueden fabricarse con una sensibilidad muy alta. Otro tipo de bobina móvil suspende la bobina de dos ligamentos conductores, lo que permite un recorrido muy largo de la bobina.

Relé de sobrecorriente de disco de inducción

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

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

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

De la ecuación anterior se pueden extraer las siguientes conclusiones importantes: ^[15]

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

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

En una condición de sobrecorriente, se alcanzará un valor de corriente que supere la presión del resorte de control sobre el husillo y el imán de frenado, lo que hará que el disco de metal gire hacia el contacto fijo. Este movimiento inicial del disco también se mantiene hasta un valor crítico positivo de corriente mediante pequeñas ranuras que a menudo se cortan en el costado del disco. El tiempo que tarda la rotación en hacer los contactos no solo depende de la corriente, sino también de la posición del tope trasero del husillo, conocida como el 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 eje con su contacto alcanzarán el contacto fijo, enviando así una señal para disparar y aislar el circuito, dentro de las especificaciones de tiempo y corriente diseñadas. La corriente de caída del relé es mucho menor que su valor operativo y, una vez alcanzada, el relé se reiniciará en un movimiento inverso por la presión del resorte de control gobernado por el imán de frenado.

Estático

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

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

Digital

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

Numérico

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]^{: Cap. 7, pág. 102.} Los relés numéricos son el producto de los avances en la tecnología de los relés digitales. Generalmente, hay varios tipos diferentes de relés de protección numéricos. Sin embargo, cada tipo comparte una arquitectura similar, lo que permite a los diseñadores construir una solución de sistema completa que se basa en un número relativamente pequeño de componentes flexibles. ^[8] Utilizan procesadores de alta velocidad que ejecutan algoritmos apropiados ^[18]^{: 51.} [ ^29]^[30] La mayoría de los relés numéricos también son multifuncionales ^[31] y tienen múltiples grupos de configuración, cada uno a menudo con decenas o cientos de configuraciones. ^[32]

Relés por funciones

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

Relé de sobrecorriente

Un relé de sobrecorriente es un tipo de relé de protección que funciona cuando la corriente de carga supera 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 funciona, uno o más contactos se activarán y se activarán para disparar un disyuntor. El relé DTOC se ha utilizado ampliamente en el Reino Unido, pero su problema inherente de funcionamiento más lento para fallas más cercanas a la fuente condujo al desarrollo del relé IDMT. ^[1]^{: pp 30-31}

Relé de sobrecorriente de tiempo definido

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 ajuste de corriente y un rango de ajuste de tiempo.

Relé de sobrecorriente instantáneo

Un relé de sobrecorriente instantáneo es un relé de sobrecorriente que no tiene un retardo de tiempo intencional para su funcionamiento. Los contactos del relé se cierran instantáneamente cuando la corriente dentro del relé aumenta más allá del valor operativo. El intervalo de tiempo entre el valor de activación instantáneo y el cierre de los contactos del relé es muy bajo. Tiene un tiempo de funcionamiento bajo y comienza a funcionar instantáneamente cuando el valor de la corriente es mayor que el ajuste del relé. Este relé funciona solo cuando la impedancia entre la fuente y el relé es menor que la provista en la sección. ^[33]

Relé de sobrecorriente de tiempo inverso

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

Relé de tiempo mínimo definido inverso

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]^{: pp 30-31}^[34]^{: 134}

Si la impedancia de la fuente permanece constante y la corriente de falla cambia apreciablemente a medida que nos alejamos del relé, entonces es ventajoso utilizar la protección de sobrecorriente IDMT ^[35]^{: 11} para lograr una protección de alta velocidad en una gran sección del circuito protegido. ^[28]^{: 127} Sin embargo, si la impedancia de la fuente es significativamente mayor que la impedancia del alimentador, entonces 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 despeje más lento, anulando así el propósito del relé IDMT. ^[37]^{: 143}

La norma IEC 60255-151 especifica las curvas de 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 utilizar 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]^{: pp 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 ajuste del relé o un multiplicador de ajuste del enchufe. ^[45]^{: pp 73} "Enchufe" es una referencia de la era del relé electromecánico y estaba disponible en pasos discretos. ^[1]^{: pp 37 TD es el ajuste del dial de tiempo.}

$PSM={\frac {Primary\ fault\ current}{Relay\ current\ setting\ \times \ CT\ ratio}}$

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

Relevo de distancia

Los relés de distancia , también conocidos como relés de impedancia , difieren en principio de otras formas de protección en que su rendimiento no está regido por la magnitud de la corriente o el voltaje 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 otra bobina por corriente. El elemento de corriente produce un par positivo o de arranque mientras que el elemento de voltaje produce un par negativo o de reinicio. El relé opera solo cuando la relación V/I cae por debajo de un valor predeterminado (o valor 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 TC y TP . El voltaje en la ubicación del TP depende de la distancia entre el TP y la falla. Si el voltaje medido es menor, eso significa que la falla está más cerca y viceversa. De ahí la protección llamada 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 una falla. ^[47]^{: 467}

Esquema de protección diferencial actual

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

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

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

Los transformadores de corriente en un esquema diferencial deben elegirse para que tengan una respuesta casi idéntica a las sobrecorrientes altas. Si una "falla de paso" hace 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 por falla a tierra ) combinan protección contra sobrecorriente y protección diferencial (no ajustable) en módulos estándar, comúnmente disponibles. ^{[ cita requerida ]}

Relé direccional

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

Comprobación de sincronismo

Un relé de verificación de sincronismo proporciona un cierre de contacto cuando la frecuencia y la fase de dos fuentes son similares dentro de un margen de tolerancia. Un relé de "verificación de sincronismo" se aplica a menudo 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.

Fuente de poder

Los relés también se pueden clasificar según el tipo de fuente de alimentación que utilizan para funcionar.

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

Los relés autoalimentados funcionan con energía derivada del circuito protegido, a través de los transformadores de corriente utilizados para medir la corriente de línea, por ejemplo. Esto elimina el problema de costo y confiabilidad de una fuente de alimentación independiente.
Los relés con alimentación auxiliar dependen de una batería o de una fuente de alimentación de CA externa. Algunos relés pueden utilizar tanto CA como CC. La fuente de alimentación auxiliar debe ser muy confiable durante una falla del sistema.
Los relés de doble alimentación también pueden recibir alimentación auxiliar, de modo que todas las baterías, cargadores y otros elementos externos se vuelven redundantes y se utilizan como respaldo.

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Enlaces externos

Texto en línea de la edición de 1949 de Silent Sentinels