Conceptos Clave en la Protección de Transformadores y Líneas de Transmisión

Selección de TCs para Protección Diferencial de Transformadores

A continuación, se expresan las consideraciones que se deben tener en cuenta para la correcta selección de los Transformadores de Corriente (TCs) correspondientes a un relé diferencial de porcentaje (ANSI 87) para la protección de un transformador de poder.

• La corriente nominal del transformador en cada lado, para especificar la razón de transformación de los TCs.
• La máxima corriente de cortocircuito en cada lado, con el objeto de especificar la corriente térmica del relé, y con ella, la corriente dinámica. Luego, se debe determinar el número de veces de la Icc máx. respecto de la Ip de cada TC con el objeto de especificar el índice de saturación 'n' (según VDE) o el factor de sobrecorriente (factor límite de precisión nominal según norma IEC, que corresponde a 5, 10, 15, 20 o 30). Esto es para evitar la saturación producto de fallas externas. En el caso de la norma ANSI/IEEE, se debe especificar la tensión máxima en bornes secundarios para una determinada clase de precisión.

Finalidad de la Doble Pendiente en Relés Diferenciales

La finalidad de disponer de una doble pendiente (slope 1 y slope 2) en un relé diferencial de porcentaje numérico para la protección de un transformador de poder es la siguiente:

(Nota: Se requiere un gráfico para ilustrar este concepto)

• Slope 1 (Pendiente 1): Permite la operación del relé para la condición de falla interna en la zona protegida. El valor de sensibilidad está determinado por el error de medida de los TCs, el cambio de tap del transformador (si lo hay) y la corriente de excitación del transformador. Define la sensibilidad mínima del relé.
• Slope 2 (Pendiente 2): Aumenta la pendiente para ajustar la condición de operación durante una falla externa severa, de modo que el relé no opere incorrectamente (asegurando la estabilidad). Esta segunda pendiente compensa la posible saturación de los TCs durante cortocircuitos externos de alta magnitud, que podría generar una falsa corriente diferencial.

Ventajas y Desventajas del Relé de Distancia Tipo Reactancia

Ventajas

• El relé de reactancia es insensible a la medición de resistencia. Por lo tanto, frente a una condición de cortocircuito con resistencia de arco, esta no saca al relé de su zona de operación.

Desventajas

• El relé de reactancia es no direccional, por lo que requiere de un control direccional mediante otro relé, como un relé de admitancia (Mho), que se usa comúnmente en protección de distancia.
• El relé de reactancia puede operar erróneamente cuando el flujo de potencia por la línea protegida tiene un factor de potencia elevado (cercano a la unidad o capacitivo). En tal circunstancia, el valor equivalente de la reactancia (X) medida disminuye y puede caer dentro de la zona de operación. Para evitar esta condición, se requiere un relé detector de falla, que puede ser un relé de admitancia.

Esquema de Protección de Distancia de Tres Zonas

A continuación se define un esquema de protección de distancia de tres zonas para un sistema interconectado, de modo que opere selectivamente y con respaldo, aplicado a una línea en la que se utilizan relés de impedancia y admitancia.

(Nota: Se requiere un diagrama unilineal para ilustrar las zonas de protección)

• Primera Zona (Z1): Alcance del 80% al 90% de la línea protegida (línea AB). Operación instantánea (T1 ≈ 1 a 3 ciclos).
• Segunda Zona (Z2): Alcance del 100% de la línea AB más el 50% de la línea adyacente más corta (línea BC). Operación temporizada (t2 ≈ 400 a 800 ms).
• Tercera Zona (Z3): Alcance del 100% de la línea AB, más el 100% de la línea adyacente más larga (línea BC), más un 20% a 25% de la siguiente línea (línea CD). Operación con mayor temporización (t3 ≈ 800 a 1200 ms).

La tercera zona, a menudo implementada con un relé de admitancia, puede proporcionar el control direccional para la primera y segunda zona, que pueden ser implementadas con relés de impedancia.

Manejo de Energización y Sobreexcitación en Protección Diferencial

Las condiciones de energización y de sobreexcitación de un transformador de poder se consideran para evitar la operación indeseada de la protección diferencial de tecnología digital numérica de la siguiente forma:

• Corriente de Energización (Inrush): Se utiliza un bloqueo o restricción por armónicos. La operación del relé se bloquea al detectar un alto contenido de segundo armónico, el cual está presente en la corriente de inrush pero es prácticamente inexistente en una corriente de cortocircuito.
• Condición de Sobreexcitación: Esta condición ocurre cuando la relación voltaje/frecuencia (V/Hz) supera su valor nominal (p. ej., > 1.05 p.u. a plena carga o > 1.1 p.u. sin carga). La sobreexcitación genera un alto contenido de quinto armónico en la corriente de excitación, que no está presente en una falla. El relé utiliza esta característica para bloquear su operación mediante una restricción por quinto armónico.

Obtención de Corriente Residual para Polarización

La corriente residual necesaria para polarizar un relé de sobrecorriente direccional residual (67N) debe ser una referencia confiable e independiente de la ubicación de la falla. En una subestación, una fuente común de esta corriente de polarización se obtiene del neutro de la conexión en estrella (Y) de un transformador de poder (por ejemplo, un transformador Delta-Estrella con neutro a tierra, DyN). Cuando las líneas de transmisión se derivan del lado en estrella del transformador, la corriente que circula por la puesta a tierra del neutro durante una falla a tierra sirve como una excelente señal de polarización.

(Nota: Se requiere un diagrama unilineal para ilustrar la conexión)

Selectividad Inherente del Relé Diferencial

Un relé diferencial es inherentemente selectivo porque su principio de operación se basa en la Primera Ley de Kirchhoff. Mide y compara las corrientes que entran y salen del equipo protegido.

• En condiciones normales o para una falla externa, la corriente que entra es igual a la que sale (I_entrada ≈ I_salida), por lo que la corriente diferencial (I_d = |I_entrada - I_salida|) es prácticamente cero y el relé no opera.
• Durante una falla interna (dentro de la zona delimitada por los TCs), la suma fasorial de las corrientes no es cero, ya que la falla es alimentada desde uno o ambos extremos. Esto genera una corriente diferencial significativa (I_d ≠ 0) que provoca la operación del relé.

De esta forma, su operación está limitada exclusivamente a fallas dentro de su zona de protección definida, sin necesidad de coordinación por tiempo con otras protecciones.

Conexión de TCs en Protección Diferencial de Transformadores

La conexión inversa de los TCs respecto a la del transformador de poder (por ejemplo, TCs en estrella para un devanado en delta y TCs en delta para un devanado en estrella) tiene como objetivo compensar el desfase angular que introduce el propio transformador en las corrientes (típicamente 30° para conexiones D/Y). Al hacer esto, las corrientes secundarias que llegan al relé están en fase durante condiciones normales o de falla externa, permitiendo una comparación correcta.

¿Debe ser siempre así?

• Para relés electromecánicos o estáticos antiguos, esta conexión física inversa es obligatoria.
• Para relés numéricos (digitales) modernos, no es necesario. Estos relés pueden realizar la compensación del desfase angular y la corrección de la relación de transformación de forma interna mediante algoritmos de software. El usuario simplemente debe configurar en los ajustes del relé el tipo de conexión del transformador de poder (grupo vectorial) y la conexión de los TCs.

Bloqueo del Relé Diferencial durante la Energización

Es posible bloquear la operación de un relé diferencial numérico durante la energización para evitar disparos incorrectos debido a la corriente de inrush. El método fundamental se basa en la discriminación por contenido armónico:

La corriente de inrush se caracteriza por tener un alto contenido de segundo armónico. En cambio, una corriente de cortocircuito es fundamentalmente de frecuencia nominal (50/60 Hz) con un contenido de segundo armónico muy bajo o nulo.

El relé numérico analiza continuamente el espectro de frecuencia de la corriente diferencial. Si detecta que el porcentaje de segundo armónico supera un umbral predefinido (p. ej., 15-20% de la componente fundamental), interpreta que se trata de una energización y bloquea la función de disparo.

Funcionalidad del Relé Direccional (ANSI 67)

Un relé direccional (67) no puede operar por sí mismo para detectar una falla y disparar un interruptor. Su función es puramente supervisora o de control.

El relé 67 es un elemento que determina la dirección del flujo de corriente (hacia adelante o hacia atrás respecto a su punto de instalación). Se utiliza en combinación con un relé de protección, como el de sobrecorriente (ANSI 51).

El funcionamiento es el siguiente:

1. El relé de sobrecorriente (51) detecta que la magnitud de la corriente ha superado un umbral de ajuste (condición de falla).
2. El relé direccional (67) determina si la falla está en la dirección de protección deseada.
3. Solo si ambas condiciones se cumplen (sobrecorriente y dirección correcta), se envía la orden de disparo al interruptor.

Por lo tanto, el relé 67 actúa como un permiso para el relé 51, añadiendo selectividad a la protección en sistemas mallados o con múltiples fuentes.

Significado de "Corrientes Compensadas y Filtradas"

La indicación del fabricante: "Las corrientes de retención [...] son corrientes compensadas y filtradas" se refiere a los procesos internos que el relé digital realiza sobre las señales de corriente medidas antes de utilizarlas en el algoritmo de protección diferencial.

• Corrientes Compensadas: Significa que el relé ha aplicado correcciones matemáticas a las corrientes secundarias provenientes de los TCs. Esta compensación incluye:
  • Compensación de relación: Ajusta las magnitudes de las corrientes para que sean comparables.
  • Compensación de ángulo (grupo vectorial): Corrige el desfase angular introducido por la conexión del transformador.
  • Eliminación de la componente de secuencia cero: Evita operaciones incorrectas ante fallas externas a tierra.
• Corrientes Filtradas: Se refiere a que el relé aplica filtros digitales para eliminar componentes de frecuencia no deseadas que podrían afectar la medición, como ruido o la componente de corriente continua (DC offset).

En resumen, el relé no trabaja con las corrientes "crudas", sino con versiones procesadas y "limpias" para asegurar una operación precisa y confiable.

Ajuste de Sensibilidad en Relés Diferenciales

El ajuste de la sensibilidad o pendiente mínima (Slope 1) de un relé diferencial de porcentaje busca que el relé sea lo suficientemente sensible para detectar fallas internas leves, pero inmune a operar por las pequeñas corrientes diferenciales que existen en condiciones normales o de falla externa. Los factores fundamentales que se consideran para este ajuste son:

(Nota: Se requiere un gráfico de la característica de operación del relé diferencial para ilustrar la pendiente)

• Error de relación de los TCs: Los TCs tienen un error inherente en su relación de transformación.
• Corriente de excitación del transformador: Genera una pequeña corriente diferencial en condiciones normales.
• Desajuste por el cambiador de tomas (TAP changer): Cuando el transformador opera en una toma distinta a la nominal, crea un desbalance en las corrientes. Este suele ser el factor más significativo.
• Un margen de seguridad: Se añade un factor para cubrir imprecisiones y asegurar la estabilidad.

Coordinación de Protecciones en un Sistema en Anillo

Coordinar protecciones de sobrecorriente en un sistema en anillo es complejo porque la falla puede ser alimentada desde dos direcciones. El uso de relés de sobrecorriente direccionales (67) es esencial. El procedimiento general es el siguiente:

1. Definir direcciones de operación: En cada interruptor del anillo, se instalan relés direccionales. Se define una dirección de disparo "hacia adelante" para cada relé.
2. Abrir el anillo conceptualmente: Para facilitar la coordinación, se "abre" el anillo en la subestación de alimentación y se trata como un sistema radial.
3. Coordinar en un sentido: Se coordina la secuencia de relés en un sentido (ej. horario). El relé más alejado de la fuente tiene el tiempo de operación más corto, y los tiempos aumentan a medida que nos acercamos a la fuente.
4. Coordinar en el otro sentido: Se repite el proceso para la otra dirección (antihorario).
5. Verificación: Se verifican los tiempos de operación para fallas en diferentes puntos del anillo, asegurando que para cualquier falla, solo los dos interruptores más cercanos a ella operen para aislarla.

Variable de Polarización en Relés Direccionales

El objetivo de la variable de polarización en un relé direccional es proporcionar una referencia fasorial estable contra la cual se pueda comparar la fase de la corriente de operación (la corriente de falla). Esta comparación permite determinar si la falla está "delante" o "detrás" del relé.

La condición fundamental que debe cumplir es que esta variable de polarización no debe desaparecer ni cambiar drásticamente su ángulo de fase durante la falla que se quiere detectar.

Las variables de polarización comunes son la tensión del sistema o la corriente de otra fase o de una referencia (como el neutro de un transformador). Para un máximo par de operación, el relé se diseña para que, durante una falla en la dirección de disparo, el fasor de la corriente de operación y el fasor de la cantidad de polarización queden alineados.