CT181 - Las Protecciones Direccionales

7/30/2019 CT181 - Las Protecciones Direccionales

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Cuaderno Técnico n°181 / p. 1

Cuaderno Técnico nº 181

Las protecciones direccionales

P. Bertrand




La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen lasnovedades electrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros yTécnicos que precisen una información específica o más amplia, quecomplemente la de los catálogos, guías de producto o noticias técnicas

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan enlas instalaciones, los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata enprofundidad un tema concreto del campo de las 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 181 de Schneider Electric».



cuadernotécnico no 181

las proteccionesdireccionales

Por: Pierre Bertrand

Trad.: Dr. M. Cortes

Edición francesa: julio 96

Versión española: enero 2000

Pierre BERTRAND

Ingeniero INPG (Institut NacionalPolytechnique de Grenoble) en 1979.

Entra en Merlin Gerin en 1983 y hasta1986 lleva a cabo diversos estudiossobre el funcionamiento y lasperturbaciones de la redes eléctricas.

Después pasa a Protección y Mando-Control, donde realiza diversasfunciones técnicas y de marketing.

Actualmente es responsable del grupode expertos electrotécnicos en elservicio técnico de esta actividad.




terminología

ángulo de bifurcación (de una

protección direccional de fase):ángulo entre la magnitud depolarización elegido y la tensión fase-tierra de la fase vigilada (figura 14)califica la magnitud de polarización.

ángulo característico (de unaprotección direccional): ángulo entrela magnitud de polarización y la normalal semi-plano de disparo (figura 10).

AT-A (media tensión): 1 a 50 kV,según la legislación francesa.

código ANSI: codificación numérica deuna función de protección, definida porla norma ANSI C37-2.

homopolar (corriente o tensión enuna red trifásica): 1/3 de la magnitudresidual.

magnitud de polarización (de una

protección direccional): magnitudutilizada como referencia de fase.

plan de protección: conjunto de lasprotecciones puestas en servicio sobreuna red eléctrica para asegurar ladetección de defectos y la puesta sintensión de la más pequeña porción dela red en defecto.

protección diferencial: protección dezona que detecta un defecto por lamedida y comparación de las

corrientes a la entrada y a la salida dela zona o de un equipamientoprotegido.

protección direccional: protecciónque permite detectar un defecto haciaarriba o hacia abajo (en una direccióndada) de su emplazamiento.

protección de fase: protección que

controla las magnitudes de fase(corriente y/o tensión).

protección de tierra: protección quecontrola las magnitudes residuales(corriente y/o tensión) para detectar undefecto a tierra.

p.u.: valor de pico de la tensión simple.

relé (de protección): aparato quecontrola una de las magnitudeseléctricas (corriente y/o tensión), engeneral para detectar un defecto yordenar la apertura de un interruptorautomático.

residual: (corriente o tensión, en unared trifásica): suma vectorial de lasmagnitudes de las tres fases.

tensión compuesta (notación): V32 =V2 - V3.




Este Cuaderno Técnico tiene el objetode explicar las protecciones más útilesde redes y máquinas de AT: las«direccionales».

Usadas junto a la selectividad lógicahan conseguido, con su actual

desarrollo digital, un gran avance encuanto a fiabilidad y simplicidad deinstalación, además de una reducciónde su coste.

Contribuyen de forma importante a laelección de arquitecturas de la red y delos sistemas de selectividad quemejoran la disponibilidad de la energíaeléctrica.

Después de una somera explicacióndel principio de funcionamiento, elautor presenta sus numerosasaplicaciones y da algunasinformaciones útiles sobre suinstalación.

Índice

1 Introducción misión de las protecciones p. 6direccionales

aplicaciones p. 6

cógigos y símbolos de los p. 7diversos tipos de relés

2 Descripción de los relés protección direccional de tierra p. 8

protecciones direccionales p. 11de fase

protección de potencia p. 12

3 Aplicaciones de las protecciones protección de redes radiales p. 13

protección de redes en bucle p. 17

protección de alternadores p. 18

4 Instalación elección de los reductores de p. 21

medidaelección de una protección p. 22bi o trifásica

protección de transformadores p. 22en paralelo

5 Evolución y perspectivas evolución de la tecnología p. 23de las protecciones

evolución de los sensores p. 23

a modo de conclusión p. 23

direccionales

Las protecciones direccionales

direccionales




misión de las proteccionesdireccionalesEl objetivo fundamental de lasprotecciones de una red eléctrica esdetectar un defecto eléctrico ydesconectar la sección de la red en laque tiene lugar el defecto, de formaque esta sección sea la menor posible.

La protección direccional permitediscriminar la parte de la red con un

defecto mucho mejor que lo hace unaprotección contra sobrecorrientes.

Esta protección diferencial esnecesaria en caso de defecto:

n si hay varias fuentes,

n si hay bucles cerrados o cables enparalelo,

n con neutro aislado para el retorno decorrientes capacitivas,

n y para detectar el sentido anormalde circulación de la energía eléctricaactiva o reactiva (máquinas giratorias).

Así, en el caso de una red con dos

fuentes, como la de la figura 1, lasprotecciones contra sobrecorrientesactuarían.

Las protecciones direccionales decorriente solamente se puedendisparar cuando se produce el defecto.

Es la medida del sentido del flujo de lacorriente, es decir, de la medida deldefasaje entre la corriente y la tensión,la que permite detectar la dirección enla que se encuentra el defecto.

Las protecciones de máximapotencia miden o la potencia activa ola potencia reactiva que pasa por el

punto en donde están colocados lossensores de corriente.

La protección comprueba si la potenciaes superior a un umbral o si circula enel sentido normal.

Puede igualmente usarse para detectarun sentido anormal de circulación de laenergía.

Las protecciones direccionales depotencia y de corriente necesitan medirla corriente y la tensión.

aplicacionesLas protecciones direccionales sonútiles en cualquier punto de la reddonde el sentido de circulación de laenergía es susceptible de cambiar,especialmente después de uncortocircuito entre fases y/o un defectoa tierra (defecto monofásico).

n la protección direccional de «fase»se instala para proteger dos enlacesusados en paralelo, un bucle o una

sección de red que enlaza dos fuentesde energía (figura 2).

n la protección direccional de «tierra»es sensible al sentido de circulación dela corriente a tierra. Desde el momentoque la corriente de defecto fase-tierrase reparte entre varios sistemas depuesta a tierra, es necesario instalarprotecciones direccionales de tierra.

Ahora bien, esta corriente circula nosólo por la (o las) puesta a tierra delneutro de la red, sino también por lascapacidades fase-tierra de las líneas y

de los cables (1 km de cable a 20 kVprovoca la circulación de una corrientecapacitiva del orden de 3 a 4amperios).

fig. 2: la protección direccional (1) dispara

porque el sentido de circulación de la

corriente es anormal.fig.1: figura que simboliza el objetivo de las protecciones direccionales.

1 Introducción

sentido de detección de la protección

sentido de circulación de la corriente de defecto

1 2




La protección contra máxima corrienteresidual direccional, así como laprotección vatimétrica homopolar seutilizan normalmente para proteger las

salidas que tienen una corrientecapacitiva del mismo orden demagnitud que la corriente de defecto atierra. Sobre estas salidas, lascapacidades fase-tierra tienen un valorsuficientemente importante como paraque por ellas circule una corrientehomopolar, que la proteccióndetectará, cuando se produzca en lared un cortocircuito fase-tierra y dondequiera que esté situada (figura 3).

Las protecciones direccionales sonpues un medio complementario de lasprotecciones de máxima intensidad,permitiendo, en las situaciones antescitadas, asegurar una buenadiscriminación de la sección de la redcon defecto.

Las protecciones de potencia activa oreactiva se utilizan para detectar unfuncionamiento anormal de la red,distinto de un cortocircuito; porejemplo, la absorción de energía activao reactiva por parte de un alternadorhabitualmente encargado deproducirla.

códigos y símbolos de losdiversos tipos de relésPara cada uno de los códigos ANSI, la

tabla de la figura 4 agrupa, en uno ovarios tipos de protección, precisandopara cada uno de ellos, los nombresusuales y los campos de empleo.

fig. 4: código ANSI, símbolos y aplicaciones.

símbolo gráfico código ANSI nombres usuales campo de utilización(C37-2)

67 n máxima corriente residual detección direccional de cortocircuitosn direccional de fase entre fases

67 N n máxima corriente residual direccional detección direccional de defectos fase-tierran direccional de tierran vatímetro homopolar

32 P n máxima potencia activan retorno de potencia activa

32 Q n máxima potencia reactiva protección de generadores y de motoresn retorno de potencia reactiva síncronos

o

32 P n mínima potencia activa detección de una circulación anormal depotencia

32 Q n mínima potencia reactiva

I

I r

P >

Q >

P <

Q <

fig. 3: la protección direccional de corriente

residual (2) no dispara, porque el sentido de

la corriente es inverso.

1 2




fig. 7: medida de la tensión residual

mediante TT con dos arrollamientos

secundarios.

fig. 5: medida de la corriente residual

mediante 3 TI.

2 Descripción de los relés direccionales

Para medir una potencia o paralocalizar un defecto aguas arriba oaguas abajo del punto donde se midela corriente, hay que determinar eldefasaje de esta corriente con unamagnitud de referencia: tensión entrefases, para la dirección de la corrientede fase, o tensión residual, para ladirección de la corriente a tierra.

Esta magnitud de referencia sedenomina magnitud de polarización.

protección direccional detierraMagnitudes de entradaEsta protección mide la corrienteresidual y utiliza generalmente comomagnitud de polarización la tensiónresidual, que no conviene confundircon la tensión homopolar. Recordemosque en todo sistema trifásico, F1, F2,F3, la teoría de las componentessimétricas define la magnitudhomopolar Fh por:

( )3F

2F

1F

3

1

hF

rrrr

++= .

La magnitud residual 3F

2F

1F

rF

rrr

++=

es tres veces mayor que la magnitudhomopolar.

n la corriente residual se mide o contres transformadores de intensidad(TI), uno por fase, o mediante un solotoroide que abarque las tres fases:

o la utilización de tres TI (figura 5)tiene sus ventajas:

– los TI se encuentran fácilmente en elmercado,

– es posible medir con ellos corrientesimportantes,

o pero hay ciertos inconvenientes:

– la saturación de los TI en elmomento del cortocircuito o en laconexión de un transformador provocauna falsa corriente residual,

– en la práctica, el umbral no puederegularse a un valor inferior al 10 % dela In del TI,

o la medida realizada por un toroideque abarque las tres fases (figura 6):

– tiene la ventaja de tener una gransensibilidad,

– pero un inconveniente: el toroide(aislado de la baja tensión) no tieneasegurado su aislamiento porinstalarse alrededor de un cable noblindado,

n la tensión residual se mide con trestransformadores de tensión (TT);

normalmente, se usan TT con dossecundarios (figura 7): el primero,conectado en estrella, permite lamedida de las tensiones simples ycompuestas; el segundo, conectado entriángulo abierto, permite medir latensión residual.

Si los TT principales sólo tienen unsecundario y además están

conectados en estrella, se puedeutilizar un juego de TT auxiliares paramedir la tensión residual (figura 8). Uncaso como el de la figura se encuentranormalmente cuando se ha procedidoa un plan de mejora de la protecciónde instalaciones ya existentes.

fig. 6: medida de la corriente residual con un

único toroide.

fig. 8: medida de le tensión residual con TT

auxiliares.

I1 I2 I3

i = i + i + ir 1 2 3

i2

i1

i3

I1 I2 I3

ir

v = v + v + vr 1 2 3

TTprincipales

TTauxiliares

v = v + v + vr 1 2 3




Hay que indicar que ciertasprotecciones no necesitan TTauxiliares y calculan por sí mismas latensión residual a partir de tres

tensiones simples.

n la magnitud de polarización de unrelé direccional de tierra es, en lamayor parte los de casos, la tensiónresidual; pero puede también usarse lacorriente en la puesta a tierra delneutro de la instalación (figura 9).

En teoría, estas dos formas depolarizar la protección sonequivalentes. Si Zh es la impedanciahomopolar del transformador y Zn laimpedancia del punto neutro, la tensiónresidual Vr y la corriente del punto

neutroIn están relacionadas por larazón de proporcionalidad siguiente

(escrita en números complejos):

Vr = (Zh + 3Zn) In.

En la práctica, la polarización por lacorriente del punto neutro estáreservada a las redes que tienen unacorriente de defecto a tierra importante(varios centenares de amperios) y muysuperior a la corriente debida a lascapacidades parásitas de la red.

Entonces, la medida de la corriente esmás precisa que la medida de latensión residual, cuyo valor es bajo.

Sólo puede instalarse en centros detransformación y cerca de la puesta atierra del neutro.

Ángulo característico

Para determinar la dirección deldefecto, la protección mide el defasajeentre la corriente y la magnitud depolarización. Si la magnitud depolarización no está en el eje desimetría de acción del relé (ejecaracterístico —figura 10), esnecesario volver a poner en fase elrelé; esto se hace con el reglaje del

ángulo característico.Después del estudio del plan deprotección, el ángulo característico delas protecciones direccionales debe dedeterminarse de forma que tododefecto en la dirección de detecciónescogida provoque una corrientesituada en la zona de disparo y quetodo defecto en la otra direcciónprovoque una corriente situada fuerade esta zona.

El ángulo característico depende de lamagnitud de polarización escogida y

del régimen de neutro de la red (paralos relés direccionales de corrienteresidual). Normalmente, el ángulocaracterístico es, por tanto, regulable.

Los principales casos de aplicación ylos reglajes correspondientes se veránen el capítulo 3.

Para poder hacer la medida deldefasaje entre la corriente y la

magnitud de polarización, esindispensable que esta última tengauna amplitud suficiente (en general≥0,5 al 2 % del valor nominal de la

magnitud). Si la magnitud depolarización es inferior a este margen,la protección no funciona, cualquieraque sea el valor de la corrientemedida.

fig. 10: ángulo característico de una protección.

fig. 9: los dos tipos de polarización de una protección direccional de tierra.

Ih > Ih >

polarización mediantela tensión residual

polarización mediante lacorriente del punto neutro

valor depolarización

corriente queproduce la

desconexión

zona dedesconexión

ángulocaracterístico

ejecaracterístico

zona deno desconexión




Principios de detección

Coexisten tres principios de detecciónque corresponden a necesidadesdiferentes y, a veces también, acostumbres diferentes:

n funcionamiento con corrientemáxima direccional;

n medida de la proyección decorriente;

n medida de la potencia activaresidual.

Las dos primeras corresponden aprotecciones direccionales de corrientede «fase» o de «tierra»; la tercera a unrégimen de neutro particular.

n funcionamiento con relé de máxima

corriente direccional (figura 11).Este tipo de relé direccional estáconstituido por la asociación de unaprotección contra corriente máximacon un elemento de medida deldefasaje entre la corriente y lamagnitud de polarización.

El disparo depende de las doscondiciones siguientes:

o que la corriente sea superior alumbral, y

o que el defasaje entre la corriente yla magnitud de polarización centrado

mediante el ángulo característico, estécomprendido en la zona: + 90º; – 90º.

n medida de la proyección de lacorriente (figura 12).

Estas protecciones calculan laproyección de la corriente sobre larecta característica. A continuación, elvalor obtenido se compara con lareferencia para decidir el disparo.

n medida de la potencia activaresidual.

Estas protecciones midenefectivamente una potencia activa

residual y su umbral se expresa enVatios. Hay que diseñarlas para evitarun funcionamiento intempestivo debidoa las imprecisiones de medida en casode gran corriente residual capacitiva(gran potencia residual reactiva); lazona de funcionamiento es reducida,como lo muestra la figura 13.

Para detectar los defectos a tierra, elprincipio más universal es la medidade la proyección de corriente.

La utilización de los relés de corrientemáxima direccionalizados no esigualmente adecuada para todos los

fig. 11: característica de funcionamiento de una protección de máxima corriente

direccionalizada.

fig. 12: característica de funcionamiento de una protección que mida la proyección de corriente.

valor depolarización

zona dedesconexión


zona deno desconexión

umbral

magnitud depolarización

zona dedisparo


ejecaracterístico

zona deno disparo

I

umbral




regímenes de neutro (el capítulo 3muestra que este principio no puedeutilizarse con neutro compensado).

El uso de la protección midiendo lapotencia activa residual está limitado alas redes con neutro compensado, encompetencia con los relés deproyección de la corriente.

protecciones direccionalesde faseÁngulo de derivación, ángulocaracterístico

n normalmente, estas proteccionesson bifásicas y compuestas por doselementos monofásicos

independientes. A veces se necesitauna protección trifásica (ver § 4). Paracada fase vigilada, el relé mide lacorriente en la fase y utiliza comomagnitud de polarización una tensióncompuesta. La tensión simple no seutiliza, puesto que varía mucho si eldefecto es a tierra, por efecto deldesplazamiento del punto neutro(tensión residual),

n cuando el relé mide la corriente en lafase 1, la tensión de polarización quemás se usa es V2-V3. Se diceentonces que el ángulo de derivación

de la protección es de 90º (figura 14),n el ánguIo característico de unaprotección direccional de fase define,de la misma manera que para unaprotección direccional de tierra, laorientación de la zona angular dedisparo. Es el ángulo que forma lanormal al semiplano de disparo con lamagnitud de polarización,

n para poder efectuar la medida de ladirección del defecto, la magnitud depolarización (la tensión) debe de tenerun valor suficiente. En el caso concretode un defecto trifásico franco muy

próximo a un relé direccional no esdetectado por éste puesto que todaslas tensiones compuestas son nulas.Para asegurar la detección de este tipode defecto es necesario que la protec-ción utilice una memoria de tensión.

Principios de detección

Los relés direccionales de fasefuncionan o como protecciones decorriente máxima direccionalizadas, omediante la medida de la proyecciónde la corriente sobre la rectacaracterística (figuras 11 y 12).

fig. 13: característica de funcionamiento de una protección que mide la potencia activa

homopolar.

fig. 14: el relé que mide la corriente I 1 y la tensión V2-V3 tiene un ángulo de derivación de 90°.

zona dedesconexión

Vh P

Q

magnitud depolarización

zona dedisparo

corriente queprovoca el

disparo


zona deno disparo

90o: ángulode conexión

I1V3 V2

V1

V2 - V3




Recordemos que este método permitemedir la potencia a partir de doscorrientes y de dos tensionescompuestas (figura 15). Se aplica a

una red trifásica, equilibrada o no,siempre que no circule ningunacorriente homopolar. En concreto estemétodo no se aplica nunca una red deBT de cuatro hilos, es decir, a una redcuyo neutro está distribuido y quealimenta cargas monofásicasconectadas entre fase y neutro.

La potencia activa viene dada por lafórmula:

P = I1.U31cos(I1,U31) + I2.U32cos(I2,U32).

Del mismo modo, la potencia reactivase calcula con la fórmula:

Q = I1.U31sen(I1,U31) + I2.U32 sen(I2,U32).

La potencia así medida es unamagnitud algebraica, cuyo signo indicael sentido de circulación de la energía.Las protecciones de potencia son puesnaturalmente direccionales.

Aunque hay en el mercado relésfuncionando según estos dosprincipios, es preferible el relé decorriente máxima direccionalizado.

La coordinación con las proteccionesde corriente máxima es mucho másfácil, pues el umbral de detección esindependiente de la fase de lacorriente.

La medida de la potencia no se utilizapara la detección de los cortocircuitos.La potencia no es un buen criterio dedetección del defecto puesto que,cuando hay un defecto entre fases, suvalor es tanto más bajo cuanto máspróximo está el defecto.

protección de potenciaMuy frecuentemente, estasprotecciones utilizan el método de losdos vatímetros para medir la potenciaactiva, y una variante, que nosotrosllamaremos método de los dosvarímetros, para medir la potenciareactiva.

fig. 15: esquema del principio de medida de

una potencia.

I1 I2 I3

X

X

P+

Ciertos relés utilizan tres elementos demedida monofásicos para determinarla potencia. Estos relés serán, pues,utilizables en redes de 4 hilos; por el

contrario, tienen el inconveniente denecesitar la instalación de 3 TT y 3 TI.




protección de redesradialesRecordemos...

n corriente capacitiva

Toda pieza metálica bajo tensión formacon la tierra un condensador (figura16). Esto es especialmente cierto paralos cables, cuya capacidad porkilómetro es normalmente de algunosmicrofaradios; y también es cierto para

las líneas, pero con una capacidadunas 100 veces menor.

El efecto capacitivo de los cables es talque conectar en vacío a 20 kV uncable de 50 km es equivalente aconectar 3 MVAr de condensadoresentre la red y tierra!.

Mientras el cable esté alimentado poruna tensión trifásica equilibrada, lasuma de las corrientes capacitivas esprácticamente cero. Pero, cuando seproduce en la red un defecto entre fasey tierra, una de las estas tensionesfase-tierra se hace mucho menor que

las otras. Entonces, al no estar equi-libradas las corrientes capacitivas,aparece una corriente residual capa-citiva. La circulación de las corrientesse representa en la figura 17.

Para poner en servicio lasprotecciones es imprescindiblecalcular, para una salida dada, el valormáximo de la corriente capacitivaresidual. Esta es precisamente lacorriente que tendrá que medir eltoroide situado en esta salida cuando,aguas arriba de él, una fase pasa apotencial de tierra y las otras dos se

mantienen a la tensión compuesta dela red. Normalmente se le llamacorriente capacitiva de salida.

El valor de esta corriente es:

Ic = 3.C.ω.V,

donde:

o C es la capacidad de cada faserespecto a tierra de salida,

o V es la tensión simple,

o ω es la pulsación (2.π.f).

n régimen de neutro

La elección del esquema de conexióna tierra del neutro es una parteimportante en el diseño de una redeléctrica. Es siempre el resultado deun compromiso entre muchos factores.

Un factor al que se presta especialatención es el cuidado de reducir lacorriente de defecto a tierra paramejorar la seguridad de las personas:limitando la subida en tensión de las

masas en las proximidades deldefecto– y de los materiales – ylimitando la energía desprendida porun arco eléctrico de cortocircuito.Veremos que la limitación de lacorriente de defecto hace que ladetección de la falta sea más crítica yel empleo de la protección direccionalde tierra indispensable. Si la corriente

fig.17: circulación de corrientes capacitativas durante un defecto fase-tierra.

fig. 16: un cable eléctrico se comporta como

un condensador.

de defecto es suficientemente débil, lainterrupción inmediata de laalimentación no es obligatoria, lo quepermite una mejora notable de lacontinuidad del servicio.

3 Aplicaciones de las protecciones direccionales

pantalla(conectada a tierra)

alma

aislante

transformadorde entrada

Id

corrientedel punto

neutro

corrientecapacitativa




Durante el defecto, la corrientecapacitiva se superpone a la corrientelimitada por la impedancia de puesta atierra del neutro. Por consiguiente, en

las redes con corriente capacitivaimportante, la única manera de obteneruna corriente de defecto débil es la deelegir una impedancia de puesta tierrainductiva, en la que la corrientecompense la corriente capacitiva.Cuando esta inductancia del puntoneutro se ajusta para alcanzarpermanentemente la condición(3.L.C.ω2 = 1), es denominada bobinade Petersen; en este caso, la corrientede defecto es teóricamente nula.

Protección contra los defectos atierra

Las protecciones direccionales detierra se utilizan en dos casos en lasredes radiales:

o cuando la corriente capacitiva deuna salida es del mismo orden demagnitud que la corriente de umbral de

protección (que debe ser bastante bajapara detectar los defectosimpedantes),

o cuando el neutro está puesto a tierraen varios puntos.

n redes con salidas de gran longitud

Cuando una salida tiene una corrientecapacitiva importante –en la prácticasuperior al 10 % de la corrientelimitada por la impedancia de puesta atierra del neutro– un simple relé demáxima intensidad residual no permiteasegurar una protección sensible yselectiva. Si su umbral está reguladopor debajo de la corriente capacitiva dela salida protegida, la proteccióndisparará intempestivamente para

cualquier defecto fase-tierra de la red.En este caso una protecciónsatisfactoria de la salida se realizarácon un relé direccional de tierra cuyoumbral podrá regularse por debajo dela corriente capacitiva.

El ángulo característico se ajustarádependiendo del régimen de neutro dela instalación.

o redes a neutro aislado:

Funcionamiento

– la protección general de la red estáasegurada por un controladorpermanente de aislamiento o unaprotección de máxima tensión residual(desplazamiento del punto neutro),

– las protecciones direccionales detierra aseguran la detección de lasalida con defecto,

– elección del ángulo característico:Θ = 90º (figura 18).

Nota

El funcionamiento no queda aseguradomás que si la corriente capacitiva tieneun valor determinado. El límite mínimopráctico es de 1 A.

o red a neutro resistente (figura 19):

En la salida con defecto, la corrienteen el punto neutro, activa, se suma ala corriente capacitiva de las salidassanas. Si la resistencia del puntoneutro se ha escogido de tal forma quela corriente activa sea superior o igualal doble de la corriente capacitiva de lainstalación, la protección direccional noserá necesaria.

Elección del ángulo característico:

– A : Θ = 0o, para los relés quefuncionan con la proyección de lacorriente (ajustando así el relé, éste essensible a la corriente activa residual einsensible a la corriente capacitiva),

– B : Θ = 45o, para los relés decorriente máxima direccionalizados.

fig. 18: redes con neutro aislado: detección de defectos a tierra.

fig. 19: redes con neutro impedante: detección de defectos a tierra.

ΘΘΘΘΘ = 0o

ΘΘΘΘΘ = 45o

ΘΘΘΘΘ = 90o

Irs

Irs

Ird

Ird

Vr

Vr

Ird

Irs

Irs

Vr

Vr

A Irs

IrdIrd

Vr

B




Hay que destacar que con un ángulocaracterístico de 45º, la corrienteresidual de la salida sin defecto está,sin ninguna duda, en la zona de no

disparo de la protección y por tanto, esnecesario utilizar un relé adecuado deprotección de corriente.

Con un ángulo característico de 0º, lacorriente residual de la salida sanaestá en el límite de la zona de disparo;por tanto es obligatorio utilizar un reléde proyección de corriente. Estasolución tiene entonces la ventaja deser totalmente insensible a la corrientecapacitiva.

o red con neutro compensado (figura20):

Funcionamiento- la corriente en la salida con defectoes la superposición:

- de la corriente capacitiva de lassalidas sanas,

- de la corriente en la bobina quecompensa la corriente capacitiva totalde la red, y

- de la corriente en la resistencia delpunto neutro, en general inferior al10% de la corriente en la bobina(existen redes donde esta resistenciano está instalada; este caso de

configuración no se analiza aquí).- elección del ángulo característico:Θ = 0º.

Nota

es indispensable instalar unaprotección a proyección de corriente;una protección a máxima de corrientedireccionalizada corre el riesgo deprovocar desconexionesintempestivas.

Sobre este tipo de red, los defectos deaislamiento presentan a menudo uncarácter recurrente: el arco de defecto

se apaga después de algunosmilisegundos y se vuelve a encender alcabo de algunos períodos, comomuestra la parte b de la figura 20. Hayque estudiar con especial cuidado lasprotecciones para que actúen antetales defectos.

o redes con neutro unido directamentea tierra (figura 21).

Funcionamiento

– la corriente en el punto neutro esfundamentalmente inductiva y muysuperior a la corriente capacitiva de la red,

fig. 20: redes con neutro compensado: detección de defectos a tierra.

fig. 21: redes con neutro conectado directamente a tierra: detección de defectos a tierra.

Irs

Irs

Ird

Vr

Vr

0 = 0o

Ird

A.- defecto permanente a tierra

B.- defecto recurrente: tensión de la fase con defecto y corriente residual

70

- 20

20

kV

0

150 230 310 390 470

- 250

250

A

0

ms

extinción del defecto reencendido

Irs

Irs

Ird

Vr

Vr= - 70º

Ird

O




– elección del ángulo característico: Θ = - 45 a - 90º.

Hay que destacar que un simple reléde máxima, de corriente homopolar, es

suficiente para detectar una salida condefecto, con tal de que su umbral seajuste a un valor superior a la corrientecapacitiva de la salida protegida. Elrelé direccional sólo se utiliza en unared en bucle o que tenga varios puntosneutros.

n puestas a tierra múltiples

determinadas redes pueden serexplotadas con el neutro unido a tierraen varios lugares. Es el caso concretode poner a tierra el neutro en cadafuente de energía (grupo electrógeno o

transformador de entrada). Laconexión en paralelo de las fuentesconduce entonces a la conexión enparalelo de las puestas a tierra delneutro.

En este caso, la protección selectivade las fuentes contra los defectos atierra requiere una proteccióndireccional de tierra en la entrada decada una de las fuentes.

La figura 22 representa una solucióntípica de protecciones contra losdefectos a tierra.

En esta figura, la flecha indica elsentido de detección de defecto por laprotección direccional de tierra.

Las temporizaciones de lasprotecciones están indicadas. Losángulos característicos estánescogidos en función de los regímenesdel neutro: el de la protección situadaen la entrada al grupo, en función de lapuesta a tierra del neutro deltransformador y el de la proteccióninstalada en la entrada altransformador, en función de la puestaa tierra del neutro del alternador.

Protección contra los defectos entrefases

Las protecciones direccionales de fasese utilizan en una red radial en el casode un centro de transformaciónalimentado simultáneamente por variasfuentes. Para obtener una buenacontinuidad de servicio, es importanteque un defecto que afecta a una de lasfuentes no suponga la desconexión detodas ellas. Con la instalación de una

fig. 23: protección contra cortocircuitos de una red con varias fuentes de energía.

fig. 22: protección contra los defectos a tierra de una red puesta a tierra en varios puntos.

protección direccional de fase sobre laentrada de cada una de las fuentes seconsigue esta selectividad.

La figura 23 representa unadisposición típica de las proteccionescontra los defectos entre fases.

En esta figura, la flecha indica elsentido de detección de la proteccióndireccional de fase.

Las protecciones direccionales de faseson en general bifásicas. Los casos enlos que se necesita una proteccióntrifásica se describen en el § 4.

Están indicadas las temporizacionesde las protecciones. Los ángulos

característicos se han ajustadoteniendo en cuenta el ángulo deramificación escogido. Para un ángulode ramificación de 90º, la regulación

más normal del ángulo característicoes de 45º.

Hay que destacar que si la potencia decortocircuito del grupo es pequeñarespecto a la de la red, la proteccióndireccional instalada en la entrada delgrupo puede sustituirse por una simpleprotección a máxima intensidad, cuyoumbral sea a la vez superior a lacorriente de cortocircuito del grupo einferior a la de la red.

Ih >

0,4 so más

0,1 s

Ih >

Ih >

0,4 so más

0,1 s

sentidode la

detección

Ih >

0,1 s

I >

I >

0,4 s

o más

0,4 so más

0,1 s

I >

I > >

I >




protección de redes enbuclen una red en bucle es una red que, en

explotación normal, tiene uno o másbucles cerrados (figura 24).

La ventaja de esta configuración dered es que asegura una excelentedisponibilidad de energía a todos losconsumidores situados en el bucle; enefecto, un enlace con defecto puedesepararse de la red sin interrumpir laalimentación de los consumidores.

El inconveniente de esta solución essu coste: es necesario instalar uninterruptor automático en cada extremode cada conexión y las proteccionesson complejas.

n se pueden utilizar dos principios deprotección:

o protección diferencial,

o protección direccional.

Este último principio funciona si, en elbucle, hay un único centro detransformación con una o variasfuentes y asegura la puesta a tierra delneutro. En la práctica, la selectividadde las protecciones direccionales estáasegurada por los enlaces lógicos.

Comparada con la protección

diferencial, que tiene la ventaja de serrápida, la protección direccional esmenos costosa y más fácil de instalar.Destaquemos que la detección de los

defectos a tierra puede asegurarse,cualquiera que sea el régimen deneutro de la instalación, en tanto quelas protecciones diferenciales de línea

tienen una sensibilidad limitada.

Líneas en paralelo

Dos líneas en paralelo constituyen elcaso más simple y más frecuente deredes en bucle. El esquema de lasprotecciones debe de realizarse de talforma que un defecto sobre un enlaceno provoque la desconexión de la otralínea.

En la figura 25 se representa unesquema típico de las protecciones. Enesta figura, la flecha indica el sentidode detección de las protecciones

direccionales.Las protecciones direccionales de faseson bifásicas. Su ángulo característicoestá regulado teniendo en cuenta elángulo de derivación escogido (45ºpara un ángulo de derivación de 90º).

El ángulo característico de lasprotecciones direccionales de tierra seajusta en función del régimen deneutro, como se ha indicado en los

párrafos precedentes.

En la figura también se señalan lastemporizaciones de las protecciones.Las protecciones no direccionales quetienen las salidas del centro detransformación hacia arriba estántemporizadas para ser selectivas conlas protecciones direccionales de lassalidas del centro de transformaciónhacia abajo.

Cuando hay un cortocircuito en una delas líneas, la corriente se divide en dosen función de la impedancia de los

circuitos: una parte se dirigedirectamente al centro detransformación hacia arriba de la líneacon el defecto y la otra pasa al centrode transformación hacia abajo. Elorden de funcionamiento de lasprotecciones es el siguiente:

f ig. 24 : esquema de una red en bucle. fig. 25 : protección de líneas en paralelo.

0,4 s

0,1 s

I >

Ih >

I >

Ih >

A2

D2

0,4 s

0,1 s

I >

Ih >

I >

Ih >

A1

D1

x %

según lasituacióndel defecto

0

100 %




n A1, D1 y D2 detectan el defecto,

n A1 dispara (temporización: 0,1 s),

n D2 «se rearma» antes de

sobrepasar su temporización,n D1 dispara (temporización: 0,4 s).

Cuando se produce un cortocircuito enlas proximidades del juego de barrashacia arriba del centro detransformación, la proporción decorriente que pasa por el centro detransformación hacia abajo es muypequeña, inferior al umbral de laprotección direccional de fase. Estecaso se produce cuando la posición xdel defecto está comprendida entre 0 y2 veces la razón Is/ Icc (entre lacorriente del umbral de la protección

direccional y la corriente decortocircuito).

En este caso, la protección de máximaintensidad de la salida de la línea endefecto (D1) dispara primero(temporización: 0,4s).

A1 dispara inmediatamente. El tiempototal de eliminación del defecto espues largo. Este inconveniente puedeeliminarse instalando en las salidas D1y D2 un segundo relé desobreintensidad con un umbral elevado(desconexión para una Icc que

corresponda a menos del 90 % de lalongitud de la línea) y temporización de0,1s.

Bucle cerrado

Cada interruptor automático estáequipado de dos conjuntos deprotecciones direccionales, cada unode los cuales detecta el defecto en dosdirecciones opuestas (salvo losinterruptores automáticos de cabezadel bucle, equipados de un únicoconjunto de protecciones nodireccionales).

Esta disposición de la protección se

representa en la figura 26. Cadaconjunto de protecciones estácompuesta de una direccional de fasebifásica y una direccional de tierra. Elsentido de detección de cada conjuntode protección está representado poruna flecha. Se establecen dos cadenasde selectividad, una para cada sentidode circulación de la corriente dedefecto:

o A > B > C > D > E,

o F > E > D > C > B.fig. 27: protección de un bucle cerrado mediante relés direccionales y selectividad lógica.

fig. 26: protección de un bucle cerrado mediante relés direccionales y selectividad

cronométrica.

I >

Ih >

I >

Ih >

A F

B

C

E

D

1,3 s

I >

Ih >

1,3 s

1 s 0,1 s

0,7 s

I >

Ih >

0,4 s

I > I >Ih > Ih >

I >

Ih >

0,7 s

I >

Ih >

0,4 s

1 s 0,1 s

I > I >Ih > Ih >

I >

Ih >

I >

Ih >

A F

B

C

E

D

I >

Ih >

I >

Ih >

Ih > Ih >

I > I >

I >

Ih >

I >

Ih >

Ih > Ih >

I > I >

espera lógica




Si la selectividad es cronométrica, lostiempos de desconexión se conviertenrápidamente en prohibitivos. En lapráctica esta solución se instala

solamente con la selectividad lógica(figura 27), que permite tiempos dedesconexión muy cortos (0,1 s)utilizando las conexiones ya cableadasentre cada centro de transformación.

protección de alternadoresDetección de la pérdida deexcitación

El fallo de la excitación de unalternador, sea por circuito abierto seapor cortocircuito, es un defecto de gran

importancia, puesto que produce o elfuncionamiento del alternador comogenerador asíncrono o el cese de laconversión de energía y el aumento develocidad.

Se produce el primer caso (pase agenerador asíncrono) si el circuito deexcitación está en cortocircuito o si elrotor tiene un devanado amortiguador;el régimen es estable pero la máquinano está dimensionada para aguantarlomucho tiempo.

En el segundo caso (cese de laconversión de energía y

embalamiento), el régimen es inestabley debe de darse lo antes posible laorden de paro a la máquina que loarrastra.

Por tanto, es imprescindible vigilar elcircuito de excitación.Desgraciadamente, éste estánormalmente inaccesible, por estarsituado totalmente en el rotor(alternador sin anillos ni escobillas). Semide entonces o la potencia reactivaabsorbida por la máquina o laimpedancia en sus bornes (figura 28).

La medida de la potencia reactiva es lamás simple y la más utilizada paraproteger las máquinas de pequeña ymediana potencia. Permite detectartoda absorción de potencia reactiva olo que es lo mismo, el funcionamientodel alternador como generadorasíncrono. El umbral de deteccióndebe poderse regular a un valor inferiora Sn (potencia aparente nominal de lamáquina); típicamente, 0,4 Sn.

fig. 28: protección contra pérdidas de excitación mediante un relé de retorno de potencia

reactiva.

fig. 29: detección de que un alternador funciona como motor, mediante un relé de retorno de

potencia activa.

Detección del funcionamiento comomotor

Un grupo electrógeno, conectado auna red de gran potencia, continúagirando en sincronismo aún cuando lamáquina que lo arrastra (diesel oturbina) deje de hacerlo: el alternadorpasa a funcionar entonces como motorsíncrono. Este funcionamiento puede

ser perjudicial para la máquinaaccionante.

Para detectar este tipo defuncionamiento, es obligatorio utilizarun relé directo de potencia activa(figura 29).

El umbral de esta protección estáajustado a un valor bajo respecto a lapotencia nominal del alternador,típicamente de un 5 a un 20 %, tal vezalgo menos para los turbo-alternadores.

Para asegurar la estabilidad en todoslos casos de funcionamiento correctodel alternador, hay que prestar unaatención muy especial al diseño deeste relé, por otra parte, muy sensible,

Protección de desacoplo

Cuando una instalación industrial tieneuno o varios alternadores preparados

para funcionar en paralelo con la redde distribución de energía eléctrica,conviene prever un conjunto de«protecciones de desconexión».

Esta protección tiene dos objetivoscomplementarios:

n garantizar la seguridad de la centralde producción,

n garantizar la seguridad de la redexterior, que puede pasar aalimentarse por la central del industrial.

32Q

sentidopositivode P y Q

puntoneutro

del estator

Q

P

32P

sentidopositivode P y Q

Q

P




En general, estas protecciones seinstalan en el interruptor automático deentrada de la instalación industrial ygobiernan la apertura de éste. Estas

protecciones pueden también gobernarla apertura de un interruptor deacoplamiento entre dos partes de lainstalación.

La figura 30 representa uno de losobjetivos de las protecciones depérdida de sincronismo: se trata deasegurar la detección del defectosituado más arriba de la instalaciónindustrial, y esto con un doble objetivo:

n la seguridad de esta red: noalimentar el defecto,

n la seguridad del alternador: evitar

que la reconexión de la salida en elcentro de transformación, efectuadasin vigilar las condiciones desincronismo, provoquen unreenganche peligroso.

La detección del defecto estáasegurada por las proteccionesdireccionales de fase y de tierra:

n la protección direccional de tierradetecta la corriente residual creada porlas capacidades fase-tierra de la

fig. 30: ejemplo de protecciones de

desenganche.

instalación y/o generadas por la puestaa tierra de la central,

n la protección direccional de fasedetecta un defecto entre fases aguasarriba.

Puesto que son direccionales, estasprotecciones son insensibles a undefecto situado en el interior de lainstalación industrial.

n aparte de las proteccionesdireccionales, un conjunto deprotecciones de desacoplamientoincluyen frecuentemente un relé devariación de frecuencia (df/dt): elaumento intempestivo de la potenciasolicitada a la central, en caso de fallode la fuente principal, provoca una

variación de frecuencia en el grupoelectrógeno.

El distribuidor puede pedir que seinstalen unas protecciones de tensión yde frecuencia para garantizar la calidadde la energía suministrada por lacentral.

Por último, puede instalarse unaprotección de máxima potencia activapara señalar un sentido anormal de lacirculación de energía.

I >

Ih >

centro detransformación

fuente

central




elección de lostransductores de medidaLa elección de los TT (transformadoresde tensión) no supone problemasespeciales. Los TT que normalmentese instalan en las redes de distribuciónson de la clase 0,5 ó 1; sirvenperfectamente para alimentar lasprotecciones direccionales, con lacondición de que la suma de cargasque se les conectan no sea ni tan

grande que sobrepase su potencia deprecisión ni tan pequeña que hayapeligro de ferroresonancia.

El dimensionamiento de los TI(transformadores de intensidad) esmás delicado. En el caso dedimensionamiento insuficiente ycuando la corriente de cortocircuitotiene una componente aperiódica conuna constante de tiempo larga, los TIse saturan. Este fenómeno provoca unerror en la medida de la fase de lacorriente durante el régimen transitorio,como se ve en la figura 31. La

corriente medida en el secundario delTI saturado está siempre en adelantorespeto a la corriente primaria.

El mal dimensionamiento de los TIpuede tener dos consecuencias:

n provocar un disparo intempestivo —riesgo tanto menor cuando latemporización de la protección es máslarga,

n provocar un disparo retardado —riesgo independiente de latemporización escogida.

El elemento principal que influye sobre

el comportamiento de la protección esel defasaje α entre la corriente decortocircuito y el límite de la zona dedesconexión de la protección, comodefine la figura 32.

En la práctica, si este ángulo α esmayor de 45º (lo que sucede muy amenudo con los reglajespreconizados), las exigencias deldimensionamiento del TI son pocoexigentes: escoger el factor límite deprecisión del TI (FLP, cuya definiciónfigura en el Cuaderno Técnico nº 164)

4 Instalación

fig. 31: error de ángulo característico calculado en las siguientes condiciones:

n el defecto implica una componente aperiódica del 100 % y de constante de tiempo 40 ms;

n la corriente de saturación de TI vale dos veces la corriente de cortocircuito.

fig. 32: definición del ángulo α .

1

p.u.

grados

00,04

15

0

45

30

tiempo (s)

2

- 1

- 2

error de ángulo

0,02 0,06 0,08 0,10

corriente secundaria del TI

V polarización

zona dedisparo


I

α




mayor o igual a 0,3 veces el valor de lacorriente de cortocircuito máximo vistopor la protección direccional.

elección de una protecciónbi o trifásicaEn tecnología analógica, unaprotección direccional de fase esnormalmente monofásica: mide lacorriente de una sola fase. Es posibleinstalar una, dos o las tres fases de unrelé.

En tecnología digital, se integran en unmismo aparato varias funciones deprotección y lo más frecuente es que elrelé direccional de fase sea bifásico y,

a veces, trifásico.Por regla general, cuando se trata dedetectar una transferencia de potenciaanormal (protección de máquinas), elfenómeno está equilibrado sobre las 3fases y es suficiente un relémonofásico. Cuando se trata dedetectar un cortocircuito entre 2 fases,una protección direccional bifásica essuficiente: una al menos de las dosfases protegidas estará afectada por eldefecto.

fig. 33 : esquema de protección de 2 transformadores en paralelo.

Para detectar un defecto fase-tierra,hace falta o una protección direccionalde fase trifásica o una proteccióndireccional de tierra. Si el neutro de la

instalación está puesto directamente atierra, a menudo es preferible laprimera solución. En todos los otrosregímenes de neutro, escoger elsegundo.

protección detransformadores enparaleloPara proteger dos transformadores enparalelo, sobre todo si los dos juegosde barras están algo distantes (en lapráctica es imposible cablear los

circuitos secundarios de los TI sobremás de un centenar de metros), sonpreferibles las proteccionesdireccionales de fase respecto a lasprotecciones diferenciales.

El esquema de protección que hay queutilizar es, entonces, el de la figura 33,con las precauciones de regulaciónsiguientes:

n umbral de la protección instantáneaa máxima intensidad ajustado para nodetectar más que los defectos situadosen el primario del transformador,

n interdesconexión primario-secundario,

n protección direccional de faseregulada para no detectar más que losdefectos situados en el secundario deltransformador.

Dependiendo del lugar de la puesta atierra del neutro en el secundario delos transformadores, se presentan dosvariantes:

n si el punto neutro secundario estásituado sobre el juego de barras, lasprotecciones direccionales de tierra se

sustituyen por simples protecciones demáxima intensidad residual,

n si cada transformador posee supropio punto neutro y si el juego debarras secundarias y lostransformadores están situados en elmismo centro de transformación, laprotección diferencial de tierrarestringida puede reemplazar laprotección direccional de tierra.

0,2 s

0,6 s

0,1 s

0,2 s

I >

I > >

Ih > 0,2 s

0,6 sI >

I > >

Ih >

Ih >

I > 0,1 s

0,2 sIh >

I > 0,1 s

0,2 sIh >

I >

variante



5 Evolución y perspectivas

evolución de la tecnologíade las proteccionesLa generalización de los conjuntos deprotecciones integradas y digitaleshace posible la utilización de lasprotecciones direccionales simples ypoco costosas.

Por tanto, hoy en día, este tipo deprotecciones se presentan como unaexcelente oportunidad para mejorar ala vez la potencia transmitida por unared y la calidad del servicio.

Por ejemplo, dos enlaces, queactualmente se usan el uno paratransportar la carga y el otro en vacío,de reserva, pueden, en el futuro,explotarse en paralelo gracias a lasprotecciones direccionales.

La asociación de la selectividad lógica(Cuaderno Técnico nº 2) y lasprotecciones direccionales permiten larealización de esquemas que mejoranla disponibilidad de la energía eléctrica.La aparición en el mercado de relés

multifuncionales, (es decir asociando alas protecciones toda lógica de mandonecesaria) y dedicados a cadaaplicación simplifica el diseño y lainstalación de un plan de protección(figura 34).

evolución de los sensoresLa aparición de las proteccionesdigitales, que no necesitan más quemuy poca potencia para poder medir,ha permitido el empleo de nuevossensores.

Los toroides de Rogowski (TI sinhierro), puesto que no se saturan,permiten a las proteccionesdireccionales de fase conservar suprecisión de medida y evitar los erroresde ángulo en todos los casos dedefecto. La preocupación por eldimensionamiento del TI desapareceen el momento de la instalación de laprotección.

fig. 34: el SEPAM 2000, un relé digital multifuncional que permite la utilización de protecciones

direccionales juntamente con la selectividad lógica.

En el Cuaderno Técnico nº 170 sedescriben estos reductores de medida,constituidos por un gran número deespiras alrededor de un núcleoamagnético.

Los divisores resistidos de tensión, depoco coste y reducidas dimensiones,se instalan en las celdas, en las

proximidades de cada proteccióndireccional: el cableado de la medidade tensión es mucho más fiable quecuando se utilizan los TT: desapareceel modo común que supondría un TT.

La evolución de los sensores refuerzaaún más el interés por las proteccionesdireccionales, mejorando sus diseños yfacilitando su instalación.

a modo de conclusiónLos avances tecnológicos (sistemas deprotección digital, nuevos sensores,selectividad lógica, ...) facilitan elempleo de las proteccionesdireccionales.

Hoy día estas protecciones con buenasprestaciones y fáciles de instalar

constituyen una ayuda incalculablepara mejorar la disponibilidad deenergía eléctrica. Cada vez se utilizanmás para la protección de redes y demáquinas rotativas tanto si se trata deprotección de defectos entre fases ode protección de tierra.

El lector interesado por unconocimiento más extenso de lasdiversas protecciones utilizadas en MTpuede dirigirse al Cuaderno Técnico nº174.

CT181 - Las Protecciones Direccionales

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