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Pons CARLOS FELIPE RAMIREZ G.1. E., M. Sc.
Pontificia BolivarianaOhio Mato Universily
Auspiciado per:
MEDIA CCILLEGAS S.A.UNIVERSIDAD
CONSULTOYES INOENIERIA ELICTICAPONTIFICIA
B LIVARIANA
INTRODUCCION
Este libro fue elaborado exclusivamente con fines didácticos y se basó en
libros y publicaciones existentes ; especialmente , para los tres (3) prime-
ros capítulos , en el libro del Ingeniero C. Russell Manson "The Art and
Science of Protective Relaying " ( 1). Los demás capítulos son una recopila-
ción de artículos y libros de los principales fabricantes de relés de pro-
tección, tanto de la tendencia Americana como de la Europea.
El Autor
Agradezco muy especialmente a los In
genieros Alvaro Villegas Mejía y
Luis F. Penagos Gómez por su aporte
a la elaboración de este documento.
El Autor
INTRODUCCION A LOS RELES DE PROTECCION
CONTENIDO
PAGINA
CAPITULO 1 INTRODUCCION Y FILOSOFIA GENERAL
1.1 Introducción 1
1.2 Función de los Relés de Protección 1
1.3 Clasificación de los Relés 3
1.3.1 Categorías Funcionales 3
1.3.2 Entrada o Cantidad Actuante 5
1.4 Determinación del Grado de Protección
Requerida 6
1.5 Determinación del Tiempo Requerido pa
ra Eliminar una Falla 9
1.6 Técnicas de los Relés de Protección 10
1.7 Representación del Sistema de Poten -
cia 11
1.8 Principio Fundamental de Utilización
de los Relés de Protección 13
1.8.1 Protección Principal 13
1.8.2 Protección de Respaldo 16
1.9 Principales Exigencias Impuestas a los
Dispositivos de Protección 22
1.9.1 Selectividad 22
1.9.2 Seguridad 22
1.9.3 Confiabilidad 22
1.9.4 Sensibilidad 22
1.9.5 Velocidad 22
1.10 ¿Cómo Funcionan los Relés de Protección? 23
CAPITULO 2 CALCULOS DE CORTOCIRCUITO -
UNA VISION GENERAL
2.1 Introducción 25
2.2 Bases Fundamentales 26
2.3 Componentes Simétricas 29
2.4 Cortocircuito . Generalidades 35
2.4.1 Efectos 35
2.4.2 Cortocircuito Trifásico Simétrico 37
2.4.3 Cortocircuito Monofásico a Tierra 38
2.4.4 Cortocircuito entre dos Fases 42
2.4.5 Cortocircuito entre dos Fases y Tierra 43
2.4.6 Coeficiente de Puesta a Tierra 45
2.5 Cálculos de Cortocircuito en una Red
Radial 46
2.6 Cálculos de Cortocircuito en una Red
Enmallada 54
2.7 Balance de Amperios -Vuelta y Circulación
de Corrientes de Secuencia Cero 55
CAPITULO 3 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS FUNDAMEN-
TALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS RELES
3.1 Consideraciones Generales 64
3.1.1 Principio de Funcionamiento 64
3.1.2 Definición de Funcionamiento 65
3.1.3 Indicadores de Funcionamiento 67
3.1.4 Bobinas de Sello y de Retención 67
3.1.5 Ajuste del Valor de Puesta en Trabajo
o de Reposición 67
3.1.6 Ajuste del Tiempo de Operación 69
3.1.7 Otras Consideraciones 69
3.2 Relés de una Sola Magnitud del Tipo
Atracción Electromecánica 70
3.3 Relés Direccionales del Tipo Atracción
Electromecánica 73
3.4 Relés del Tipo Inducción 75
3.4.1 Principios Generales de Funcionamiento 75
3.4.2 Tipos de Estructura Actuante 78
3.5 Relés de Inducción de una Sola Cantidad
Actuante 81
3.6 Relés de Inducción Direccionales 83
3.6.1 Relés de Corriente-Corriente 83
3.6.2 Relés de Corriente-Tensión 85
3.6.3 Relés de Tensión-Tensión 87
3.6.4 Características de Funcionamiento de un
Relé Direccional 87
3.7 Ecuación General de Torque 90
3.8 Relés de Estado Sólido 90
3.8.1 Elementos de Trabajo 91
3.8.2 Características de Diseño 95
3.8.3 Algunos Circuitos de Relés de Estado So
lido 96
3.9 Otros Relés 98
CAPITULO 4 TIPOS PRINCIPALES DE RELES DE PROTECCION
4.1 Relés de Sobrecorriente , Baja Corriente,
Sobretensión y Baja Tensión 102
4.1.1 Ajuste del Valor de Puesta en Trabajo 103
4.1.2 Ajuste del Tiempo de Operación 103
4.1.3 Sobrecarrera y Tiempo de Reposición 106
4.1.4 Conexión 108
4.2 Relés Direccionales de ca. 109
4.2.1 Relés de Potencia 110
4.2.2 Relés Direccionales de Sobrecorriente 111
4.3 Relé de Equilibrio de Corriente 117
4.4 Relés Diferenciales 120
4.5 Relés de Distancia 125
4.5.1 Tipos de Relés de Distancia 126
4.5.2 Consideraciones Generales Aplicables a
todos los Relés de Distancia 143
4.6 Relés Pilotos 147
4.6.1 Hilo Piloto 148
4.6.2 Comparación de Fases 149
4.6.3 Ondas Viajeras 152
4.7 Algunos Circuitos para Relés Electrón¡
cos 154
4.7.1 Comparador de Bloque Instantáneo 157
4.7.2 Comparador de Bloque Promedio 159
4.7.3 Relé Tipo Impedancia 161
4.7.4 Relé Mho 163
4.7.5 Relé Mho Completamente Polarizado 164
4.7.6 Relé de Reactancia 166
4.8 Algunos Circuitos Electrónicos para los
Principales Tipos de Relés de Protección 170
CAPITULO 5 TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTACION
5.1 Introducción 178
5.2 Transformadores de Potencial 178
5.2.1 Definición 178
5.2.2 Simbología 178
5.2.3 Tensiones Nominales 178
5.2.4 Potencia Nominal 180
5.2.5 Potencia Máxima 181
5.2.6 Error de Tensión 181
5.2.7 Angulo de Error 182
5.2.8 Límite de Capacidad Térmica 182
5.2.9 Factor de Tensión 182
5.2.10 Tipos 184
5.2.11 Clases 188
5.2.12 Causas de los Errores de Relación 190
5.2.13 Selección de la Potencia Nominal 193
5.2.14 Aislamiento 193
5.2.15 Clases de Precisión 194
5.2.16 Conexiones 194
5.3 Transformadores de Corriente 196
5.3.1 Definición 196
5.3.2 Simbología y Circuito Equivalente 196
5.3.3 Corrientes Primarias Nominales 196
5.3.4 Corrientes Secundarias Nominales 200
5.3.5 Potencia Nominal 200
5.3.6 Error de Intensidad 201
5.3.7 Error de Fase 202
5.3.8 Error Compuesto 202
5.3.9 Corriente Límite Térmica 202
5.3.10 Corriente Límite Dinámica 203
5.3.11 Corriente Térmica Nominal 203
5.3.12 Coeficiente de Sobreintensidad 203
5.3.13 Tipos 203
5.3.14 Límites de Operación para Protección 215
5.3.15 Selección de la Potencia Nominal 216
5.3.16 Clases de Precisión 218
5.3.17 Efectos de la Corriente Directa 221
5.3.18 Conexiones 224
CAPITULO 6 PROTECCION DE GENERADORES Y MOTORES DE CA
6.1 Introducción 226
6.2 Protección contra Fallas en los Arrolla
mientos del Estator (87 G) 227
6.3 Protección contra Fallas entre Espiras
(51) 230
6.3.1 Tendencia Americana 232
6.3.2 Tendencia Europea 234
6.4 Protección contra Fallas a Tierra del Es-
tator ,(59 G)
6.4.1 Tendencia Americana 237
6.4.2 Tendencia Europea 241
6.5 Protección contra el Sobrecalentamiento
del Estator ( 49) 243
6.6 Protección contra Sobretensiones de ca
(59) 244
6.7 Protección contra Fallas a Tierra en el
Campo ( 64) 244
6.8 Protección contra Corrientes Desbalancea -
das (46) 246
6.9 Protección contra la Pérdida de la Excita-
ción (40) 248
6.10 Protección contra Motoreo ( 32) 251
6.11 Protección contra Bajas Tensiones ( 27) 254
6.12 Protección de Respaldo contra Fallas Ex
ternas 254
6.13 Otras Protecciones 255
6.13.1 Protección contra Vibraciones 255
6.13.2 Protección de Sobrecalentamiento de las
Chumaceras 256
6.13.3 Protección contra Quemado de Fusibles
de los Transformadores de Potencial 256
6.13.4 Protección contra Sobretensiones Transi
torias 256
6.14 Esquema General 257
6.15 Protección de Motores 257
6.15.1 Fallas entre Fases 264
6.15.2 Fallas a Tierra 265
6.15.3 Rotor Bloqueado 267
6.15.4 Sobrecarga 268
6.15.5 Baja Tensión 268
6.15.6 Inversión de Fase 268
6.15.7 Fases Desbalanceadas 269
6.15.8 Pérdida de Excitación 269
6.15.9 Pérdida de Sincronismo 269
6.15.10 Esquema General270
CAPITULO 7 :;ROTECCION DE TRANSFORMADORES Y REACTORES
7.1 Protección Diferencial 272
7.1.1 General272
7.1.2 Relés de Sensibilidad Reducida 274
7.1.3 Relés con Bloqueo de Armónicas 275
7.1.4 Insensibilización del Relé 276
7.1.5 Conexión de los Transformadores de Co -
rriente 277
7.1.6 Ajuste del Relé 290
7.1.7 Protección Diferencial de Autotransforma
dores 296
7.1.8 Alcance de la Zona de Protección 298
7.2 Relé de Presión Súbita 299
7.3 Relé Buchholz 299
7.4 Protección con Relés de Sobrecorriente 301
7.5 Protección contra Anomalías 305
7.6 Disparo Transferido 306
7.7 Protección de Transformadores de Puesta a
Tierra 306
7.8 Protección de Respaldo contra Fallas Ex -
ternas 309
7.9 Protección de Reactores en Derivación 311
7.9.1 Protección de Sobrepresión 314
7.9.2. Protección de Sobrecorriente 314
7.9.3 Protección Diferencial 315
CAPITULO 8 PROTECCION DE BARRAS
8.1 Configuraciones 319
8.1.1 Configuraciones de Conexión de Barras 319
8.1.2 Configuraciones de Conexión de Inte -
rruptores 325
8.2 Protección 327
8.2.1 Protección de Barras con Relés Diferen
ciales de Sobrecorriente 328
8.2.2 Protección de Barras con Relés Diferen
ciales de Alta Impedancia 330
8.2.3 Protección de Barras por el Principio
de Comparación Direccional 337
8.2.4 Protección de Respaldo 339
8.2.5 Protección de Barras de las Diferentes
Configuraciones 340
CAPITULO 9 PROTECCION DE LINEAS CON RELES DE SO -
BRECORRIENTE
9.1 Ajuste de los Relés de Sobrecorriente 346
9.2 Selección de la Curva de Operación de
los Relés 353
9.2.1 Curvas Extremadamente Inversas 353
9.2.2 Curvas Inversas 356
9.3 Ajuste de los Relés de Tierra contra
los de Fase 356
9.4 Utilización de los Relés Direccionales 357
9.5 Utilización de los Relés Instantáneos 359
9.6 Detección de Fa llas a Tierra en Siste-
mas no Puest os a Tierra 366
9.7 Coordinación de Relés y Fusibles 366
9.8 Ejemplo 367
CAPITULO 10 PROTECCION DE LINEAS CON RELES DE DIS-
TANCIA
10.1 Propiedades Características de la Pro-
tección de Distancia 371
10.2 Zonas de Protección 373
10.3 Aplicación de los Relés de Distancia 374
10.4 Selección entre Relés de Impedancia
Reactancia o Mho 376
10.5 Efectos en el Ajuste de los Relés de
Distancia 378
10.5.1 Efecto del Arco 378
10.5.2 Efectos de Fuentes de Corriente Inter-
media 382
10.5.3 Efecto de Condensadores en Serie 384
10.5.4 Efecto de Líneas en Paralelo 386
10.6 Impedancia Vista por el Relé 388
10.7 Tendencias en el Ajuste de los Relés de
Distancia 390
10.7.1 Criterios Generales de Ajuste de los Re
lés de Distancia 390
10.7.2 Ajuste Tradicional 391
10.7.3 Método de Ajuste Utilizado por EPM 398
10.7.4 Método de Ajuste Utilizado por ISA 403
10.7.5 Alcance Máximo de la Zona 3 y de la Ca-
racterística de Oscilación de Potencia
respecto al Punto de Falla 406
10.7.6 Casos Especiales 408
10.8 Bloqueo y Disparo por Inestabilidad 409
CAPITULO 11 PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISION CON
RELES PILOTOS
11.1 Introducción 414
11.2 Relés Pilotos por Comparación de Co -
rrientes 415
11.2.1 Hilo Piloto 415
11.2.2 Comparación de Fases 417
11.2.3 Ondas Viajeras 420
11.3 Protección Piloto con Relés de Distan -
cia 422
11.3.1 Bajo Alcance Permisible con Transferen-
cia de Disparo 424
11.3.2 Aceleración por Portadora 424
11.3.3 Transferencia de Disparo Directa 427
11.3.4 Comparación Directa - Esquema de Bloqueo 427
11.3.5 Comparación Directa - Esquema de no Blo-
queo 430
11.3.6 Sobrealcance Permitido - Transferencia
Directa 432
11.3.7 Esquema Híbrido 432
11.3.8 Extensión de la Zona 1 434
CAPITULO 12 OTROS RELES Y SISTEMAS DE PROTECCION
12.1 Introducción 435
12.2 Protección de Respaldo Local 435
12.2.1 Duplicación de los Relés de Protección 437
12.2.2 Protección Local de Respaldo contra Fa -
]las del Interruptor 449
12.3 Recierre Automático 461
12.3.1 Tipos de Fallas 462
12.3.2 Desionización 463
12.3.3 Tiempo Muerto 464
12.3.4 Duración de la Falla 466
12.3.5 Bloqueo 466
12.3.6 Interruptores 466
12.3.7 Relés de Recierre 467
12.3.8 Dos Interruptores por Línea 470
12.4 Verificación de Sincronismo 471
CAPITULO 13 PROTECCION DE SISTEMAS INDUSTRIALES
13.1 Introducción 472
13.2 Dispositivos de Protección 473
13.2.1 Relés de Sobrecorriente 474
13.2.2 Relés Diferenciales 475
13.2.3 Otros Relés 480
13.2.4 Interruptores 480
13.2.5 Fusibles 484
13.3 Requerimientos de Protección 485
13.3.1 Transformadores 485
13.3.2 Alimentadores 487
13.3.3 Generadores 488
13.3.4 Motores 489
13.4 Coordinación 495
13.4.1 Relés 496
13.4.2 Interruptores de Baja Tensión 500
13.4.3 Fusibles 500
13.4.4 Coordinación entre Diferentes Dispositi
vos 504
13.5 Esquemas Típicos 504
APENDICE - NOMENCLATURA DE LOS RELES
NORMA ANSI C37.2 DE 1970 511
BIBLIOGRAFIA 517
CAPITULO 1
INTRODUCCION Y FILOSOFIA GENERAL
1.1 Introducción
Los relés son dispositivos analógicos compactos que son conectados a tra -
vés de los sistemas de potencia para detectar condiciones intolerables o no
deseadas dentro de un área asignada.
El objetivo de un sistema de protección consiste en reducir la influencia
de una falla en el sistema , hasta tal punto que no se produzcan daños rela
tivamente importantes en él ni tampoco ponga en peligro seres humanos o a-
nimales. Esto sólo se puede conseguir cubriendo de una manera ininterrum-
pida los sistemas de producción, transmisión y distribución de energía me-
diante unos esquemas de protección y relés que hayan sido diseñados con la
atención requerida . A continuación se discutirán las consideraciones bási
cas de dichos esquemas.
1.2 Función de los Relés de Protección
La función de los relés de protección es causar la pronta remoción del ser
vicio cuando algún elemento del sistema sufre una falla (cortocircuito) o
anomalía (mal funcionamiento) en forma tal que pueda causar daño o inter
ferencia en la operación efectiva del resto del sistema; las protecciones
trabajan en asocio con los interruptores los cuales desconectan el equipo
luego de la "orden" del relé, pa-a mitigar los efectos que puedan origi-
narse por las fallas. Una función secundaria de los relés de protección
2
es suministrar indicación de la localización y tipo de falla, de tal mane-
ra que la comparación con la observación humana y los registros de falla
constituyan un medio para el análisis de la efectividad de la prevención de
fallas y la mitigación de sus efectos.
Una falla es por lo general un cortocircuito e implica sobrecorrientes y/o
desbalance en la tensión . Mal funcionamiento o anomalfa es por lo general
una falla de tipo mecánico representada por vibraciones, sobretemperatura,
desgaste mecánico y fallas en los sistemas eléctricos o mecánicos secunda-
rios.
Las fallas son producidas por el rompimiento del aislamiento, el cual pue-
de ser : aire, materiales orgánicos ( mica , papel , algodón, aceite) y ma-
teriales no orgánicos (porcelana, SF6,resina epóxica). Generalmente el
aislamiento se rompe por envejecimiento , humedad, contaminación (indus
trial, marina, suciedad ), calentamiento , fuego y sobretensiones.
Otras fallas pueden ser ocasionadas por árboles , el viento, aves , y otros
animales.
En un sistema típico de potencia las fallas se distribuyen de la siguiente
forma:
Líneas de transmisión 33.e
Cables 9c'
3
Equipos de maniobra 10 01,
Equipos de generación 7%
Equipos de transformación 12%
Sistemas secundarios 29%
Cerca del ochenta y cinco por ciento (85%) de las fallas son monofásicas a
tierra, el cinco por ciento (5%) involucran más de una fase y el diez por
ciento ( 10%) son del tipo mecánico o anormales.
Los relés de protección son ayudados en su función por los interruptores
que son capaces de desconectar el elemento defectuoso, ya sea en condicio
nes normales o en cortocircuito, cuando el equipo de protección se los mar
da. Los interruptores están localizados de tal forma que cada equipo (ge
nerador, transformador , línea , etc.) pueda desconectarse por completo del
resto del sistema, o sea que los interruptores siempre se encuentran como
elemento separador entre dos (2) equipos. Los fusibles se utilizan como e
lementos de protección cuando los relés y los interruptores no son justifi
cables económicamente.
1.3 C lasificación de los Relés
Las siguientes clasificaciones y definiciones se basan en la Norma ANSI C
37.90 (IEEE 313).
1.3.1 Los relés se pueden dividir en cinco (5) categoriasfun
cionales, así:
4
1.3.1.1 Relés de Protección
Son los que detectan líneas y aparatos defectuosas o cualquier otra condi-
ción peligrosa o intolerable . Estos relés pueden iniciar o permitir aper-
tura de interruptores o simplemente dan una alarma.
1.3.1.2 Relé de Monitoreo
Son los que verifican las condiciones del sistema de potencia o del siste-
ma de protección . Esta categoría incluye entre otros:
Relés de verificación de sincronismo
Relés verificadores de secuencia de fases
Monitores de canales de comunicación y protección
Sistemas de alarmas e indicadores de estado del sistema
(mímicos).
1.3.1.3 Relés Programables
Son los que establecen o detectan secuencias eléctricas , como por ejemplo
los relés de recierre y sincronismo.
1.3.1.4 Relés Reguladores
Son los que se activan cuando un parámetro del sistema se desvía de lími-
tes predeterminados . Estos relés actúan a través de equipo s .:p'ecentaric
para restablecer el parámetro a los límites prescritos, como por ejemplo
5
relés reguladores detersión para cambiadores automáticos bajo carga de los
transformadores de potencia.
1.3.1.5 Relés Auxiliares
Son los que operan en respuesta a la apertura o cierre del circuito de ope
ración de los relés de protección para efectuar una función determinada.Es
tos incluyen temporizadores, contactores, relés de bloqueo, relés de dispa
ro, etc.
Además de las categorías funcionales antes descritas los relés se pueden
clasificar por su entrada, principio de operación y comportamiento.
1.3.2 Entrada o Cantidad Actuante
Corriente
Tensión
Potencia
Presión
Frecuencia
Temperatura
Flujo
- Vibración
- Velocidad
6
1.3.2.1 Principio de Operación
Estado sólido
Electromecánicos
Térmicos
1.3.2.2 Comportamiento o Desempeño
Distancia
Sobrecorriente
Sobrecorriente direccional
Tiempo inverso
Tiempo definido
_ Baja tensión o sobretersión
- Fase o tierra
- Alta o baja velocidad
- Comparación de fases
- Comparación direccional
fases segregadas
1.4 Determinación del Grado de Protección Requerida
Ya que simplemente no es factible diseñar un sistema de protección capaz
de atender cualquier problema potencial, se impone la necesidad de hacer
7
compromisos . En general , sólo aquellos problemas que, de acuerdo con exoe
riencias pasadas, pueden ocurrir más frecuentemente , reciben una mayor aten
ción. Naturalmente , esto hace que la protección tenga algo de arte. Dife
rentes ingenieros de protección y compañías productoras, diseñan sistemas
significativamente diferentes de protección para el mismo equipo o compo-
nente del sistema.
Como resultado es muy poca la normalización que existe en los relés de pro
tección. No solamente puede variar el sistema de protección , sino también
el alcance de la zona que cubre dicha protección. Disponer de demasiada
protección es casi tan malo como contar con poca protección.
Cada instalación eléctrica en servicio puede estar expuesta a defectos e-
léctricos . Se trata en la mayoría de los casos de cortocircuitos, pe-
ro también de defectos a tierra, de sobretensiones , de sobrecargas , etc.Es
tos defectos pueden poder en peligro parte de la instalación o reducir con
siderablemente su duración de vida . Un conocimiento exacto de estos ries-
gos es la condición previa para la concepción de un dispositivo de protec-
ción económicamente rentable y técnicamente óptimo.
En la actualidad, las estadísticas facilitan el cálculo de la probabilidad
de las fallas para cada parte de una instalación eléctrica ; por ejemplo,
para redes a 220 kY, se calcula que el número de fallas varía entre 0,2 y
1 salidas - año por cada 100 km de línea. El cálculo del cortocircuito su
ministra la potencia dei defecto.
ó
Conociendo las estadísticas de los daños en los años precedentes , es pos¡
ble obtener las indisponibilidades por unidad de tiempo ( año) las cuales
permiten discriminar:
Material defectuoso
Gastos de reparación (trabajo)
- Pérdida de energía
Peligro para hombres y animales
Estos valores permiten cifrar el riesgo en unidades monetarias.
En el cálculo del precio de un dispositivo de protección, no sólo hay que
tener en cuenta el precio de compra del propio relé, sino también de todos
los aparatos asociados al mismo ( transformadores de corriente , baterías,
etc.) proporcionalmente a su distribución en la protección considerada, y
los gastos de explotación ( mantenimiento , controles periódicos y disparos
intempestivos eventuales provocados por la protección y que dan lugar a u-
na falta de energía).
Si se compara ahora el valor total del riesgo para una instalación con la
prima (costo total del dispositivo de protección ), a; que ex aminar de
cerca el factor duración de la falla, es decir, el tiempo de disparo de la
protección . E s muy posible ^ue un_- pr otección rás costos?. ce ro co n
un tiempo d_a disparo más corto, reduzca el riesgo en forma tal, que resul-
9
te finalmente la solución más económica.
1.5 Determinación del Tiempo Requerido para Eliminar una Fa
11a
Cuando se lleva a cabo el cálculo descrito en la anterior sección, resulta
obvio, con base en las estadísticas reunidas en los últimos treinta (30) a
ños, que la extensión de la destrucción causada por fallas eliminadas en
un tiempo inferior a cien (100) ms es considerablemente inferior a la causa
da por fallas eliminadas en más de cien (100) ms.
Innumerables análisis de fallas han confirmado esta relación y como conse-
cuencia de ello se han diseñado unos esquemas de protección mede rnos que
tienden a obtener tiempos de eliminación de fallas de ochenta (80) a cien-
to veinte (120)ms, es decir, que para el funcionamiento del relé se dispo-
ne de diez (10) a cuarenta (40)ms, según sea el tipo de interruptor utili-
zado.
Generalmente en Norteamérica y también en otros países -especialmente cuan
do se trata de instalaciones importantes - se especifica también el tiempo
para la protección local de reserva . Estos son entonces los valores para
determinar cuánta protección se requiere . En la mayoría de los cases e les
mostrarán que , a largo plazo , el ahorro en la protección consti tuye la
solución menos económica.
1.6 Técnicas de los Relés de Protección
Los relés de protección se realizan hoy, o con la ayuda de sistemas mecáni
cos (relés Ferraris, de cuadro móvil, de hierro móvil) o bien con sis:e-
mas de medida estáticos.
Las características de los relés estáticos (poco consumo, rapidez, conce;
ción compacta, posibilidad de realizar cómodamente unas características de
medida especiales) se aprecian especialmente en las grandes instalaciones
de protección o cuando la realización de un conjunto de relés resulta nece
saria. El sistema de construcción en elementos normalizados asegura una
gran flexibilidad de empleo y garantiza una seguridad y una cor,fiabiliHad
al menos equivalente a la de los relés electromecánicos . Pueden disponer-
se con entradas separadas galvánicamente unas de otras y transformadores de
entrada provistos con blindaje entre sus arrollamientos primario y secunda
rio para que los cables de alimentación no necesiten ser blindados; las sa
lidas están provistas con relés mecánicos, lo que permite efectuar conexio
nes con los circuitos de mando y señalización sin ningún problema.
Por lo tanto se consideran los relés de estado sólido, al menos para las
protecciones principales , como los más adecuados para utilizarse en insta-
lación de alta tensión, técnica que es predominante hoy en todo el mundo.
Además, los relés electromecánicos están ya fuera de la linea normal de
producción de algunos fabricantes . Para las instalaciones de media y baja
tensión todavía se utilizan relés electromecánicos por su reconocida con-
fiabilidad y por la simplicidad en su principio de operación; esto es par-
1'
ticularmente cierto en el caso de los relés de sobrecorriente de tiempo
inverso.
1.7 Representación del Sistema de Potencia
Cuando se pretenden realizar estudios sobre el sistema ce proteccióc es
normal representar dicho sistema mediante los llamados diagramas unifila
res, los cuales se conforman mediante símbolos y convenciones establecidos
de acuerdo con el tipo de normas que se empleen para su construcción (ANSI
de Norteamérica o IEC de Francia, principalmente).
En dichos diagramas unifilares se presenta la disposición y ubicación de
los componentes principales del sistema o parte de él (centrales de gene-
ración, subestaciones, transformadores, líneas, barrajes y líneas de trans
misión).
Desarrollando un poco más una porción específica del sistema, se presenta
una información más completa referente a los equipos que conforman dicha
porción del sistema presentando en el diagrama las características princi-
pales de los equipos de control , protección y medida de acuerdo a la deno-
minación por números establecida en la norma ANSI C37.2, de acuerdo con la
función que desempeñen , denominación que es utilizada también en los dia-
gramas de principio, libros de instrucción y especificaciones. En el Ane-
xo No. 1 se presenta dicho sistema de nomenclatura.
Las `figuras No.!-1 y No.1-2 presentan dos (2) e snplos cel diagrana unir
17
lar de un sistema de potencia y el diagrama unifilar desarrollado para una
subestación.
34,5 kv
1 3 ,2 IV
FIGURA No. 1-1 DIAGRAMA UNIFILAR GENERALA LA SuBES-ACION SAN CARLOS
IES E4 L239 - 0 ',5 10,115 KV
1Z A
t ?f ^^eerenrteaón .'r-^87 ^.
í iti ^? i
A
IZOO-5A.
-e9 e9
79 2 52
89 89\
89 B9 89^ ) 89
Í
1
FIGURA No. 1-2 DIAGRAMA UNIFILAR DESARROLLADO
1.3 Principio F urI a-ent al de Utilización de los R e", -Es :: e
Protección
Considerares sólo por el momento los relés de protección contra ccrtocir-
cuitos. Hay dos (2 ) grupos de dichos equipos que son la protección privo=
pal y la protección de respaldo.
1.8.1 Protección Principal
La filosofía general de la aplicación de los relés de protección consiste
en dividir el sistema de potencia en zonas de protección que n;:eder. ser
protegidas adecuadamente con la mínima cantidad de desconexión en el mis-
mo. El sistema de potencia se puede dividir en las siguientes zonas:
Generadores
Motores
- Transformadores
Barrajes
Líneas de transmisión
La Figura No.1-3 ilustra una porción de un sistema con las zonas de pro-
tección demarcadas. Los relés principales son los encargados de proteger
dichas zonas dando la orden, cuando ocurre una falla en el elemento corres
pondiente, a los interruptores que son los elementos separadores de la zo-
na. 0 sea ^--ue cuando ocurre una c=alla dentro de ura zona sus relés ")m'-
1`.
cipales deben disparar todos los interruptores de la zona, y sólo esos ^n-
terruptores.
MOTORES
FIGURA No. 1-3 ZONAS DE PROTECCION
Colocar interruptores separando los diferentes elementos del sistema o las
zonas de protección permite sólo desconectar el ele-,ente defectuoso. A ve
ces puede omitirse un interruptor entre los elementos adyacentes , en cuyo
caso ambos elementos deben desconectarse si hay una falla en cualquiera de
los dos.
De la figura se puede observar que alrededor de los interruptores se crea
una zona de traslapo o superposición tal que al ocurrir una falla en és-.a,
se dispararán más interruptores que el mínimo necesario para descenecar
J
el elemento defectuoso. Pero si no hubiera suoer:osic ión,una fall a er. --. a
región entre zonas no estaría situada en nir..iuna de las caos (2) z,-as
y por lo tanto no se dispararían los interruptores . La superposición es el
menor de los dos (2 ) males . La extensión física de la superposición o
traslapo es pequeña relativamente , y la probabilidad de falla en dicha re-
gión es baja.
El alcance y demarcación de las zonas es determinada por los transformado-
res dP instrumentación que son los dispositivos que reproducen las seña-
les (tensión y corriente) del sistema de potencia para alimentar los re-
lés de protección con los niveles adecuados. La zona de traslapo se legra
entonces instalando transformadores de instrumentación a ambos lados del
interruptor tal cono se ilustra en la Figura No. 1-4 a.
rc pert :o zona B
ZONA A
T.C. pcra 'o =no
LONA A
TC. Para 'IQ .'cno A
ZONA B
ZONA B
TC. Paro lo e-e. T r a-s'ormoaores ae corri e n t ea un lodo
de i nterruptor
FI GURA No. 1-4 LOCALIZACION DE TRANSFOR:'.AOORES DE CORRIENTE
o. Trdnstormddores de corriente en
omoos lados del interruptor
lc
Esto as factible y económico en sistemas de basa tensión e cuando se u-
tilizan interruptores de tar,cue muerto. En siste r:as de alta tensión y con
interruptores de tanque vivo, por razones económicas sólo se instala un so
lo transformador de instru - entación tal como se ilustra en la Figura
No. 1-4b; en este caso , al nc existir el trasla:C , se tiene una zon .. "roer
ta" para la protección no produciéndose el disparo de todos los interru:-
tores necesarios para aislar la falla. Fallas en esta zona "muerta" de
la protección se pueden detectar con relés de respaldo local contra las
fallas del interruptor que serán descritas en capitulo posterior.
1.8.2 Protección de Respaldo
La interrupción selectiva de una falla en un sistema eléctrico origina la
actuación de la siguiente cadena de aparatos:
Equipos para medida de la magnitud (transformadores de
corriente, transformadores de potencial con sus líneas secundarias y fusi-
bles).
Elementos que establecen los valores reducidos (relés,
dispositivos de disparo, etc.).
Equipo de interrupción (interruptores incluyendo su me
canismo de control, etc.).
Los aux'',iares correspondientes (batería, transmisión
de infcr-ación y mando a a '.= a frecuencia , compresores de aire , etc.).
1
Si uno de los elementos de la cadena falla, el sistema de protección no
trabaja y la falla continúa hasta presentarse la destrucción de la -,arte a
fectada. Como el daño, y además el tiempo y los gastos involucrados en la
reparación, dependen esenc'alment del tiempo de duración del cortocircui-
to, es esencial que los relés y los interruptores sean de acción rápida.
demás de este sistema de protección, los requerimientos modernos demandan
la supervisión de la cadena de elementos del sistema de protección. Esto
es especialmente cierto para grandes concentraciones de potencia y altas
tensiones de transmisión. La instalación debe permanecer protegida aún si
hay falla simultánea en ella y en la cadena de protección. Todo el equipo
que forma parte de este sistema de protección adicional recibe el nombre
de protección de respaldo.
El diseño se basa usualmente en la falla de un elemento de la cadena; la
falla simultánea de dos ( 2; elementos de la cadena, a menos que se deba a
la misma causa, se considera altamente improbable y solamente se tiene en
cuenta en instalaciones extremadamente importantes . El costo de la protec
ción de respaldo puede justificarse tomando en cuenta la probabilidad de
falla de cada elemento de la cadena , la importanc '.: del sistema eláct:rico
que se desea proteger , la probabilidad de ocurrencia de la falla y el cos-
to de la salida del sistema.
La protección de respaldo se emplea solamente para la p re tección contra
cortocircuitos (tipo pre_cminante de falla en un sistema de potencia;.
La experiencia ha demostrado que la protección de respaldo que no sea con-
tra cortocircuito no es económicamente justificable. Existen dos (2, for-
mas básicas de protección de respaldo:
Respaldo remoto
Sistema de protección duplicado - respaldo loca'
Como un complemento se utiliza la supervisión del equipo existente.
1.8.2.1 Respaldo Remoto
Es deseable que la protección de respaldo esté dispuesta de tal forra que
cualquier evento que pueda originar la falla de la protección princi;:al no
origine la falla de la protección de respaldo en una estación difererte,de
aquí el nombre de protección de respaldo remota.
En este sistema la falla se mide en varios puntos de la red a través de la
trayectoria del cortocircuito. Los tiempos de disparo se gradúan ce tal
forma que se realiza una desconexión selectiva y rápida si todo el eq uipo
de protección funciona correctamente, pero si algún elemento de la cadena
falla se aisla la falla por medio de los interruptores remotos, des pAs de]
retardo de tiempo de la estación siguiente. Esto se logra en una f:rna na
tural ya sea por la característica de los relés de sobrecorriente de tiem-
po inverso o por la segunda y tercera zonas de protección de los relés de
distancia.
Para un mejor entendimiento de la operación de los relés de respalde re-c-
to se presenta la Figura No. 1-5.
:s
c o
A 8
1 1 2 3 1 4 1 5
E
to
11
Falto en 1 y no opera C9- 4------- Operan C8-2 y C9-5
Fano en 1 y no opero Ca- 5-- -----Operan C8-4, CE-8 y C8-9
Folio en 2 y no opero CE- 7--------Operan CB• 5, CB-6 yC8-9
Folio en 3ynoopera C8-6-------Operan CB-41 C8-7yCB-9
CE Interruptor
b. Ejemplo
FIGURA No . 1-5 PROTECCION DE RESPALDO REMOTO
La protección de respaldo para la línea EF está normalmente dispuesta pa
ra disparar los interruptores A, B, 1 y J. Si el interruptor E falla al
disparar, por una falla en la Sección EF, se dispararían los interruptores
A y B (no los interruptores C y D ya que están localizados en la misma es-
tación de E). Si ocurre una falla en la estación K, los relés de respaldo
en este.caso serían A, B y F. Los relés de respaldo para la línea BD se -
rían A y F.
Es evidente que cuando funciona la protección de respaldo, se desconecta u
o. protección de respaldo
na parte mayor del sistera que cuando funciona correctamente la protección
primaria . La protección de respaldo debe funcionar con suficiente retardo
de tiempo cono para que le dé a la protección primaria tiempo suficiente
para funcionar si es capaz de hacerlo. En otras palabras, cuando ocurre
na falla, ambas protecciones ( principal y de respaldo ) inician np ;. al ,e
te su funcionamiento , pero se espera que la protección principal dispare
los interruptores necesarios para retirar el elemento descompuesto del sis
tema, y la protección de respaldo responderá sin haber terido ' .er.pc de
complementar su función.
Los relés de respaldo normalmente son o hacen parte de la protección prin-
cipal de las estaciones remotas.
1.8.2.2 Principio de Protección Duplicada
Consiste en la duplicación de
protección, y cada uno de los
la misma velocidad , es decir,
los componentes que se han de
dad de falla de ellos y la im
de proteger.
elementos más importantes de la cadena de
ramales se dispone normalmente para operar a
tan rápido como sea posible . La selección de
duplicar debe tener en cuenta la prc_abili -
)ortancia del sistem a eléctrico que se trata
La duplicación de los relés puede realizarse utilizando el mismo crincipic
de medida (por ejemplo, dos relés de distancia) o diferente principio de
medida (pnr ejemplo, protección principal d_ distar.cia - ^ro`e_ciór. de
respaldo con relés de scdrecorriente; para duplicación de :rotecc'ó n de fa
2i
lla a tierra, protección principal de distancia para todo tino ^: fal.a-
protección de distancia de respaldo con características de reactancia). Se
disponen entonces los transformadores de corriente con dos (2) núcleos, ca
da uno de los cuales alimenta un grupo de relés, y los interruptores se e-
quipan con dos (2 ) bobinas de disparo cada una de ellas operara ?cr u-.
equipo de relés ; dependiendo de la importancia de la instalación puede du-
plicarse la batería. Igualmente los transformadores de potencial se dispo
nen con dos ( 2) devanados , cada uno de los cuales alirienta una cadena
de protección.
Al contrario del principio de tiempos escalonados, este tipo de protección
de respaldo está todo incluido en el mismo lugar de la instalación.
El interruptor es el elemento de la cadena de sistema de protección que
por su elevado costo no se duplica, por lo tanto se debe prever un relé
que proteja las subestaciones contra fallas de los interruptores o dejar
que actúe la protección de respaldo remoto.
1.8.2.3 Principio de Supervisión
Consiste en la supervisión continua de la cadena de elementos de protec -
ción con el fin de evitar disparos indeseados del sistema de protección.A
parte de los chequeos operacionales de los relés con sus circuitos de dis-
paro e interruptores , en la mayoría de los casos se supervisa la tensión
de .a baterfa y en o--os el circuito de disparo de los interrupt ores se e-
euipa con dispositivos para su supervisión.
712
1.9 Principales Exigencias Impuestas a 10s Dispcsitivos de
Protección
1.9.1 Selectividad
El relé de protección sólo debe aislar la parte de la instalación alcanza-
da por el defecto y evitar el corte superfluo de cualquier otro elemento.
1.9.2 Seguridad
El relé nunca debe disparar en ausencia de defecto en el elemento protegi-
do
1.9.3 Confiabilidad
Con ocasión de un defecto el relé siempre debe disparar dentro de los tiem-
pos de disparo garantizados. La confiabilidad del disparo es extremadamen
te importante cuando los relés de respaldo no dan disparo selectivo.
1.9.4 Sensibilidad
Se refiere al mínimo valor de entrada para el cual el relé ya funciona co-
rrectamente (por ejemplo , cortocircuito tri csico muy próximo a los trans
formadores de tensión que alimentan la protección , requiere una sensibili-
dad elevada).
1.9.5 Velocidad
El disparo deberá ser efectuado en un tiempo mínimo para evitar :r emes
de estabilidad.
i)
1.10 ¿Cóqo Funcionan los Relés de Protección?
Hasta ahora se han tratado los relés en una forma muy impersonal, dicien-
do qué hacen , sin tor..ar en cuenta cómo lo hacen. Esto se expondrá a tra-
vés de los diferentes capítulos de este libro ; pero se puede adelantar, en
una forma muy general , la siguiente explicación.
íodbs los relés utilizados para protección de cortocircuitos y el•.unas a
nomalias funcionan en virtud de la corriente y/o tensión proporcionada a e
líos por los transformadores de instrumentación ( tensión y corriente) co
nectados en diferentes combinaciones al elemento del sistema que va a prote
gerse . Por cambios individuales o relativos en estas dos (2 ) ragnitudes
las fallas señalan su presencia , tipo y localización a los relés de protec
ción. Para cada tipo de localización de falla se presentan diferencias en
estas magnitudes, así como varios tipos de equipos de protección disponi-
bles, cada uno de los cuales está diseñado para reconocer ua cif erercia
particular y funcionamiento en respuesta a ésta.
Cuando ocurren fallas y algunas anomalías, estas magnitudes pueden variar
en una o más de las siguientes formas:
Magnitud
Frecuencia
Angulo de fase
.ración
2 4
Razón de cambio
Dirección
Arr„ónicas o forma de onda
La figura No.'-6 ilustra la forma general de conexión de los relés de pro-
tección BARRAJE0A
1
a8
Dc
le
tero
FIGURA No. 1-6 CONEXION GENERAL DE LOS RELES DE PROTECCION