Caso particular de las protecciones diferenciales
Aunque los fabricantes de relés
de protección diferencial imponen las características secundarias de los TC
necesarias para el buen funcionamiento de sus relés, es interesante, para
comprender y evitar los errores, tener un mínimo de conocimientos de este tipo
de protección.
Recordemos que una protección
diferencial controla una zona que delimitada por los TC que miden sus
corrientes de entrada y salida.
Si las corrientes de salida no se
corresponden con las de entrada, indica normalmente que hay un defecto en la
zona protegida.
A continuación examinaremos paso
a paso las siguientes protecciones con sus exigencias en cuanto a los TC:
1.
diferencial de alta impedancia,
2.
diferencial con hilos pilotos,
3.
diferencial a porcentaje
4.
diferencial de baja impedancia.
Según el tipo de protección y el
uso que se haga de ella, los constructores de relés han tenido que utilizar
principios diversos y más o menos complejos para asegurar la estabilidad de sus
relés ante los fenómenos transitorios que pueden provocar la actuación
intempestiva de esta protección.
1.- Protección diferencial en alta impedancia
Se utiliza generalmente para
proteger motores, generadores, juegos de barras, y también para proteger la
«tierra resistente» de los transformadores.
Generalidades:
Este tipo de protección se
utiliza para proteger una zona con una misma tensión.
Si no hay ningún fallo, la
corriente de entrada i’e es idéntica a la corriente de salida i’s y por tanto la
corriente diferencial es i’d = 0 (figura 5).
Figura 5: Principio
de funcionamiento de un diferencial de alta impedancia
Una gran corriente de defecto
puede atravesar la zona controlada, provocar la saturación de los TC y, por
tanto, el disparo intempestivo (relé no estabilizado). La «estabilidad» del
relé se obtiene al relacionarlo con una resistencia «de estabilización» Rst.
Esta resistencia se calcula para
que la corriente derivada al circuito diferencial (Rst + Rp) no puede alcanzar
el umbral de ajuste del relé cuando la corriente máxima que atraviesa la zona
satura el TC debido a su componente continua. Esto se traduce en:
Donde:
Iscc = corriente máxima que puede
atravesar la zona vista desde el secundario del TC,
Ir = corriente de ajuste secundario del
relé,
Rst puede variar entre algunos ohms y
algunas centenas de ohmios (excepcionalmente puede ser superior a 1 000 ohms).
Rct = Resistencia del arrollamiento
secundario del TC
RL = Resistencia del cableado
Rp = Resistencia del relé de protección
Para que el relé funcione
correctamente en Ir si se produce un defecto en la zona, es necesario que la
tensión en el codo Vk sea superior a: 2 (Rst + Rp + Rct + 2RL) Ir.
En general Rct + 2RL son
despreciables respecto a Rst + Rp, de donde:
Vk ≥ 2Ir
(Rst + Rp) (2)
Combinando las relaciones (1) y
(2) se obtiene:
Vk ≥ 2 Iscc
(Rct + 2 RL). (3)
Estas relaciones demuestran que
Rst (expresión 1) y Vk son mayores cuanto más elevado sea Rct.
Una resistencia estabilizadora de
valor elevado provoca sobretensiones importantes en el secundario de los TC;
por eso, cuando se prevén sobretensiones superiores a 3 000 V, se añade una
protección con una resistencia no lineal (descargador de sobretensiones de ZnO).
De estas observaciones se deduce
que los TC se optimizarán si Rct y Vk son lo más bajas posible y si la
corriente que atraviesa la zona (vista desde el secundario de los TC, es decir
Iscc) se define sin exceso.
Cualquiera que sea la aplicación
que utilice el diferencial de alta impedancia, todos los TC han de tener:
- la misma razón,
- la misma curva de magnetización,
- el mismo Rct,
y cumplir la expresión (3); si
los TC del circuito no están a la misma distancia del relé, tomar, para Vk, el
de RL máxima.
Por otra parte, para esta
protección se necesita un valor máximo de la corriente magnetizante I0
de Vk/2 según la sensibilidad que se desee.
Para que el relé detecte una
corriente Ir, en los bornes de cada TC en paralelo es necesario conseguir la
tensión Vs = Vk/2; para esto, la corriente primaria Ief mínima realmente
detectada por el relé será
Ief = n (Ir
+ ρ Io)
siendo:
n = la razón de transformación de los TC,
ρ = número de TC en paralelo (pueden ser varios,
por ejemplo, en la protección de un juego de barras).
● Aplicación: diferencial para un
«motor»
La corriente máxima que circula
por el sistema a la que el relé debe de permanecer insensible es, aquí, la
corriente de arranque del motor: Iscc = Idm (vista desde el secundario).
Si se desconoce la corriente Idm,
se sabe que: Idm < 7 In motor
● Aplicación: diferencial para un
«grupo electrógeno»
En este caso, la corriente máxima
que circula es la de cortocircuito que suministra el propio grupo. Si se conoce
la reactancia subtransitoria del alternador X'' %, se tomará:
Si no se conoce este dato, se
tomará X'' % = 15
Nota: el cálculo de la tensión de
pico en el secundario de los TC se obtiene con:
Iscc maxi =
I’’grupo + Icc red.
● Aplicación: diferencial para un
«juego de barras» (figura 6).
En este caso, la corriente que
atraviesa la zona es igual al Icc del cuadro: Iscc = Icc del cuadro visto en el
secundario de los TC.
Figura 6: Protección
diferencial de un juego de barras en alta impedancia
● Aplicación: diferencial de
«tierra resistente» de los transformadores (REF)
- En el caso «a» de la figura 7, se detectan los fallos de aislamiento en los arrollamientos secundarios de los transformadores y hasta de los TC situados a este lado del transformador.
- En el caso «b» de la figura 7, se detectan los fallos de aislamiento en el primario del transformador y se mejora, con ventaja, la protección clásica de defecto a tierra que es sensible a las bruscas corrientes de arranque del transformador y a las corrientes de cortocircuito asimétrico aguas abajo. Aquí también se calculará Rst y Vk partiendo de la corriente máxima que atraviesa los TC debido a un defecto de fuera de la zona protegida. En una primera aproximación, esta corriente es inferior a la corriente limitada por la impedancia del transformador,
sea:
con:
(potencia de cortocircuito del
transformador); si se conoce la potencia de cortocircuito aguas arriba (Pa) es suficiente
sustituir Pcct por:
La corriente se convierte a
continuación en Iscc visto desde el secundario de los TC.
Figura
7: Protección de tierra resistente de los arrollamientos secundarios o
primarios de un transformador
2.- Protección diferencial de las líneas o cables, con hilos piloto (figura
8).
En cada extremo del cable o de la
línea se instala un relé de este tipo.
Sobre los hilos piloto, cada uno
de los relés produce una tensión que es la imagen de la suma:
aI1 + bI2
+ cI3 + dIh
Si las dos tensiones son
diferentes, los dos relés se ponen en funcionamiento.
Nota:
Los coeficientes a, b, c y d son
diferentes para que cualquier tipo de defecto dé una suma no nula; por tanto,
el umbral de funcionamiento para un defecto bifásico o fase-tierra depende de
la fase que falle.
Aquí todavía los TC se definen en
clase X, y cada constructor da una fórmula empírica para la tensión Vk mínima.
Ejemplos de formulación:
Vkmin= 0,5N Kt In
(Rct + X RL)
donde N, kt, X son constantes
relacionadas con el tiempo de respuesta de los relés, su sensibilidad y su
forma de cableado.
Otro ejemplo posible:
donde:
In es la corriente nominal
secundaria del TC (1 ó 5 A). If es la corriente de cortocircuito que atraviesa la
zona, vista desde el lado del secundario del TC.
La estabilidad de este relé se
consigue en parte respecto a la tensión de codo requerido y en parte por el
umbral de funcionamiento porcentual que aumentará con la corriente que atraviesa
la zona gracias a los arrollamientos de retención. En los dos extremos de la
línea, los TC han de tener la misma razón de transformación y respetar las Vk
mínima e I0 máxima indicadas por el fabricante. No es necesario que
sus curvas de magnetización y Rct sean siempre idénticas.
Figura 8: Diferencial
de línea o de cables con hilos piloto
FUENTE:
Schneider Electric: Transformadores de intensidad:
cómo determinar sus especificaciones (Paola FONTI)
POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:
http://www.mediafire.com/file/61k3z5z5xm19ymb/Elecci%C3%B3n_del_dimensionado_de_TC_%28Parte_2%C2%AA%29.pdf
POST RELACIONADO:
Elección del dimensionado de transformadores de corriente (TC) (Parte 1ª)
http://imseingenieria.blogspot.com.es/2017/04/eleccion-del-dimensionado-de.html
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http://imseingenieria.blogspot.com.es/2017/04/eleccion-del-dimensionado-de.html
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