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CURSO EMCT02
PROTECCIONES ELECTRICAS
Unidad 0: Presentación del Curso
 Información respecto del curso, actividades y evaluación.
 Demostración de los diversos elementos que componen la plataforma.
Unidad 1: Generalidades
 Identificar las protecciones eléctricas y su funcionalidad para el despeje de fallas
Los dispositivos de protección se requieren para salvaguardar los equipos costosos de
generación, transformación, transmisión y distribución de energía contra sobrecargas y
daños, de manera muy rápida y selectiva, aislando las partes falladas de la red; por
ejemplo, en un evento de línea de transmisión o durante una falla a tierra. Por lo tanto, son
un factor fundamental para asegurar la operación consistente de una red.
Existen varios dispositivos de protección disponibles para proteger generadores,
transformadores, líneas de transmisión y equipos en el lado del consumidor a voltajes
nominales superiores a 1 kV. El propósito de estos aparatos es detectar fallas y aislarlas de
manera selectiva y rápida, así como limitar las consecuencias de la falla tanto como sea
posible.
Con los altos niveles de corto-circuito de hoy en día y con las redes altamente enmalladas,
las fallas tiene cada vez mayores consecuencias: directas (daños en los equipos) e
indirectas (pérdidas de producción). Por consiguiente, los relés de protección deben actuar
muy rápido con la mayor confiabilidad y disponibilidad posible.
Los relés pueden agruparse en varias categorías:
 Por su funcionalidad: relés contactores o relés de medida.
 Por su construcción: relés en tarjetas, relés miniaturas, relés con contactos de
mercurio.
 Por su principio de operación: relés de bobina móvil, .
 Por su ubicación: relés telefónicos, relés de antenas, relés de protección de
generador, relés de protección de red.
 Por su función específica: relé de señalización, relé temporizado, relé de control, relé
auxiliar.
 Por su funcionamiento requerido: relé de alta corriente, relé de alta/baja temperatura,
relé CC, relé de alta velocidad.
Bibliografía: Asea Brown Boveri Pocket Book, Switchgear Manual – 8th edition, ABB, 1988.
Lección 1: Características Generales
 Principios Básicos
Los relés de protección miden variables eléctricas como voltajes y corrientes, utilizándolas
para comparar sus valores o los de algunas variables calculadas con los ajustes prefijados, actuando de manera instantánea o temporizada, según su característica.
Una vez actúa el relé, el relé maestro (86) de disparo y bloqueo queda enganchado no
permitiendo el ingreso de la unidad o interruptor al sistema hasta que no se haya efectuado
la investigación respectiva sobre la causa básica que ocasionó la operación del relé.
Dependiendo del nivel de tensión, los relés están incorporados directamente en el circuito
(relés primarios) o acoplados a través de transformadores de corriente -TC’s- o de tensión
–TP’s- (relés secundarios). Los ajustes de los relés deben considerar las relaciones de
transformación de los TC’s y TP’s.
 Tipos de Protección (15/04/2005)
 Definición de Funciones (22/04/2005)
La norma ANSI / IEEE C37.102-1986 “IEEE Guide for AC Generator Protection” define las
funciones normalizadas de protección, entre las cuales encontramos:
Relés de distancia (21):
La distancia a una falla desde el relé se asigna a un rango de disparo midiendo la
resitencia con referencia a la corriente y el voltaje de falla. De acuerdo con una
características tiempo / distancia ajustable en el relé, el relé dispara el interruptor del
circuito adecuado o sirve como protección de respaldo. Los relés de distancia operan
selectivamente y extremadamente rápidos en redes enmalladas con múltiples
alimentaciones, y no necesitan enlaces auxiliares.
Relés de Protección de Voltios / Hertz (24):
Relé de Energización Inadvertida (27-50):
Cuando un generador es energizado cuando está fuera de línea y girando, o rodando hacia
la parada total, se convierte en un motor de inducción y puede dañarse en unos pocos
segundos. Tambien puede ocurrir daño en la turbina.
Durante la energización trifásica en parada, un flujo rotatorio a frecuencia sincrónica es
inducido en el rotor del generador. La corriente resultante en el rotor es forzada hacia las
trayectorias sub-transitorias en el cuerpo del rotor y los devanados de amortiguamiento
similares a las trayectorias de la corriente del rotor para corrientes de secuencia negativa
en el estator durante el generador en una fase.
La impedancia de la máquina durante este gran intervalo de deslizamiento es equivalente a
su impedancia de secuencia negativa (R2G + j X2G). La reactancia de secuencia negativa de
la máquina es aproximadamente igual a (X”d + X”q)/2. La tensión y la corriente en
terminales de la máquina durante este periodo será una función de la impedancia del
generador, el transformador elevador y del sistema.
La corriente del estator induce corrientes de grandes magnitudes en el rotor, causándole
rápido calentamiento térmico. Esta corriente del rotor es inicialmente 60 Hz, pero disminuye
en su frecuencia según se incrementa la velocidad del rotor debido a la acción de motor de
inducción.
El relé detecta la alta corriente ingresando al generador (potencia inversa) y la baja tensión
en terminales para enviar señal de desconexión al interruptor de unidad y a los demás
interruptores que alimentan al generador. Esta señal puede activar al relé de protección de
falla de interruptor (50BF) el cual enviará el re-trip y la desconexión de todos los
interruptores conectados al mismo barraje del interruptor de unidad que energizó
inadvertidamente a la máquina.
Relés de potencia inversa (32):
Relés de pérdida de campo (40):
La pérdida parcial o total de campo de un generador sincrónico es perjudicial tanto al
generador como al sistema de potencia al cual está conectado. La condición debe ser
detectada rápidamente y el generador debe aislarse del sistema para evitar daños. Una
condición de pérdida de campo no detectada puede tener tambien un impacto devastador
sobre el sistema de potencia, causándole una pérdida del soporte de potencia reactiva y
creando una toma sustancial de potencia reactiva.
Cuando un generador sincrónico pierde su excitación, girará a una velocidad mayor a la
sincrónica y opera como un generador de inducción, entregando potencia real (MW) al
sistema, pero al mismo tiempo obteniendo su excitación desde el sistema, convirtiéndose
en una gran drenaje de potencia reactiva en el sistema. La temperatura en la superficie del
rotor se incrementa debido a las corrientes de Eddy incluidas por el deslizamiento en el
devanado de campo, en el cuerpo del rotor, en las cuñas y anillos de retención.
El método más ampliamente aplicado para detectar uan pérdida de campo del generador
es el uso de relés de distancia para monitorear la variación de la impedancia vista desde
los terminales del generador. Cuando un generador pierde su excitación mientras opera a
varios niveles de carga, la variación de la impedancia como se ve desde los terminales de
la máquina se desplaza desde el primer cuadrante hacia el cuarto cuadrante, cerca del eje
X y se establecerá en un valor un poco mayor que la mitad de la reactancia transitoria de
eje directo (Xd’/2), en aproximadamente 2 a 7 s.
El punto de la impedancia final depende de la carga en la máquina antes de la pérdida de
excitación y varía desde Xd’/2 a plena carga, hasta alrededor de la reactancia sincrónica de
eje directo Xd sin carga. La presencia del magnetismo residual en el campo de la máquina
que se presenta despues de una condición de pérdida de excitación, puede causar una
impedancia aparente mayor que Xd.
Esta protección normalmente dispara el interruptor de unidad y el interruptor de campo.
Relés de secuencia negativa (46):
El relé de secuencia negativa se usa para proteger a los generadores del calentamiento
excesivo en el rotor resultante de las corrientes desbalanceadas en el estator. La
componente de secuencia negativa de las corrientes desbalanceadas induce una corriente
superficial de doble frecuencia en el rotor, que fluye a través de los anillos de retención, los
slot de las cuñas, y en menor grado en el devanado de campo. Estas corrientes en el rotor
pueden causar temperaturas altamente dañinas en muy corto tiempo.
El relé de secuencia negativa supervisa las componentes de fase y la componente residual
para detectar la presencia de secuencia negativa. Cuando se supera el umbral, dispara de
manera por escalones o bajo una curva característica del tipo I2t.
Relés de sobrecarga (49):
Las condiciones de temperatura del objeto protegido son simuladas con la misma
constante de tiempo en los relés. Cualquier tipo de carga se considera para replicar
térmicamente en el relé de acuerdo con curvas de calentamiento y enfriamiento. Se
obtienen señales de alarma o contactos de disparo si se excede un comportamiento
térmico pre-determinado.
Los relés se construyen como relés primarios o relés secundarios. Los relés secundarios
normalmente operan en dos o más estados. Los relés de sobrecarga son usados en
máquinas que pueden sobre-calentarse, tales como transformadores y motores, aunque
ocasionalmente también se usan en cables de potencia.
Relés de sobrecorriente instantáneos / temporizados (50/51):
Las corrientes por encima de un umbral de corriente ajustable son detectadas en una o
más fases, e interrumpidas después de un tiempo ajustable. El tiempo de reposición es el
mismo, sin importar cuanto se ha excedido el umbral de corriente.
Los relés de sobrecorriente se usan generalmente en circuitos radiales con una sola
alimentación.
Relés de corto entre espiras (51W):
En generadores con bobinas multi-vueltas y dos o más devanados por fase se puede usar
el esquema de relés de fase partida para detectar las fallas entre espira. En este esquema,
el circuito de cada fase del devanado del estator es partido en dos grupos iguales y se
comparan las corrientes en cada grupo. Una diferencia en estas corrientes indica un
desbalance causado por una falla en una vuelta.
Esta protección detectará fallas de fase y algunas de tierra en el devanado del estator. Sin
embargo, debido al retardo de tiempo es usada para complementar la protección
diferencial de alta rapidez para fallas de fase de gran magnitud.
Relés de sobre / sub – tensión (59/27):
Relé de balance de tensión (60):
Este relé detectará la pérdida de señal de tensión que alimenta los relés de impedancia
(21), sobrecorriente con restricción de tensión (51V) y energización inadvertida (50-27).
Este relés supervisa la señal de tensión de los TP’s, la cual generalmente se pierde por
falla de fusibles o en el cableado de control. Cuando detecta la falla de tensión, envía una
señal de bloqueo a los relés indicados anteriormente (21, 51V y 50-27) para inhibir su
operación incorrecta.
Relé de falla a tierra campo (64F):
El circuito de campo de un generador es un sistema de CC flotante. Una sola falla a tierra
generalmente no afectará la operación de un generador ni producirá efectos de daño
inmediato. Sin embargo, la probabilidad de que una segunda falla a tierra ocurra es mayor
después de que la primera falla a tierra ha ocurrido. Cuando se tiene una segunda falla a
tierra, una parte del devanado de campo estará corto-circuitada, produciendo por lo tanto
flujos desbalanceados en el entrehierro de la máquina.
Los flujos desbalanceados producen fuerzas magnéticas desbalanceadas las cuales dan
como resultado vibración y daño en la máquina. Una tierra en el campo también produce
calentamiento del hierro del rotor debido a las corrientes desbalanceadas, las que dan
como resultado temperaturas desbalanceadas que pueden causar vibraciones dañinas.
Este relé detecta la puesta a tierra del rotor y envía un disparo a la unidad,
desconectándola de la red y desexcitándola para disminuir los efectos dañiños en el rotor.
Relés direccionales de falla a tierra (67N):
Una indicación de la dirección se obtiene de la posición relativa de la corriente de neutro y
del voltaje de neutro. El sitio de la falla se identifica comparando los valores medidos en la
red.
Relés Bucchholz (71):
Relés de recierre (79):
Un relé de recierre interrumpe en una o en tres fases el suministro de energía registrado
por el relé de sobrecorriente o el relé de distancia, y luego lo re-engancha despues de un
tiempo ajustable de alrededor de 300 ms. El arco a través de la falla es capaz de de-ionizar
el aire en este tiempo y la operación puede re-asumirse sin interrupción. Una falla en el
recierre termina en un disparo tri-fásico.
Relés de frecuencia (81):
Si la frecuencia va por encima o por debajo de un conjunto de límites o fluctua a una tasa
inaceptable (df/dt), el relé detecta esta condición, resultando en una desconexión o en un
rechazo de carga. La medición precisa y la reproducibilidad cercana al 0,6% hacen que los
relés electrónicos sean muy superiores a los sistemas electro-mecánicos.
Relés diferenciales (87):
Las corrientes medidas a la entrada y salida del objeto protegido son comparadas en
ángulo de fase y magnitud, y comparadas en un elemento de medida. Si se excede una
relación de corriente, el relé emite un comando de disparo.
Los relés modernos tienen todos los componentes necesarios para una protección
diferencial:
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Transformador de comparación
Señalización
Dispositivos de disparo
Estabilización ante perturbaciones (energízación del transformador y armónicos)
Los relés diferenciales se utilizan para transformadores o generadores. Los relés
diferenciales para líneas tienen un elemento de medida (relés) en cada extremo. Los relés
están unidos por hilos piloto. Estos requieren supervisión para asegurar que el sistema de
protección opera correctamente.
 Esquemas de Protección (29/04/2005)
 Actividad 1: Lectura del documento “Tutorial IEEE de Protecciones de Generadores
Sincrónicos”
 Actividad 2: Asociar (arrastrar y soltar) la identificación de la protección con su
descripción ANSI
 Actividad 3: Publicar en el foro del curso un ejemplo de esquema de protección
empleado en su Central.
Lección 2: Selección
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Coordinación de Protecciones (06/05/2005)
Consideración del tamaño de la unidad (13/05/2005)
Consideración del tipo de unidad (20/05/2005)
Actividad 4: Establecer tiempos de operación de protecciones
Actividad 5: Reconocer en América Latina las capacidades netas de las centrales de
ENDESA.
 Actividad 6: Reconocer en América Latina el tipo de unidades de generación de las
centrales de ENDESA.
Lección 3: Curvas de Operación
 Descripción de tipo de curvas normalizadas (27/05/2005)
 Actividad 7: Efectuar coordinación de protección de un alimentador radial.
 Actividad 8: El participante publicará en el foro propuestas para el mejoramiento del
esquema de protecciones de su central, incluíbles en el Plan (2006-2010).
Bibliografía: Asea Brown Boveri Pocket Book, Switchgear Manual – 8th edition, ABB, 1988.
Test de la Unidad (03/06/2005)
Unidad 2: Tópicos de Mantenimiento
 Ilustrar sobre los cuidados que se deben tener durante la intervención de protecciones
(10/06/2005)
Lección 4: Tips para mantenimiento
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Cargabilidad TC’s y TP’s (17/06/2005)
Bloqueo de Trips (24/07/2005)
Lazos de corriente (01/07/2005)
Actividad 9: El participante frente a un esquema de protección de Central
Hidroeléctrica deberá incluir las cargas de un circuito de corriente y confirmar la carga
del TC utilizado.
 Actividad 10: El participante frente a un esquema de protección de Central
Hidroeléctrica deberá indicar los bloqueos que se deberán considerar para la prueba
de una protección.
 Actividad 11: El participante publicará en el foro el cálculo de cargabilidad de los lazos
de corriente asociados a las protecciones existentes en su central.
Test de la Unidad (08/07/2005)