CAPITULO 01

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b ^ o :PrAx llill 1-

Pons CARLOS FELIPE RAMIREZ G.1. E., M. Sc.

Pontificia BolivarianaOhio Mato Universily

Auspiciado per:

MEDIA CCILLEGAS S.A.UNIVERSIDAD

CONSULTOYES INOENIERIA ELICTICA PONTIFICIAB LIVARIANA

INTRODUCCION

Este libro fue elaborado exclusivamente con fines didcticos y se bas en

libros y publicaciones existentes ; especialmente , para los tres (3) prime-

ros captulos , en el libro del Ingeniero C. Russell Manson "The Art and

Science of Protective Relaying " ( 1). Los dems captulos son una recopila-

cin de artculos y libros de los principales fabricantes de rels de pro-

teccin, tanto de la tendencia Americana como de la Europea.

El Autor

Agradezco muy especialmente a los In

genieros Alvaro Villegas Meja yLuis F. Penagos Gmez por su aportea la elaboracin de este documento.

El Autor

INTRODUCCION A LOS RELES DE PROTECCION

CONTENIDO

PAGINA

CAPITULO 1 INTRODUCCION Y FILOSOFIA GENERAL

1.1 Introduccin 1

1.2 Funcin de los Rels de Proteccin 1

1.3 Clasificacin de los Rels 3

1.3.1 Categoras Funcionales 3

1.3.2 Entrada o Cantidad Actuante 5

1.4 Determinacin del Grado de Proteccin

Requerida 6

1.5 Determinacin del Tiempo Requerido pa

ra Eliminar una Falla 9

1.6 Tcnicas de los Rels de Proteccin 10

1.7 Representacin del Sistema de Poten -

cia 11

1.8 Principio Fundamental de Utilizacin

de los Rels de Proteccin 13

1.8.1 Proteccin Principal 13

1.8.2 Proteccin de Respaldo 16

1.9 Principales Exigencias Impuestas a los

Dispositivos de Proteccin 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 Cmo Funcionan los Rels de Proteccin? 23

CAPITULO 2 CALCULOS DE CORTOCIRCUITO -

UNA VISION GENERAL

2.1 Introduccin 25

2.2 Bases Fundamentales 26

2.3 Componentes Simtricas 29

2.4 Cortocircuito . Generalidades 35

2.4.1 Efectos 35

2.4.2 Cortocircuito Trifsico Simtrico 37

2.4.3 Cortocircuito Monofsico 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 Clculos de Cortocircuito en una Red

Radial 46

2.6 Clculos de Cortocircuito en una Red

Enmallada 54

2.7 Balance de Amperios -Vuelta y Circulacin

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 Definicin de Funcionamiento 65

3.1.3 Indicadores de Funcionamiento 67

3.1.4 Bobinas de Sello y de Retencin 67

3.1.5 Ajuste del Valor de Puesta en Trabajo

o de Reposicin 67

3.1.6 Ajuste del Tiempo de Operacin 69

3.1.7 Otras Consideraciones 69

3.2 Rels de una Sola Magnitud del Tipo

Atraccin Electromecnica 70

3.3 Rels Direccionales del Tipo Atraccin

Electromecnica 73

3.4 Rels del Tipo Induccin 75

3.4.1 Principios Generales de Funcionamiento 75

3.4.2 Tipos de Estructura Actuante 78

3.5 Rels de Induccin de una Sola Cantidad

Actuante 81

3.6 Rels de Induccin Direccionales 83

3.6.1 Rels de Corriente-Corriente 83

3.6.2 Rels de Corriente-Tensin 85

3.6.3 Rels de Tensin-Tensin 87

3.6.4 Caractersticas de Funcionamiento de un

Rel Direccional 87

3.7 Ecuacin General de Torque 90

3.8 Rels de Estado Slido 90

3.8.1 Elementos de Trabajo 91

3.8.2 Caractersticas de Diseo 95

3.8.3 Algunos Circuitos de Rels de Estado So

lido 96

3.9 Otros Rels 98

CAPITULO 4 TIPOS PRINCIPALES DE RELES DE PROTECCION

4.1 Rels de Sobrecorriente , Baja Corriente,

Sobretensin y Baja Tensin 102

4.1.1 Ajuste del Valor de Puesta en Trabajo 103

4.1.2 Ajuste del Tiempo de Operacin 103

4.1.3 Sobrecarrera y Tiempo de Reposicin 106

4.1.4 Conexin 108

4.2 Rels Direccionales de ca. 109

4.2.1 Rels de Potencia 110

4.2.2 Rels Direccionales de Sobrecorriente 111

4.3 Rel de Equilibrio de Corriente 117

4.4 Rels Diferenciales 120

4.5 Rels de Distancia 125

4.5.1 Tipos de Rels de Distancia 126

4.5.2 Consideraciones Generales Aplicables a

todos los Rels de Distancia 143

4.6 Rels Pilotos 147

4.6.1 Hilo Piloto 148

4.6.2 Comparacin de Fases 149

4.6.3 Ondas Viajeras 152

4.7 Algunos Circuitos para Rels Electrn

cos 154

4.7.1 Comparador de Bloque Instantneo 157

4.7.2 Comparador de Bloque Promedio 159

4.7.3 Rel Tipo Impedancia 161

4.7.4 Rel Mho 163

4.7.5 Rel Mho Completamente Polarizado 164

4.7.6 Rel de Reactancia 166

4.8 Algunos Circuitos Electrnicos para los

Principales Tipos de Rels de Proteccin 170

CAPITULO 5 TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTACION

5.1 Introduccin 178

5.2 Transformadores de Potencial 178

5.2.1 Definicin 178

5.2.2 Simbologa 178

5.2.3 Tensiones Nominales 178

5.2.4 Potencia Nominal 180

5.2.5 Potencia Mxima 181

5.2.6 Error de Tensin 181

5.2.7 Angulo de Error 182

5.2.8 Lmite de Capacidad Trmica 182

5.2.9 Factor de Tensin 182

5.2.10 Tipos 184

5.2.11 Clases 188

5.2.12 Causas de los Errores de Relacin 190

5.2.13 Seleccin de la Potencia Nominal 193

5.2.14 Aislamiento 193

5.2.15 Clases de Precisin 194

5.2.16 Conexiones 194

5.3 Transformadores de Corriente 196

5.3.1 Definicin 196

5.3.2 Simbologa 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 Lmite Trmica 202

5.3.10 Corriente Lmite Dinmica 203

5.3.11 Corriente Trmica Nominal 203

5.3.12 Coeficiente de Sobreintensidad 203

5.3.13 Tipos 203

5.3.14 Lmites de Operacin para Proteccin 215

5.3.15 Seleccin de la Potencia Nominal 216

5.3.16 Clases de Precisin 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 Introduccin 226

6.2 Proteccin contra Fallas en los Arrolla

mientos del Estator (87 G) 227

6.3 Proteccin contra Fallas entre Espiras

(51) 230

6.3.1 Tendencia Americana 232

6.3.2 Tendencia Europea 234

6.4 Proteccin contra Fallas a Tierra del Es-

tator ,(59 G)

6.4.1 Tendencia Americana 237

6.4.2 Tendencia Europea 241

6.5 Proteccin contra el Sobrecalentamiento

del Estator ( 49) 243

6.6 Proteccin contra Sobretensiones de ca

(59) 244

6.7 Proteccin contra Fallas a Tierra en el

Campo ( 64) 244

6.8 Proteccin contra Corrientes Desbalancea -

das (46) 246

6.9 Proteccin contra la Prdida de la Excita-

cin (40) 248

6.10 Proteccin contra Motoreo ( 32) 251

6.11 Proteccin contra Bajas Tensiones ( 27) 2546.12 Proteccin de Respaldo contra Fallas Ex

ternas 254

6.13 Otras Protecciones 255

6.13.1 Proteccin contra Vibraciones 255

6.13.2 Proteccin de Sobrecalentamiento de las

Chumaceras 256

6.13.3 Proteccin contra Quemado de Fusibles

de los Transformadores de Potencial 256

6.13.4 Proteccin contra Sobretensiones Transi

torias 256

6.14 Esquema General 257

6.15 Proteccin 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 Tensin 268

6.15.6 Inversin de Fase 268

6.15.7 Fases Desbalanceadas 269

6.15.8 Prdida de Excitacin 269

6.15.9 Prdida de Sincronismo 269

6.15.10 Esquema General270

CAPITULO 7 :;ROTECCION DE TRANSFORMADORES Y REACTORES

7.1 Proteccin Diferencial 272

7.1.1 General 2727.1.2 Rels de Sensibilidad Reducida 274

7.1.3 Rels con Bloqueo de Armnicas 275

7.1.4 Insensibilizacin del Rel 276

7.1.5 Conexin de los Transformadores de Co -

rriente 277

7.1.6 Ajuste del Rel 2907.1.7 Proteccin Diferencial de Autotransforma

dores 296

7.1.8 Alcance de la Zona de Proteccin 298

7.2 Rel de Presin Sbita 299

7.3 Rel Buchholz 299

7.4 Proteccin con Rels de Sobrecorriente 301

7.5 Proteccin contra Anomalas 305

7.6 Disparo Transferido 306

7.7 Proteccin de Transformadores de Puesta a

Tierra 306

7.8 Proteccin de Respaldo contra Fallas Ex -

ternas 309

7.9 Proteccin de Reactores en Derivacin 311

7.9.1 Proteccin de Sobrepresin 314

7.9.2. Proteccin de Sobrecorriente 314

7.9.3 Proteccin Diferencial 315

CAPITULO 8 PROTECCION DE BARRAS

8.1 Configuraciones 319

8.1.1 Configuraciones de Conexin de Barras 319

8.1.2 Configuraciones de Conexin de Inte -

rruptores 325

8.2 Proteccin 327

8.2.1 Proteccin de Barras con Rels Diferen

ciales de Sobrecorriente 328

8.2.2 Proteccin de Barras con Rels Diferen

ciales de Alta Impedancia 330

8.2.3 Proteccin de Barras por el Principio

de Comparacin Direccional 337

8.2.4 Proteccin de Respaldo 339

8.2.5 Proteccin de Barras de las Diferentes

Configuraciones 340

CAPITULO 9 PROTECCION DE LINEAS CON RELES DE SO -

BRECORRIENTE

9.1 Ajuste de los Rels de Sobrecorriente 346

9.2 Seleccin de la Curva de Operacin de

los Rels 353

9.2.1 Curvas Extremadamente Inversas 353

9.2.2 Curvas Inversas 356

9.3 Ajuste de los Rels de Tierra contra

los de Fase 356

9.4 Utilizacin de los Rels Direccionales 357

9.5 Utilizacin de los Rels Instantneos 3599.6 Deteccin de Fa llas a Tierra en Siste-

mas no Puest os a Tierra 366

9.7 Coordinacin de Rels y Fusibles 3669.8 Ejemplo 367

CAPITULO 10 PROTECCION DE LINEAS CON RELES DE DIS-

TANCIA

10.1 Propiedades Caractersticas de la Pro-

teccin de Distancia 371

10.2 Zonas de Proteccin 373

10.3 Aplicacin de los Rels de Distancia 374

10.4 Seleccin entre Rels de Impedancia

Reactancia o Mho 376

10.5 Efectos en el Ajuste de los Rels 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 Lneas en Paralelo 386

10.6 Impedancia Vista por el Rel 388

10.7 Tendencias en el Ajuste de los Rels de

Distancia 390

10.7.1 Criterios Generales de Ajuste de los Re

ls de Distancia 390

10.7.2 Ajuste Tradicional 391

10.7.3 Mtodo de Ajuste Utilizado por EPM 398

10.7.4 Mtodo de Ajuste Utilizado por ISA 403

10.7.5 Alcance Mximo de la Zona 3 y de la Ca-

racterstica de Oscilacin 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 Introduccin 414

11.2 Rels Pilotos por Comparacin de Co -

rrientes 415

11.2.1 Hilo Piloto 415

11.2.2 Comparacin de Fases 417

11.2.3 Ondas Viajeras 420

11.3 Proteccin Piloto con Rels de Distan -

cia 422

11.3.1 Bajo Alcance Permisible con Transferen-

cia de Disparo 424

11.3.2 Aceleracin por Portadora 424

11.3.3 Transferencia de Disparo Directa 427

11.3.4 Comparacin Directa - Esquema de Bloqueo 427

11.3.5 Comparacin Directa - Esquema de no Blo-

queo 430

11.3.6 Sobrealcance Permitido - Transferencia

Directa 432

11.3.7 Esquema Hbrido 432

11.3.8 Extensin de la Zona 1 434

CAPITULO 12 OTROS RELES Y SISTEMAS DE PROTECCION


12.2 Proteccin de Respaldo Local 435

12.2.1 Duplicacin de los Rels de Proteccin 437

12.2.2 Proteccin Local de Respaldo contra Fa -

]las del Interruptor 449

12.3 Recierre Automtico 461

12.3.1 Tipos de Fallas 462

12.3.2 Desionizacin 463

12.3.3 Tiempo Muerto 464

12.3.4 Duracin de la Falla 466

12.3.5 Bloqueo 466

12.3.6 Interruptores 466

12.3.7 Rels de Recierre 467

12.3.8 Dos Interruptores por Lnea 470

12.4 Verificacin de Sincronismo 471

CAPITULO 13 PROTECCION DE SISTEMAS INDUSTRIALES


13.2 Dispositivos de Proteccin 473

13.2.1 Rels de Sobrecorriente 474

13.2.2 Rels Diferenciales 475

13.2.3 Otros Rels 480

13.2.4 Interruptores 480

13.2.5 Fusibles 484

13.3 Requerimientos de Proteccin 485

13.3.1 Transformadores 485

13.3.2 Alimentadores 487

13.3.3 Generadores 488

13.3.4 Motores 489

13.4 Coordinacin 495

13.4.1 Rels 496

13.4.2 Interruptores de Baja Tensin 500

13.4.3 Fusibles 500

13.4.4 Coordinacin entre Diferentes Dispositi

vos 504

13.5 Esquemas Tpicos 504

APENDICE - NOMENCLATURA DE LOS RELES

NORMA ANSI C37.2 DE 1970 511

BIBLIOGRAFIA 517

CAPITULO 1

INTRODUCCION Y FILOSOFIA GENERAL

1.1 Introduccin

Los rels son dispositivos analgicos compactos que son conectados a tra -

vs de los sistemas de potencia para detectar condiciones intolerables o no

deseadas dentro de un rea asignada.

El objetivo de un sistema de proteccin consiste en reducir la influencia

de una falla en el sistema , hasta tal punto que no se produzcan daos rela

tivamente importantes en l ni tampoco ponga en peligro seres humanos o a-

nimales. Esto slo se puede conseguir cubriendo de una manera ininterrum-

pida los sistemas de produccin, transmisin y distribucin de energa me-

diante unos esquemas de proteccin y rels que hayan sido diseados con la

atencin requerida . A continuacin se discutirn las consideraciones bsi

cas de dichos esquemas.

1.2 Funcin de los Rels de Proteccin

La funcin de los rels de proteccin es causar la pronta remocin del ser

vicio cuando algn elemento del sistema sufre una falla (cortocircuito) o

anomala (mal funcionamiento) en forma tal que pueda causar dao o inter

ferencia en la operacin efectiva del resto del sistema; las protecciones

trabajan en asocio con los interruptores los cuales desconectan el equipo

luego de la "orden" del rel, pa-a mitigar los efectos que puedan origi-

narse por las fallas. Una funcin secundaria de los rels de proteccin

2es suministrar indicacin de la localizacin y tipo de falla, de tal mane-

ra que la comparacin con la observacin humana y los registros de falla

constituyan un medio para el anlisis de la efectividad de la prevencin de

fallas y la mitigacin de sus efectos.

Una falla es por lo general un cortocircuito e implica sobrecorrientes y/o

desbalance en la tensin . Mal funcionamiento o anomalfa es por lo general

una falla de tipo mecnico representada por vibraciones, sobretemperatura,

desgaste mecnico y fallas en los sistemas elctricos o mecnicos secunda-

rios.

Las fallas son producidas por el rompimiento del aislamiento, el cual pue-

de ser : aire, materiales orgnicos ( mica , papel , algodn, aceite) y ma-

teriales no orgnicos (porcelana, SF6,resina epxica). Generalmente el

aislamiento se rompe por envejecimiento , humedad, contaminacin (indus

trial, marina, suciedad ), calentamiento , fuego y sobretensiones.

Otras fallas pueden ser ocasionadas por rboles , el viento, aves , y otros

animales.

En un sistema tpico de potencia las fallas se distribuyen de la siguiente

forma:

Lneas de transmisin 33.e

Cables 9 c'

3Equipos de maniobra 10 01,Equipos de generacin 7%

Equipos de transformacin 12%

Sistemas secundarios 29%

Cerca del ochenta y cinco por ciento (85%) de las fallas son monofsicas a

tierra, el cinco por ciento (5%) involucran ms de una fase y el diez por

ciento ( 10%) son del tipo mecnico o anormales.

Los rels de proteccin son ayudados en su funcin por los interruptores

que son capaces de desconectar el elemento defectuoso, ya sea en condicio

nes normales o en cortocircuito, cuando el equipo de proteccin se los mar

da. Los interruptores estn localizados de tal forma que cada equipo (ge

nerador, transformador , lnea , 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 proteccin cuando los rels y los interruptores no son justifi

cables econmicamente.

1.3 C lasificacin de los Rels

Las siguientes clasificaciones y definiciones se basan en la Norma ANSI C

37.90 (IEEE 313).

1.3.1 Los rels se pueden dividir en cinco (5) categoriasfun

cionales, as:

41.3.1.1 Rels de Proteccin

Son los que detectan lneas y aparatos defectuosas o cualquier otra condi-

cin peligrosa o intolerable . Estos rels pueden iniciar o permitir aper-

tura de interruptores o simplemente dan una alarma.

1.3.1.2 Rel de Monitoreo

Son los que verifican las condiciones del sistema de potencia o del siste-

ma de proteccin . Esta categora incluye entre otros:

Rels de verificacin de sincronismo

Rels verificadores de secuencia de fases

Monitores de canales de comunicacin y proteccin

Sistemas de alarmas e indicadores de estado del sistema

(mmicos).

1.3.1.3 Rels Programables

Son los que establecen o detectan secuencias elctricas , como por ejemplo

los rels de recierre y sincronismo.

1.3.1.4 Rels Reguladores

Son los que se activan cuando un parmetro del sistema se desva de lmi-

tes predeterminados . Estos rels actan a travs de equipo s .:p'ecentaric

para restablecer el parmetro a los lmites prescritos, como por ejemplo

5rels reguladores detersin para cambiadores automticos bajo carga de los

transformadores de potencia.

1.3.1.5 Rels Auxiliares

Son los que operan en respuesta a la apertura o cierre del circuito de ope

racin de los rels de proteccin para efectuar una funcin determinada.Es

tos incluyen temporizadores, contactores, rels de bloqueo, rels de dispa

ro, etc.

Adems de las categoras funcionales antes descritas los rels se pueden

clasificar por su entrada, principio de operacin y comportamiento.

1.3.2 Entrada o Cantidad Actuante

Corriente

Tensin

Potencia

Presin

Frecuencia

Temperatura

Flujo

- Vibracin

- Velocidad

61.3.2.1 Principio de Operacin

Estado slido

Electromecnicos

Trmicos

1.3.2.2 Comportamiento o Desempeo

Distancia

Sobrecorriente

Sobrecorriente direccional

Tiempo inverso

Tiempo definido

_ Baja tensin o sobretersin

- Fase o tierra

- Alta o baja velocidad

- Comparacin de fases

- Comparacin direccional

fases segregadas

1.4 Determinacin del Grado de Proteccin Requerida

Ya que simplemente no es factible disear un sistema de proteccin capaz

de atender cualquier problema potencial, se impone la necesidad de hacer

7compromisos . En general , slo aquellos problemas que, de acuerdo con exoe

riencias pasadas, pueden ocurrir ms frecuentemente , reciben una mayor aten

cin. Naturalmente , esto hace que la proteccin tenga algo de arte. Dife

rentes ingenieros de proteccin y compaas productoras, disean sistemas

significativamente diferentes de proteccin para el mismo equipo o compo-

nente del sistema.

Como resultado es muy poca la normalizacin que existe en los rels de pro

teccin. No solamente puede variar el sistema de proteccin , sino tambin

el alcance de la zona que cubre dicha proteccin. Disponer de demasiada

proteccin es casi tan malo como contar con poca proteccin.

Cada instalacin elctrica en servicio puede estar expuesta a defectos e-

lctricos . Se trata en la mayora de los casos de cortocircuitos, pe-

ro tambin de defectos a tierra, de sobretensiones , de sobrecargas , etc.Es

tos defectos pueden poder en peligro parte de la instalacin o reducir con

siderablemente su duracin de vida . Un conocimiento exacto de estos ries-

gos es la condicin previa para la concepcin de un dispositivo de protec-

cin econmicamente rentable y tcnicamente ptimo.

En la actualidad, las estadsticas facilitan el clculo de la probabilidad

de las fallas para cada parte de una instalacin elctrica ; por ejemplo,

para redes a 220 kY, se calcula que el nmero de fallas vara entre 0,2 y

1 salidas - ao por cada 100 km de lnea. El clculo del cortocircuito su

ministra la potencia dei defecto.

Conociendo las estadsticas de los daos en los aos precedentes, es pos

ble obtener las indisponibilidades por unidad de tiempo ( ao) las cuales

permiten discriminar:

Material defectuoso

Gastos de reparacin (trabajo)

- Prdida de energa

Peligro para hombres y animales

Estos valores permiten cifrar el riesgo en unidades monetarias.

En el clculo del precio de un dispositivo de proteccin, no slo hay que

tener en cuenta el precio de compra del propio rel, sino tambin de todos

los aparatos asociados al mismo ( transformadores de corriente , bateras,

etc.) proporcionalmente a su distribucin en la proteccin considerada, y

los gastos de explotacin ( mantenimiento , controles peridicos y disparos

intempestivos eventuales provocados por la proteccin y que dan lugar a u-

na falta de energa).

Si se compara ahora el valor total del riesgo para una instalacin con la

prima (costo total del dispositivo de proteccin ), a; que ex aminar de

cerca el factor duracin de la falla, es decir, el tiempo de disparo de la

proteccin . E s muy posible ^ue un_- pr oteccin rs costos?. ce ro co n

un tiempo d_a disparo ms corto, reduzca el riesgo en forma tal, que resul-

9te finalmente la solucin ms econmica.

1.5 Determinacin del Tiempo Requerido para Eliminar una Fa

11a

Cuando se lleva a cabo el clculo descrito en la anterior seccin, resulta

obvio, con base en las estadsticas reunidas en los ltimos treinta (30) a

os, que la extensin de la destruccin causada por fallas eliminadas en

un tiempo inferior a cien (100) ms es considerablemente inferior a la causa

da por fallas eliminadas en ms de cien (100) ms.

Innumerables anlisis de fallas han confirmado esta relacin y como conse-

cuencia de ello se han diseado unos esquemas de proteccin mede rnos que

tienden a obtener tiempos de eliminacin de fallas de ochenta (80) a cien-

to veinte (120)ms, es decir, que para el funcionamiento del rel se dispo-

ne de diez (10) a cuarenta (40)ms, segn sea el tipo de interruptor utili-

zado.

Generalmente en Norteamrica y tambin en otros pases -especialmente cuan

do se trata de instalaciones importantes - se especifica tambin el tiempo

para la proteccin local de reserva . Estos son entonces los valores para

determinar cunta proteccin se requiere . En la mayora de los cases e les

mostrarn que , a largo plazo , el ahorro en la proteccin consti tuye la

solucin menos econmica.

1.6 Tcnicas de los Rels de Proteccin

Los rels de proteccin se realizan hoy, o con la ayuda de sistemas mecni

cos (rels Ferraris, de cuadro mvil, de hierro mvil) o bien con sis:e-

mas de medida estticos.

Las caractersticas de los rels estticos (poco consumo, rapidez, conce;

cin compacta, posibilidad de realizar cmodamente unas caractersticas de

medida especiales) se aprecian especialmente en las grandes instalaciones

de proteccin o cuando la realizacin de un conjunto de rels resulta nece

saria. El sistema de construccin en elementos normalizados asegura una

gran flexibilidad de empleo y garantiza una seguridad y una cor,fiabiliHad

al menos equivalente a la de los rels electromecnicos . Pueden disponer-

se con entradas separadas galvnicamente unas de otras y transformadores de

entrada provistos con blindaje entre sus arrollamientos primario y secunda

rio para que los cables de alimentacin no necesiten ser blindados; las sa

lidas estn provistas con rels mecnicos, lo que permite efectuar conexio

nes con los circuitos de mando y sealizacin sin ningn problema.

Por lo tanto se consideran los rels de estado slido, al menos para las

protecciones principales , como los ms adecuados para utilizarse en insta-

lacin de alta tensin, tcnica que es predominante hoy en todo el mundo.

Adems, los rels electromecnicos estn ya fuera de la linea normal de

produccin de algunos fabricantes . Para las instalaciones de media y baja

tensin todava se utilizan rels electromecnicos por su reconocida con-

fiabilidad y por la simplicidad en su principio de operacin; esto es par-

1'

ticularmente cierto en el caso de los rels de sobrecorriente de tiempo

inverso.

1.7 Representacin del Sistema de Potencia

Cuando se pretenden realizar estudios sobre el sistema ce proteccic es

normal representar dicho sistema mediante los llamados diagramas unifila

res, los cuales se conforman mediante smbolos y convenciones establecidos

de acuerdo con el tipo de normas que se empleen para su construccin (ANSI

de Norteamrica o IEC de Francia, principalmente).

En dichos diagramas unifilares se presenta la disposicin y ubicacin de

los componentes principales del sistema o parte de l (centrales de gene-

racin, subestaciones, transformadores, lneas, barrajes y lneas de trans

misin).

Desarrollando un poco ms una porcin especfica del sistema, se presenta

una informacin ms completa referente a los equipos que conforman dicha

porcin del sistema presentando en el diagrama las caractersticas princi-

pales de los equipos de control , proteccin y medida de acuerdo a la deno-

minacin por nmeros establecida en la norma ANSI C37.2, de acuerdo con la

funcin que desempeen , denominacin que es utilizada tambin en los dia-

gramas de principio, libros de instruccin 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

subestacin.

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 ^^eerenrtean .'r-^87 ^. i^ti ^? i

A

IZOO-5A.

-e9 e9

79 2 52

89 89\

89 B9 89^ ) 89

1

FIGURA No. 1-2 DIAGRAMA UNIFILAR DESARROLLADO

1.3 Principio F urI a-ent al de Utilizacin de los R e", -Es :: e

Proteccin

Considerares slo por el momento los rels de proteccin contra ccrtocir-

cuitos. Hay dos (2 ) grupos de dichos equipos que son la proteccin privo=

pal y la proteccin de respaldo.

1.8.1 Proteccin Principal

La filosofa general de la aplicacin de los rels de proteccin consiste

en dividir el sistema de potencia en zonas de proteccin que n;:eder. ser

protegidas adecuadamente con la mnima cantidad de desconexin en el mis-

mo. El sistema de potencia se puede dividir en las siguientes zonas:

Generadores

Motores

- Transformadores

Barrajes

Lneas de transmisin

La Figura No.1-3 ilustra una porcin de un sistema con las zonas de pro-

teccin demarcadas. Los rels 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 rels ")m'-

1`.

cipales deben disparar todos los interruptores de la zona, y slo esos ^n-

terruptores.

MOTORES

FIGURA No. 1-3 ZONAS DE PROTECCION

Colocar interruptores separando los diferentes elementos del sistema o las

zonas de proteccin permite slo 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 superposicin tal que al ocurrir una falla en s-.a,

se dispararn ms interruptores que el mnimo necesario para descenecar

Jel elemento defectuoso. Pero si no hubiera suoer:osic in,una fall a er. --. a

regin entre zonas no estara situada en nir..iuna de las caos (2) z,-as

y por lo tanto no se dispararan los interruptores . La superposicin es el

menor de los dos (2 ) males . La extensin fsica de la superposicin o

traslapo es pequea relativamente , y la probabilidad de falla en dicha re-

gin es baja.

El alcance y demarcacin de las zonas es determinada por los transformado-

res dP instrumentacin que son los dispositivos que reproducen las sea-

les (tensin y corriente) del sistema de potencia para alimentar los re-

ls de proteccin con los niveles adecuados. La zona de traslapo se legra

entonces instalando transformadores de instrumentacin 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 enomoos lados del interruptor

lc

Esto as factible y econmico en sistemas de basa tensin e cuando se u-

tilizan interruptores de tar,cue muerto. En siste r:as de alta tensin y con

interruptores de tanque vivo, por razones econmicas slo se instala un so

lo transformador de instru- entacin 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 proteccin no producindose el disparo de todos los interru:-

tores necesarios para aislar la falla. Fallas en esta zona "muerta" de

la proteccin se pueden detectar con rels de respaldo local contra las

fallas del interruptor que sern descritas en capitulo posterior.

1.8.2 Proteccin de Respaldo

La interrupcin selectiva de una falla en un sistema elctrico origina la

actuacin de la siguiente cadena de aparatos:

Equipos para medida de la magnitud (transformadores de

corriente, transformadores de potencial con sus lneas secundarias y fusi-

bles).

Elementos que establecen los valores reducidos (rels,

dispositivos de disparo, etc.).

Equipo de interrupcin (interruptores incluyendo su me

canismo de control, etc.).

Los aux'',iares correspondientes (batera, transmisin

de infcr-acin y mando a a '.= a frecuencia , compresores de aire , etc.).

1Si uno de los elementos de la cadena falla, el sistema de proteccin no

trabaja y la falla contina hasta presentarse la destruccin de la -,arte a

fectada. Como el dao, y adems el tiempo y los gastos involucrados en la

reparacin, dependen esenc'alment del tiempo de duracin del cortocircui-

to, es esencial que los rels y los interruptores sean de accin rpida.

dems de este sistema de proteccin, los requerimientos modernos demandan

la supervisin de la cadena de elementos del sistema de proteccin. Esto

es especialmente cierto para grandes concentraciones de potencia y altas

tensiones de transmisin. La instalacin debe permanecer protegida an si

hay falla simultnea en ella y en la cadena de proteccin. Todo el equipo

que forma parte de este sistema de proteccin adicional recibe el nombre

de proteccin de respaldo.

El diseo se basa usualmente en la falla de un elemento de la cadena; la

falla simultnea 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

cin de respaldo puede justificarse tomando en cuenta la probabilidad de

falla de cada elemento de la cadena , la importanc '.: del sistema elct:rico

que se desea proteger , la probabilidad de ocurrencia de la falla y el cos-

to de la salida del sistema.

La proteccin de respaldo se emplea solamente para la p re teccin contra

cortocircuitos (tipo pre_cminante de falla en un sistema de potencia;.

La experiencia ha demostrado que la proteccin de respaldo que no sea con-

tra cortocircuito no es econmicamente justificable. Existen dos (2, for-

mas bsicas de proteccin de respaldo:

Respaldo remoto

Sistema de proteccin duplicado - respaldo loca'

Como un complemento se utiliza la supervisin del equipo existente.

1.8.2.1 Respaldo Remoto

Es deseable que la proteccin de respaldo est dispuesta de tal forra que

cualquier evento que pueda originar la falla de la proteccin princi;:al no

origine la falla de la proteccin de respaldo en una estacin difererte,de

aqu el nombre de proteccin de respaldo remota.

En este sistema la falla se mide en varios puntos de la red a travs de la

trayectoria del cortocircuito. Los tiempos de disparo se gradan ce tal

forma que se realiza una desconexin selectiva y rpida si todo el eq uipo

de proteccin funciona correctamente, pero si algn elemento de la cadena

falla se aisla la falla por medio de los interruptores remotos, des pAs de]

retardo de tiempo de la estacin siguiente. Esto se logra en una f:rna na

tural ya sea por la caracterstica de los rels de sobrecorriente de tiem-

po inverso o por la segunda y tercera zonas de proteccin de los rels de

distancia.

Para un mejor entendimiento de la operacin de los rels 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 C9-5Fano en 1 y no opero Ca- 5-- -----Operan C8-4, CE-8 y C8-9Folio en 2 y no opero CE- 7--------Operan CB 5, CB-6 yC8-9Folio en 3ynoopera C8-6-------Operan CB-41 C8-7yCB-9

CE Interruptor

b. Ejemplo

FIGURA No . 1-5 PROTECCION DE RESPALDO REMOTO

La proteccin de respaldo para la lnea EF est normalmente dispuesta pa

ra disparar los interruptores A, B, 1 y J. Si el interruptor E falla al

disparar, por una falla en la Seccin EF, se dispararan los interruptores

A y B (no los interruptores C y D ya que estn localizados en la misma es-

tacin de E). Si ocurre una falla en la estacin K, los rels de respaldo

en este.caso seran A, B y F. Los rels de respaldo para la lnea BD se -

ran A y F.

Es evidente que cuando funciona la proteccin de respaldo, se desconecta u

o. proteccin de respaldo

na parte mayor del sistera que cuando funciona correctamente la proteccin

primaria . La proteccin de respaldo debe funcionar con suficiente retardo

de tiempo cono para que le d a la proteccin 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 proteccin principal dispare

los interruptores necesarios para retirar el elemento descompuesto del sis

tema, y la proteccin de respaldo responder sin haber terido ' .er.pc de

complementar su funcin.

Los rels de respaldo normalmente son o hacen parte de la proteccin prin-

cipal de las estaciones remotas.

1.8.2.2 Principio de Proteccin Duplicada

Consiste en la duplicacin de

proteccin, 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 ms importantes de la cadena de

ramales se dispone normalmente para operar a

tan rpido como sea posible . La seleccin de

duplicar debe tener en cuenta la prc_abili -

)ortancia del sistem a elctrico que se trata

La duplicacin de los rels puede realizarse utilizando el mismo crincipic

de medida (por ejemplo, dos rels de distancia) o diferente principio de

medida (pnr ejemplo, proteccin principal d_ distar.cia - ^ro`e_cir. de

respaldo con rels de scdrecorriente; para duplicacin de :rotecc' n de fa

2i

lla a tierra, proteccin principal de distancia para todo tino ^: fal.a-

proteccin de distancia de respaldo con caractersticas de reactancia). Se

disponen entonces los transformadores de corriente con dos (2) ncleos, ca

da uno de los cuales alimenta un grupo de rels, y los interruptores se e-

quipan con dos (2 ) bobinas de disparo cada una de ellas operara ?cr u-.

equipo de rels ; dependiendo de la importancia de la instalacin puede du-

plicarse la batera. Igualmente los transformadores de potencial se dispo

nen con dos ( 2) devanados , cada uno de los cuales alirienta una cadena

de proteccin.

Al contrario del principio de tiempos escalonados, este tipo de proteccin

de respaldo est todo incluido en el mismo lugar de la instalacin.

El interruptor es el elemento de la cadena de sistema de proteccin que

por su elevado costo no se duplica, por lo tanto se debe prever un rel

que proteja las subestaciones contra fallas de los interruptores o dejar

que acte la proteccin de respaldo remoto.

1.8.2.3 Principio de Supervisin

Consiste en la supervisin continua de la cadena de elementos de protec -

cin con el fin de evitar disparos indeseados del sistema de proteccin.A

parte de los chequeos operacionales de los rels con sus circuitos de dis-

paro e interruptores , en la mayora de los casos se supervisa la tensin

de .a baterfa y en o--os el circuito de disparo de los interrupt ores se e-

euipa con dispositivos para su supervisin.

712

1.9 Principales Exigencias Impuestas a 10s Dispcsitivos de

Proteccin

1.9.1 Selectividad

El rel de proteccin slo debe aislar la parte de la instalacin alcanza-

da por el defecto y evitar el corte superfluo de cualquier otro elemento.

1.9.2 Seguridad

El rel nunca debe disparar en ausencia de defecto en el elemento protegi-

do

1.9.3 Confiabilidad

Con ocasin de un defecto el rel siempre debe disparar dentro de los tiem-

pos de disparo garantizados. La confiabilidad del disparo es extremadamen

te importante cuando los rels de respaldo no dan disparo selectivo.

1.9.4 Sensibilidad

Se refiere al mnimo valor de entrada para el cual el rel ya funciona co-

rrectamente (por ejemplo , cortocircuito tri csico muy prximo a los trans

formadores de tensin que alimentan la proteccin , requiere una sensibili-

dad elevada).

1.9.5 Velocidad

El disparo deber ser efectuado en un tiempo mnimo para evitar :r emes

de estabilidad.

i)

1.10 Cqo Funcionan los Rels de Proteccin?

Hasta ahora se han tratado los rels en una forma muy impersonal, dicien-

do qu hacen , sin tor..ar en cuenta cmo lo hacen. Esto se expondr a tra-

vs de los diferentes captulos de este libro ; pero se puede adelantar, en

una forma muy general , la siguiente explicacin.

odbs los rels utilizados para proteccin de cortocircuitos y el.unas a

nomalias funcionan en virtud de la corriente y/o tensin proporcionada a e

los por los transformadores de instrumentacin ( tensin 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 sealan su presencia , tipo y localizacin a los rels de protec

cin. Para cada tipo de localizacin de falla se presentan diferencias en

estas magnitudes, as como varios tipos de equipos de proteccin disponi-

bles, cada uno de los cuales est diseado para reconocer ua cif erercia

particular y funcionamiento en respuesta a sta.

Cuando ocurren fallas y algunas anomalas, estas magnitudes pueden variar

en una o ms de las siguientes formas:

Magnitud

Frecuencia

Angulo de fase

.racin

2 4

Razn de cambio

Direccin

Arrnicas o forma de onda

La figura No.'-6 ilustra la forma general de conexin de los rels de pro-

teccin BARRAJE 0A

1

a8

Dc

le

tero

FIGURA No. 1-6 CONEXION GENERAL DE LOS RELES DE PROTECCION

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CAPITULO 01