Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: Características y clasificación de los relés de protección (Parte 1ª)

Relés de protección digital SEPAM de Schneider Electric

El relé de protección

Es el dispositivo que ha alcanzado el desarrollo más elevado de una instalación eléctrica y adopta multitud de variantes.

Podemos definir un relé en general, como un aparato destinado a producir en un circuito una modificación dada, cuando se cumplen determinadas condiciones en el mismo circuito o en otros distintos.

Un relé de protección es pues un dispositivo destinado a abrir un circuito cuando la magnitud eléctrica que controla alcanza unos valores preestablecidos de antemano en un tiempo determinado.

Por su forma de actuación, los relés de protección se clasifican en:

Relés de protección directos

Son aquellos que actúan directamente mediante parte móviles asociadas sobre el elemento de corte sin intervención de otros elementos auxiliares o intermedios.

En ellos, la corriente circula directamente a su través, sin transformadores de intensidad intermedios.

Se emplean en baja y, cada vez menos, en media tensión.

Figura 1: Relés directos electromagnéticos, magnetotérmico

y térmico respectivamente de MT

Relés de protección indirectos

Son aquellos que actúan a través de contactos auxiliares de cierre sobre los mecanismos de desconexión de los interruptores.

La magnitud controlada normalmente se mide a través de elementos intermedios como transformadores de medida, que además aíslan los relés de los elementos en tensión y permiten un control incluso a distancia de las instalaciones.

Figura 2: Relé indirecto de disco de inducción IAC de GEE

Elementos generales de un relé de protección indirecta

Los relés de protección indirectos constan de los elementos siguientes:

Figura 3: Elementos generales de los relés indirectos

Leyenda de la figura 3:

(1) Fuente auxiliar de tensión

Actúa como dispositivo de alimentación independiente del dispositivo de protección.

Esta fuente auxiliar puede ser una batería de acumuladores a baja tensión, un dispositivo de tensión nula, o bien, la propia red, a través de los correspondientes transformadores de tensión.

(2) Dispositivo de entrada

Figura 4: Transformador de intensidad (TI)

Detecta las señales procedentes de una perturbación (intensidades, tensiones, etc.) y las convierte en señales aptas para ser recogidas por el relé de protección, es decir, de débil potencia y de baja tensión.

Por lo general los dispositivos de entrada de los relés de protección, son transformadores de intensidad y transformadores de tensión los cuales, además de dispositivos de entrada, sirven de aislamiento eléctrico entre las partes de alta y de baja tensión de la instalación.

(3) Dispositivo convertidor

En él se convierten las señales procedentes del dispositivo de entrada, de tal forma que puedan medirse por el dispositivo siguiente.

Algunas veces, no existe este dispositivo de conversión y las señales pasan directamente al dispositivo de medida.

(4) Dispositivo de medida

Figura 5: Dispositivo de medida de un relé de inducción

Es la parte más importante del dispositivo de protección.

Aquí se miden las señales procedentes de los dispositivos anteriores, previamente adaptadas por dichos dispositivos, y se decide de acuerdo con el valor de la medida, cuando debe entrar en funcionamiento el correspondiente dispositivo de protección.

(5) Dispositivo de salida

Figura 6: Dispositivos de salida de un relé de inducción

Es el elemento intermediario entre el dispositivo de protección y los dispositivos accionados por este dispositivo.

Amplifica las señales procedentes del dispositivo de medida y, en su caso, engloba también los elementos necesarios para aumentar el número de señales de salida.

Los dispositivos de salida clásicos son los contactos de mando y, modernamente, los elementos lógicos con sus correspondientes dispositivos de amplificación.

(6) Dispositivo accionado

Figura 7: Bobina de emisión de corriente

Generalmente, se trata de la bobina de mando de los disyuntores, que producen la desconexión de éstos en caso de perturbación.

(7) Relé de protección

Figura 8: Relé de disco de inducción indirecto IAC sin la caja de protección

Los elementos:

· dispositivo convertidor

· dispositivo de medida

· dispositivo de salida

generalmente están englobados en un solo aparato denominado relé de protección.

Figura 9: Esquema de conexiones de un relé de desconexión por corriente auxiliar

Características de los relés de protección

Para cumplir las condiciones que les han sido asignadas, es decir, reaccionar a las perturbaciones producidas en las redes y máquinas, de manera eficiente, los relés de protección han de cubrir un conjunto de exigencias tales como:

Seguridad: Es la probabilidad de no actuación de un sistema o componente cuando no debe hacerlo.
Obediencia: La probabilidad de actuación de un sistema o componente cuando debe hacerlo.
Fiabilidad: Es la probabilidad de que un sistema o componente actúe única y exclusivamente cuando debe hacerlo. La fiabilidad de un equipo es el producto de la seguridad y la obediencia. Esta seguridad debe mantenerse aún para las más desfavorables condiciones de funcionamiento, tales como los valores extremos de la intensidad de cortocircuito en el lugar donde se ha montado el relé, el funcionamiento del relé después de varios años de reposo, etc.
Sensibilidad: Los relés de protección han de tener un funcionamiento correcto para el valor mínimo de la perturbación que pueda aparecer en el lugar del defecto.
Rapidez: Por lo general, los defectos en las líneas y aparatos, están caracterizados por la aparición de un arco eléctrico que calienta y destruye los aislantes y conductores en el lugar del defecto siendo estas destrucciones proporcionales a la duración del arco.Se define la rapidez por el tiempo invertido desde la aparición del incidente hasta el momento en que cierra sus contactos el relé. Solamente será interesante esta característica en las aplicaciones donde no se introducen temporizaciones adicionales. El aumento de la rapidez implica una disminución de la fiabilidad.
Selectividad: Las características y los valores de funcionamiento de los relés han de elegirse de tal forma que, aun para las condiciones más desfavorables, solamente queda desconectada la parte de la red o de la máquina que esté afectada por el defecto. De esta forma, se reducirá al mínimo el sector falto de suministro de energía eléctrica mientras se efectúa la reparación de la parte averiada.
Automaticidad: La enorme complejidad de las redes eléctricas hace que resulte difícil localizar un fallo, ya que una perturbación cualquiera en un punto de la red, repercute sobre todos los demás; siendo muy difícil localizar un defecto y reaccionar con la rapidez suficiente para evitar su extensión a otros puntos de la red eléctrica. Por lo tanto, los relés de protección han de ser automáticos, es decir que su funcionamiento debe realizarse sin intervención humana.
Mantenimiento: Reducción al mínimo de piezas sujetas a desgaste, evitando el mantenimiento periódico.
Facilidad de prueba: Se valora el que el equipo tenga incorporados dispositivos que faciliten su verificación sin que sea necesario desconectar ningún conductor para realizar las pruebas.
Autodiagnóstico: Es la inclusión de funciones de autoverificación en la protección. Ésta es una de las ventajas que aportan las protecciones digitales.
Modularidad: El montaje de las protecciones en módulos enchufables posibilita la localización y reparación de las averías y la sustitución de partes averiadas del propio relé.
Precio: Adecuado a la función a realizar.

Además de las condiciones expuestas, un buen relé de protección ha de cumplir también otras exigencias:

Su funcionamiento debe permanecer inalterado para las variaciones de configuración de la red, tales como puestas en paralelo, modificaciones de la alimentación, etc.
El funcionamiento debe producirse cualesquiera que sean la intensidad de cortocircuito, la naturaleza y situación de los defectos, etc.
Debe ser insensible a las sobrecargas y sobretensiones momentáneas.
Igualmente debe ser insensible a las oscilaciones de la tensión, intensidad, etc.
Ha de tener un consumo propio muy pequeño.

Características de las magnitudes a controlar

Magnitudes a controlar

Una sobrecarga o un cortocircuito en un elemento de la red, están caracterizados, generalmente, por una intensidad de intensidad mayor que la normal y por una caída de tensión, también mayor que la normal.

Estos factores pueden tenerse en cuenta para prever la actuación de los correspondientes dispositivos de protección.

Las alteraciones de las magnitudes a las que los relés de protección han de ser sensibles para que puedan revelar la presencia de un defecto en el dispositivo que protegen son:

Aumento de la intensidad de intensidad
Disminución de la tensión
Disminución de la impedancia aparente
Comparación de la fase o de la amplitud de las corrientes de entrada y salida
Inversión del sentido de la potencia entre la entrada y la salida
Variación de la frecuencia

En los relés de protección, estos criterios se utilizan individualmente o, en otros casos, asociados con objeto de reforzar la seguridad del sistema de protección.

Características de intensidad

Intensidad nominal: Intensidad para la que ha sido calibrado el relé.
Intensidad de funcionamiento: Denominada también intensidad de desbloqueo, es el límite inferior del valor de la intensidad que provoca el funcionamiento del relé.
Intensidad permanente admisible: Llamada algunas veces, intensidad de calentamiento es el valor máximo de la intensidad que puede soportar permanentemente la bobina del relé, o los contactos del mismo.
Intensidad máxima admisible: Llamada también valor de sobreintensidad, es el valor máximo de la intensidad que puede soportar la bobina del relé o los contactos del mismo durante un tiempo especificado. Por ejemplo, si decimos que la intensidad máxima admisible de un relé es de 100 veces la intensidad nominal durante 2 segundos, indicamos con ello que la bobina puede resistir esta sobreintensidad en dicho tiempo.
Intensidad a la apertura: Es el valor máximo de la intensidad que pueden cortar los contactos del relé, en el momento de la apertura de los mismos. Se llama también intensidad al corte.
Intensidad al cierre: Valor máximo de la intensidad que puede atravesar los contactos del relé en el momento del cierre de los mismos.
Intensidad de retorno: Valor de la intensidad para que el relé vuelva a su posición de reposo.

Características de tensión

Tensión de servicio: Es la tensión para la que ha sido calibrado el relé.
Tensión de funcionamiento: Denominada otras veces tensión de desbloqueo es el límite inferior del valor de la tensión que provoca el funcionamiento del relé.
Tensión permanente admisible: Es el valor máximo de la tensión que puede soportar permanentemente la bobina del relé, o los contactos del mismo.
Tensión máxima admisible: También se le llama valor de sobretensión y es el valor máximo de la tensión que puede soportar la bobina del relé, o los contactos del mismo, en un tiempo especificado.
Tensión de retorno: Valor de la tensión para la que el relé vuelva a su posición de reposo.

Características de tiempo

Instante de excitación: Instante en que la magnitud eléctrica (intensidad, tensión o potencia) alcanza el valor de funcionamiento (figura 10).

Figura 10: Tiempos de actuación relé/interruptor

Tiempo de funcionamiento: Es el intervalo de tiempo comprendido entre el instante de excitación y el accionamiento de los contactos del relé (figura 10).
Temporización: Retardo introducido voluntariamente en el tiempo de funcionamiento de un relé.
Relé de acción instantánea: Relé sin dispositivo de retardo. Entra en acción en el mismo instante en que la magnitud eléctrica (intensidad, tensión, etc. ... ) llega a su valor de funcionamiento. Se le llama también relé instantáneo.
Relé de acción diferida: Llamado otras veces relé temporizado, tiene un dispositivo de temporización de tal forma, que entra en acción después de cierto tiempo de haber alcanzado la magnitud eléctrica (intensidad, tensión, etc.) su valor de funcionamiento.
Relé de retardo independiente: Es el relé de acción diferida cuyo retardo es siempre el mismo cualquiera que sea el valor de la magnitud eléctrica (intensidad, tensión, etc.) que provoca el funcionamiento del relé.
Relé de retardo dependiente: Es el relé de acción diferida cuyo retardo varía con el valor de la magnitud eléctrica (intensidad, tensión, etc.) que provoca el funcionamiento del relé.

Otras características

Calibrado: Valor de las magnitudes eléctricas (intensidad, tensión, potencia, etc. ... ), marcados sobre la placa de características, para los cuales se dimensionan las bobinas y los contactos del relé.

Figura 11: Placa de calibrado de un relé Sprecher

Relación de retorno: Relación en tanto por ciento entre el valor de retorno de una magnitud eléctrica (intensidad, tensión, etc. ... ) y el valor de funcionamiento.
Potencia de consumo: Llamada también consumo es la potencia absorbida por los circuitos del relé para la tensión de servicio y la intensidad nominal. Se expresa en vatios o en voltamperios, según los casos.
Potencia de funcionamiento: Denominada también potencia de desbloqueo es el límite inferior del valor de la potencia, que provoca el funcionamiento del relé.
Potencia permanente admisible: Es el valor máximo de la potencia que pueden soportar los circuitos del relé.
Potencia a la apertura: Es el valor máximo de la potencia que pueden cortar los contactos del relé, en el momento de la apertura de los mismos. Se llama también capacidad al corte.
Potencia al cierre: Valor máximo de la potencia que pueden soportar los contactos del relé, en el momento del cierre de los mismos. También se conocen con el nombre de capacidad al cierre.
Potencia de retorno cierre: Valor de la potencia para la que el relé vuelva a su posición de reposo.