Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: Protección de barras y cables de distribución

Este Post está limitado a las barras y cables de distribución instalados en industrias y no en subestaciones, aunque los sistemas de protección aplicables puedan ser idénticos; en la práctica, y por razones económicas se suele ser menos riguroso con las primeras.

En relación con los cables, se hace referencia a aquellos que no se corresponden con una carga específica, es decir, a los alimentadores o “feeder”.

1.- Protección de Barras

A diferencia de otros equipos, las barras, si están bien dimensionadas, solamente han de protegerse contra cortocircuitos entre fase-fase o fase-tierra. En estas condiciones, no hay razón para retrasar el disparo de los interruptores a partir de que la falta es detectada, el problema radica precisamente en esto, en detectar que la falta sin lugar a dudas está en la zona de las barras.

En gran número de situaciones las barras no disponen de protección específica, confiándose ésta, a la protección de apoyo que dan las de sobreintensidad instaladas aguas arriba, pero esto, por razones de coordinación con las salidas, obliga a que la falta dure un tiempo elevado y los daños en consecuencia también lo sean.

Figura 1: Protección de respaldo de la zona de barras

En la figura 1 una falta entre fases en el punto “X” ha de ser eliminada por la actuación del relé 51 A, y este, al tener que coordinar con la protección 51 A’ requiere un tiempo de demora. Lo mismo puede decirse, si la falta es a tierra en cuyo caso es el 51 G quien debe coordinar con el 50/51 N.

Al margen de la frecuencia de empleo de la protección de barras selectiva, se indican seguidamente algunos sistemas que lo hacen posible.

1.1.- Protección de barras con relés diferenciales

Consiste en disponer tantos juegos de transformadores de intensidad de igual relación como posiciones hay en la barra, conectándolos como se indica en la figura 2.

En las condiciones del esquema, el relé será alimentado por la suma de las corrientes que llegan o salen de la barra, suma ésta, que en ausencia de falta en la barra es igual a cero. En cambio, si la falta está en la barra habrá una corriente diferencial circulando por el relé y éste, disparará a todos los interruptores de las posiciones que puedan aportar corriente de falta.

Figura 2: Protección diferencial de barras con relé de sobreintensidad

Si como relé diferencial se emplea uno de sobreintensidad éste debe ser de tiempo diferido, ya que con falta externa a pesar de que los transformadores de intensidad son de la misma relación, los instalados en el circuito del defecto pueden, al conducir toda la corriente de falta, saturarse más que los de las otras posiciones que sólo conducen una parte de la corriente total de fallo y en consecuencia por la diferencia de errores habrá una cierta corriente por el relé. Si el problema expuesto fuera único, bastaría calcular los errores implicados y ajustar el relé para que opere a valores mayores sin retardo alguno; sin embargo, la componente continua implicada en la corriente asimétrica de cortocircuito puede llevar a la saturación completa a algunos T.I. y esto, no se resuelve elevando el valor de operación del relé sino esperando a que tal componente continua se amortigüe. Por ello es por lo que hay que retardar la operación del relé.

Una forma de atenuar el problema de los errores diferentes en los transformadores de intensidad, es sustituir el relé de sobreintensidad por uno diferencial porcentual con circuitos de frenado para cada alimentación y otro para aquellas posiciones que no aportan corriente al fallo (figura 3).

Figura 3: Protección de Barras con diferenciales porcentuales

Con el relé diferencial de porcentaje la diferencia entre los errores de los T.I., queda compensada por el frenado del relé. En la figura 3, en caso de falta en el punto 1, la acción de frenado será la suma de (I1 + I2 +If) y por la bobina de operación circulará (I1 + I2) - If que dará lugar a una diferencia consecuencia solamente de los errores de los transformadores de intensidad, predominando la acción de frenado.

Si la falta está en la barra, punto 2 de la figura 3, la acción de frenado será ahora I1 + I2 menor que antes, y por la bobina de operación circulará I1 + I2 es decir la totalidad de la corriente de falta dominando ahora, por diseño, la corriente de operación y por tanto el relé actuará para disparar los interruptores 52-1 y 52-2.

Este condicionante permite que el valor mínimo de falta a detectar pueda ser más bajo que cuando se emplean relés de intensidad, pero como entonces, han de ser levemente temporizados para prevenir el efecto de la componente continua, cuando por tal motivo, se teme su saturación. La temporización puede ser entendida, por un lado, para que la componente continua desaparezca, lo que ocurre al cabo de alguna fracción de segundo en función de la relación X/L del sistema, y por otro lado, para dar tiempo a que la protección del circuito averiado llegue a actuar.

Finalmente hay un sistema de protección diferencial con característica de alta velocidad. Este sistema emplea conexión diferencial de intensidad pero el relé empleado es de tensión, es decir, de impedancia elevada (figura 4).

En condiciones de falta externa sin saturación de los T.I. de la rama en defecto las corrientes secundarias resultarán compensadas y la tensión en el relé será pequeña. Si el T.I. de la rama con defecto resulta saturado por la componente continua, la corriente diferencial aportada por los otros T.I., circulará a través de la reactancia de valor despreciable del T.I. saturado y dará lugar a una caída de tensión igualmente discreta tomando este valor como límite inferior al ajuste del relé de tensión.

Figura 4: Diferencial de intensidad con relé de tensión

Si la falta ocurre en la barra, los secundarios de los T.I. que ven la corriente de falta, se encuentran con una carga formada por la alta impedancia del relé en paralelo con la elevada reactancia no saturada de los secundarios de los T.I. que no ven la falta. Ante una carga tan elevada, los T.I. que ven la falta trabajan como un circuito abierto y su tensión secundaria se eleva hasta el codo de saturación. Bajo esta tensión, (límite superior de ajuste del relé) el relé actuará para disparar los interruptores correspondientes.

El circuito LC de la figura 4 está sintonizado a la frecuencia fundamental (50 Hz) de manera, que otras tensiones de frecuencia distinta presentes no serán efectivas, esto tiene el inconveniente de que el relé resulta un tanto lento en la respuesta. Para disponer protección de alta velocidad, en caso de faltas violentas dentro de la barra la tensión presente en el relé es lo bastante elevada como para rebasar el límite de tensión del dispositivo instalado al efecto, de manera que el relé de intensidad actuará en un tiempo realmente corto.

1.2.- Protección de barras en las puestas a tierra del equipo

Este sistema responde al mismo principio que la protección de cuba de transformadores de potencia descrito en el Post: Protección de Transformadores de Potencia contra defectos internos en el siguiente link:

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/proteccion-de-transformadores-de.html.

Consiste en aislar de tierra la estructura metálica que soporta y contiene las barras de tal modo, que asegurando la continuidad entre todos los elementos metálicos, estos, se ponen a tierra en un punto a través de un transformador de intensidad (figura 5). Al secundario del T.I. se conecta un relé de sobreintensidad instantáneo ajustado por debajo de la mínima corriente de puesta a tierra en caso de falta en el equipo.

Figura 5: Protección de barras en la puesta a tierra

Este sistema únicamente es efectivo en situación de faltas a tierra, que son las más frecuentes, y no es operativo ante faltas entre fases. Por esta razón, de utilizar este método es necesario que por diseño las barras se instalen en compartimentos separados para así disminuir el riesgo de faltas entre fases.

Cabe destacar, que además de aislar las cabinas del suelo, también los conductores metálicos que llegan a las mismas, los blindajes de los cables, etc., deben aislarse del equipo protegido.

2.- Protección de Cables

Los cables de alta tensión referidos en este post, deben ser protegidos contra sobrecargas y cortocircuitos de manera que en cualquier situación la elevación de temperatura resultante no rebase los límites admisibles. Los límites citados pueden obtenerse del fabricante del cable quien proporciona gráficos como los de la figura 6.

Figura 6: Intensidades máximas admisibles en cortocircuito

Los datos de la figura 6 se refieren a las condiciones de falta, es decir, en un margen de tiempo discreto (30 segundos). Para condiciones de sobrecarga de corta duración, la figura 7 informa sobre el particular.

Figura 7: Intensidades máximas admisibles de corta duración (cables aislados)

En la figura 7 las cuatro familias de curvas corresponden a carga inicial de valor 0, 25%, 50% y 75% y los índices “K” corresponden a las condiciones de tendido de los cables de acuerdo con la tabla 1.

Sección	Al aire	Enterrado bajo tubo	Enterrado directamente
Pequeña	0,5	1	1,5
intermedia	1	2,5	3
Grande	1,5	4	6

Tabla 1: Valores de K

(Los datos de la figura 7 y tabla 1 corresponden con IEEE 242-1975)

Para establecer la correcta protección del cable contra sobrecargas o cortocircuitos exteriores, se utilizarán los límites de la figura 6 para situación de cortocircuito y los de la figura 7 para sobrecargas.

Por otro lado, será necesario prever protección contra faltas en el propio cable, esta protección se obtiene frecuentemente con los mismos dispositivos empleados para proteger contra defectos externos.

2.1.- Protección con relés de sobreintensidad

Es probablemente la forma de protección más comúnmente utilizada. Dependiendo del modo de explotación del neutro, se utilizan dos o tres relés de fase cuando el neutro es aislado y dos relés de fase y uno de tierra cuando el neutro está puesto a tierra sea directamente o a través de un elemento limitador.

Con unidades de tiempo normalmente inverso ajustadas para arrancar justo por encima de la máxima corriente admisible en permanencia se obtiene sobreprotección en la zona de sobrecargas y no protegen en la zona de cortocircuitos. Si la sobreprotección en sobrecarga es admisible para el sistema, se puede colocar un elemento instantáneo para proteger la zona de cortocircuitos, sin embargo, generalmente el instantáneo creará problemas de coordinación con los elementos instalados aguas abajo.

Figura 8: protección de un cable de Cu – 300 mm2 con relés inversos

Con unidades extremadamente inversas, también se obtiene sobreprotección en la zona de sobrecarga, pero son más adecuados en la zona de cortocircuitos para que sin unidades instantáneas, coordinar con las protecciones de aguas abajo. En la figura 8 se muestran las posibilidades de protección con unidades inversa y extremadamente inversa de un cable de cobre de 300 mm2 y se advierte que, para la curva más alta, en caso de inversión normal no hay protección por encima de 33 veces In (9.900 A), en tanto que con unidades extremadamente inversas sigue habiendo protección hasta 100 veces In (30.000 A).

Si la protección que se obtiene no fuera admisible, en cualquier caso habría que ajustar los relés para arrancar por encima de la intensidad nominal del cable, es decir, desplazar las curvas hacia la derecha, y en tal caso la zona entre In y el arranque del relé habría que protegerla con algún relé adicional deseablemente un térmico.

2.2.- protección con relés de sobreintensidad direccionales.

Cuando el flujo de corriente de falta sólo es posible en una dirección, bastará utilizar relés de sobreintensidad con característica de tiempo adecuada; sin embargo, en situaciones en las que por disponer líneas en paralelo o generación en ambos lados, el flujo de corriente de falta sea posible en ambas direcciones, será preciso el empleo de relés de sobreintensidad con característica direccional para que sean capaces de discriminar si el defecto está o no en la zona protegida y sobretodo impedir el innecesario disparo de circuitos no afectados.

2.3.- Protección con relés diferenciales

La protección de cables a base de relés de sobreintensidad en general, sirve tanto si la falta está fuera del cable como si el defecto ocurre en el propio circuito protegido, en este caso, el tiempo de retardo por razones de coordinación es innecesario. Si todo el problema fuera el despejar las faltas antes de que supere la capacidad térmica de los equipos, bastaría con la protección intensidad/tiempo, pero en ocasiones la caída de tensión que durante la falta afecta al sistema hace aconsejable despejar los defectos sin demora intencionada, otras veces es el intento de minimizar el daño y facilitar la reparación lo que hace imperativo el empleo de protecciones selectivas.

La protección diferencial proporciona un medio excelente de disponer protección de alta velocidad contra defectos en el propio cable. Al igual que en los generadores y motores, se puede utilizar una diferencial de intensidad con una pequeña pendiente para compensar los diferentes errores de los T.I. de origen final de línea; pero cuando la longitud de cable protegido es considerable, los cables de interconexión imponen una carga seria a los T.I. de un extremo, lo que hace problemático el funcionamiento del relé diferencial. Por otro lado, con relés diferenciales de intensidad en un extremo, además de los hilos de intensidad es necesario circuitos para disponer el interruptor del otro extremo.

Por lo anteriormente indicado la protección diferencial de cables empleada más comúnmente dispone relés en ambos extremos de acuerdo a los dos principios siguientes:

a) Diferencial de hilos piloto por circulación de corriente.
b) Diferencial de hilos piloto de tensión

A continuación se expone cada una de ellas.

2.3.1.- Diferencial de hilos piloto de corriente circulante

La disposición para una fase es como se muestra en la figura 9.

Los relés 87 son diferenciales de porcentaje y de acuerdo con el circuito mostrado, en situación de falta externa o carga, la intensidad secundaria circulará como señalan las flechas por las bobinas de frenado (F) de cada relé y por los hilos pilotos. Cuando una falta interna ocurre con circulación de un único lado, la intensidad circulará ahora en el relé 87/1 por la bobina de frenado en su totalidad, una parte por la bobina de operación (OP), y el resto por los hilos piloto completando el circuito a través de la bobina de operación del relé 87/2. En el relé 87/2 la intensidad no circulará por la bobina de frenado ya que lo impide la elevada reactancia no saturada del T.I. de ese extremo y es evidente, que la intensidad por la bobina de operación del relé 87/2 será menor que en la misma bobina del relé 87/1 pero al no haber acción de frenado también actuará el relé 87/2.

En caso de aporte de corriente al fallo desde ambos lados, las corrientes secundarias en los hilos pilotos serán opuestas, teniendo que circular necesariamente por las bobinas de operación de cada relé respectivamente.

Figura 9: Diferencial hilo piloto de intensidad circulante

2.3.2.- Diferencial de hilos piloto de tensión de oposición

Se distingue de la anterior en que la primera, en condiciones de falta externa la intensidad secundaria circula por los hilos pilotos en tanto que en ésta, en la misma situación, no hay circulación por los hilos pilotos. El esquema de principio es como en la figura 10.

Figura 10: Diferencial hilo piloto de tensión de oposición

En la figura 10, en situación de falta externa la intensidad circulará como se indica por las flechas a través de las bobinas de frenado de cada relé de tal manera que, la caída de tensión V1 y V2 estarán en oposición de fase y por lo tanto no habrá circulación por los hilos pilotos ni por las bobinas de operación.

Cuando ocurre una falta interna con aporte de falta desde el lado (A), la tensión V1 hará circular corriente por los hilos pilotos y por las bobinas de operación de ambos relés. Si la falta interna ocurre con aporte de corriente desde ambos lados, las tensiones V1 y V2 estarán en fase y su suma, hará circular intensidad por los pilotos y las bobinas de operación con el disparo consiguiente.

2.3.3.- Diferencial piloto con un relé en cada extremo

Las protecciones planteadas en los apartados 2.3, 1 y 2 requieren el empleo de 3 relés en cada extremo y 4 hilos pilotos. Para economizar, es posible lograr protección con sólo 1 relé en cada lado y dos hilos pilotos.

El asunto consiste en convertir las tres intensidades de cada lado en una única señal monofásica y compararla con la del otro extremo con sólo dos hilos pilotos, para ello se emplean dos técnicas de mezclado como se indica en la figura 11.

Figura 11: Mezclado se señales trifásicas

La primera técnica (figura 11 a) consiste en alimentar las diferentes tomas del primario de un transformador con las corrientes IA, IB e IC de tal modo que siendo distinto el número de espiras de cada toma la influencia de la corriente de cada fase será diferente y así la corriente (o tensión) resultante IR, será:

Los coeficientes X, Y, y Z suelen tomar valores de 1, 2 y 3 respectivamente.

En la segunda técnica (figura 11 b), las corrientes de la línea se llevan a un filtro de componentes simétricos, de modo que las magnitudes monofásicas obtenidas se mezclan en proporción diferente para con la señal suma alimentar un único relés y con dos hilos pilotos comparar con el otro extremo protegido.

Tanto en uno como en otro caso la sensibilidad de la protección es distinta según el tipo de falta, lo cual es consecuencia del mezclado de señales en proporción diferente, si bien, esto no suele resultar de mayor transcendencia en su utilización.