Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: Necesidad de la direccionalidad en las protecciones de sobreintensidad

Un relé de sobreintensidad direccional funciona a partir de que se alcanza un determinado nivel de corriente, pero solamente si el flujo de potencia ocurre en una dirección dada en el circuito protegido.

Necesidad de la direccionalidad

En circuitos radiales simples con generación en un extremo solamente, es evidente que la corriente de fallo sólo podrá circular en una dirección, sin embargo, en redes malladas o líneas en paralelo, la dirección relativa de la corriente de fallo puede cambiar dependiendo de la ubicación del defecto.

Figura 1: Dirección de la corriente según la ubicación del fallo

En la figura 1 con un defecto situado en “A”, la dirección relativa de la intensidad se indica por las flechas de trazo continuo, y con trazo discontinuo si la falta está localizada en “C”. Es evidente que en ambas situaciones, la corriente desde la barra B1 fluye por las dos líneas en la misma dirección, sin embargo, desde la barra B2 y para cada línea resulta invertida la circulación en uno y otro caso.

Con un fallo en el punto “A” la corriente por los interruptores 3 y 4 será igual y puesto que sus relés estarán ajustados al mismo valor, ambos interruptores desconectarán simultáneamente. El innecesario disparo del interruptor 3 dejará sin servicio a la barra B2. Si las protecciones instaladas en 3 y 4 fueran capaces de “ver” solamente en la dirección de la línea que cada una protege, en la situación planteada, el interruptor 3 no podría disparar y no habría interrupción del servicio, en tanto que el fallo en “A” seria eliminado por los interruptores 2 y 4.

La medida de la dirección

Un relé de sobreintensidad direccional resulta del empleo de dos unidades de medida, una, es un relé convencional de intensidad que solamente puede operar si una segunda unidad (direccional) llega a hacerlo. Por lo tanto la segunda unidad únicamente tiene que medir la dirección sin que le afecte la magnitud del fallo y deberá hacerlo por pequeño que resulte este último.

En tanto que la unidad direccional no cierra su contacto, no se creará acción alguna, sea cual fuere la magnitud de la corriente I.

Para que la unidad direccional resulte muy sensible y opere aún con corrientes de fallo muy pequeñas y en la dirección adecuada, se recurre a estructuras operadoras como la de la figura 2, denominada de copa de inducción. Los avances tecnológicos (sistemas de protección digital, nuevos sensores, selectividad lógica,...) han desplazado a los relés de inducción, facilitando el empleo de las protecciones digitales, que no precisan más que muy poca potencia para poder medir, por lo tanto confieren mayor fiabilidad, precisión, duración, poco coste y reducidas dimensiones (figura 3).

Figura 2: Estructura típica de una unidad direccional de inducción

Figura 3: Relé digital multifuncional SEPAM 2000 (Schneider Electric), que permite la utilización de protecciones direccionales juntamente con la selectividad lógica

Para la determinación del sentido relativo de la circulación de la corriente, cada uno de los elementos (R-S-T) de sobreintensidad direccional de fase, debe disponer de su correspondiente intensidad y de una tensión de polarización que dependerá del elemento protegido por el relé según la tabla siguiente:

Elemento de medida	Magnitudes aplicadas
Elemento de medida	Intensidad	Tensión
Fase R	I_R	U_ST
Fase S	I_S	U_TR
Fase T	I_T	U_RS

Por construcción, la unidad direccional presentará una característica de funcionamiento como la de la figura 4, en función de la relación angular entre la magnitud de polarización y la de operación.

Figura 4: Característica direccional

La figura 4 ilustra el comportamiento de un relé direccional conectado a la fase R de un sistema trifásico. El ángulo de par máximo (α) (denominado así por la terminología de los relés electromecánicos) se elige por diseño en función de la característica X/R del circuito protegido.

Fallos entre fases

Los relés direccionales para la protección de fallos entre fases se conectan al circuito de intensidad de la fase protegida. El problema será seleccionar la magnitud de polarización y para ello se utiliza la tensión del sistema a partir de transformadores de tensión.

Se utilizan tres combinaciones de la tensión que se exponen a continuación:

Figura 5: Conexiones de relés direccionales de la fase R

En la figura 5 se muestran las conexiones posibles para relé direccional de la fase R, para las fases S y T resultaran otras tantas conexiones de acuerdo con la tabla siguiente:

FASE	INTENSIDAD	TENSIONES
FASE	INTENSIDAD	90º	30º	60º
R	I_R	V_ST	V_RT	V_RT+V_ST
S	I_S	V_TR	V_SR	V_SR+V_TR
T	I_T	V_RS	V_TS	V_TS+V_TR

El que no se utilicen las tensiones simples para polarizar los relés de fase es porque si ocurriera un fallo próximo a los transformadores de tensión, podría no quedar tensión suficiente disponible para asegurar el funcionamiento de la protección.

Faltas a tierra

Para este propósito se utiliza un único relé conectado en el circuito residual de tres transformadores de intensidad, ya que el fallo a tierra en cualquiera de las tres fases origina la misma corriente homopolar 3 I₀ circulando por ese circuito, figura 6.

Figura 6: Conexión de los relés de fase y tierra

La polarización del relé de tierra puede ser obtenida por la tensión residual 3 V₀ o por la corriente de neutro I_N si está disponible en la instalación. La figura 7 indica la forma de obtener la tensión residual mediante tres transformadores de tensión conectados en estrella y triángulo abierto en el secundario.

Figura 7: Obtención de la tensión para polarizar el relé de tierra

En la figura 7 es evidente que la tensión residual es igual a la suma de las tensiones simples del sistema y por componentes simétricas se tiene:

Tensión que sólo estará presente en cualquiera de las tres fases, en situación de fallo a tierra.

Es posible igualmente polarizar los relés de tierra a partir de la corriente de neutro obtenida en la puesta a tierra del sistema como se indica en la figura 8.