¿Cómo Funcionan los Relés Numéricos?

Generalmente, los fabricantes de los relés numéricos de protecciones tienen innumerables manuales, papers y catálogos donde explican el funcionamiento de los relés que fabrican.

Sin embargo, desde un punto de vista práctico, los ingenieros de diseño de subestaciones eléctricas, así como los ingenieros de planificación, de ventas, y de procura, no necesariamente deben conocer a profundidad los detalles de funcionamiento interno de los relés. Lo importante es que tengan un conocimiento básico de cómo funcionan los relés numéricos para tener la capacidad de especificar las características que se adapten mejor a los requerimientos de sus proyectos.

A demás, las limitaciones de tiempo que normalmente se imponen a la mayoría de los ingenieros de diseño, de planificación, de ventas y de procura, a menudo limitan la cantidad de estudio que se puede dedicar a este tema.

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Procesamiento de Señales en los Relés Numéricos

Los relés numéricos reciben señales de corriente y voltaje medidas a través de transformadores de corriente y de potencial respectivamente. Estas señales se muestrean y se filtran periódicamente.

Los valores muestreados son valores instantáneos medidos en la forma de onda de los parámetros eléctricos, que se transmiten a un convertidor analógico digital. Típicamente, el rango de frecuencia de muestreo suele ser entre 4 a 16 muestras por ciclo. Sin embargo, se pueden usar frecuencias de muestreo más altas para otras funciones, como medición y oscilografía, ya que para estas funciones el tiempo para proporcionar una salida no es crítico.

Por otro lado, el convertidor analógico digital se encarga de convertir los valores muestreados en forma digital para luego transmitirlos al microprocesador. Que, a su vez, aplica los algoritmos sobre esos valores digitales para producir matemáticamente representaciones fasoriales de las cantidades medidas. Posteriormente, varios algoritmos manipulan las cantidades fasoriales para producir los resultados necesarios para tomas decisiones de retransmisión.

Entradas de Señales del Relé Numérico

Las cantidades de entradas de los relés numéricos dependerán de los requerimientos del equipo a proteger, y de la complejidad de la zona de protección de cada aplicación. Normalmente, las entradas requeridas son de corriente y voltaje trifásico, aunque en algunos casos podría ser necesario especificar entradas de señales que indican posición del interruptor, así como señales que restablecen los objetivos, señales que habilitan la lógica de teleprotección, señales que indican el estado de los receptores de teleprotección, junto con otro tipo de señales similares.

Especificaciones de las Funciones de Protección y Control del Relé Numérico

La cantidad de funciones de protección y control que se pueden especificar dentro de un relé numérico puede variar desde unas pocas (para satisfacer necesidades simples o especializadas) hasta una cantidad robusta para brindar protección completa a un equipo primario determinado, como un transformador o un generador.

Relés Numéricos Diagrama de Bloque L90
Diagrama de Bloque Funcional del Relé Numérico L90 Multilin General Electric.

Conceptos de Programación de los Relés Numéricos

Es recomendable comprender las técnicas de programación para usar de manera efectiva las muchas funciones y la flexibilidad que tienen los relés numéricos. Las herramientas de programación disponibles para programas relés numéricos incluyen operadores booleanos, elementros de ecuaciones de control, elementos binarios, cantidades analógicas, y operadores matemáticos.

Relés Numéricos Programación
Imagen Referencial de Programación del Relé Multilin L90 General Electric

Algebra Booleana

La lógica de operación de los relés numéricos se programa a través del álgebra booleana, en el que los términos solo pueden tener dos estados: uno (1) o cero (0). La comprensión de la aritmética booleana es compleja y puede requerir un tiempo de entrenamiento exclusivo para que los ingenieros de protecciones aprendan a usarla. Sin embargo, aquí explicamos dos fundamentos básicos para dar una idea de qué se trata: la suma booleana, y la multiplicación booleana.

Suma Booleana

Las reglas para la suma booleana se muestran en las siguientes ecuaciones:

  • 0+0=0
  • 0+1=1
  • 1+0=1
  • 1+1=1
  • 0+1+1=1
  • 1+1+1+0=1
  • 1+1+0+1+1+0=1

No importa cuántos términos se agreguen, la suma no puede ser mayor que 1 ya que sólo pueden existir 1 y 0. La suma booleana corresponde a la función lógica de una compuerta “OR” y es representativa de contactos paralelos en un circuito eléctrico.

Multiplicación Booleana

Las ecuaciones que representan las reglas para la multiplicación booleana son las siguientes:

  • 0 x 0 = 0
  • 0 x 1 = 0
  • 1 x 0 = 0
  • 1 x 1 = 1

La multiplicación booleana corresponde a la función lógica de una compuerta “AND” y es representativa de los contactos en serie en un circuito eléctrico.

Elementos de la Ecuación de Control

Los elementos de la ecuación de control corresponden a una colección de ubicaciones de almacenamiento, temporizadores y contadores que están disponibles en el relé para que el usuario personalice la operación del relé y proporcione lógica en los datos para la automatización de la subestación.

Estos elementos incluyen variables de ecuación de control desarrolladas por ecuaciones booleanas programadas, variables matemáticas de ecuación de control desarrolladas por ecuaciones de control matemático, enclavamientos y temporizaciones de acondicionamiento y secuenciación. También proporcionan ubicaciones de almacenamiento para bits remotos que se comunican al relé para identificar el estado de otros equipos.

Elementos Binarios

Los elementos binarios son las salidas del relé que provienen del resultado de la lógica interna. La lógica que controla los elementos binarios del relé numérico puede ser preprogramada por los fabricantes, o puede ser programada por el usuario. Los elementos binarios se pueden incorporar en ecuaciones booleanas para crear otra lógica o para iniciar varias acciones, como la salida de disparo, la salida de cierre, la activación de un informe de evento, entre otros.

Cantidades Analógicas

Las cantidades analógicas son las señales de corriente y voltaje que se reciben del sistema eléctrico, se miden y se calculan. Es decir, las cantidades analógicas pueden ser valores instantáneos, promedio o RMS de la corriente o el voltaje asociados. Los operadores matemáticos se utilizan para programar las cantidades analógicas.

Operadores Matemáticos

Los operadores matemáticos se utilizan para escribir ecuaciones de control matemático utilizando valores analógicos. Esto incluye las operaciones de suma, resta, multiplicación, división, raíz cuadrada, logaritmos, exponentes, funciones trigonométricas, entre otras.

Usualmente, la programación de ecuaciones matemáticas por parte del usuario suele estar asociada con funciones de control, más que con funciones de protección. Los fabricantes se encargan de integrar en el relé los operadores matemáticos necesarios para las funciones de protección acorde a las especificaciones de uso que se les da en el momento de la compra.

Relés Numéricos Frontal GE UR
Panel Frontal del Relé Numérico Multilin UR General Electric

Ajustes de los Relés Numéricos

Luego de realizar la programación del relé, se procede con el ajuste de los puntos de corriente de operación de las protecciones, así como el ajuste del retardo de tiempo, entre otros. Es decir, los relés numéricos requieren de datos de entrada para definir las condiciones por la que los elementos binarios cambian de estado para habilitar o deshabilitar las funciones disponibles en el relé.

Las entradas de ajuste tambien se requieren para identificar la rotación de fases, las relaciones de transformador de corriente y transformador de potencial, las características de tiempo-corriente que se requieren para las funciones de protección que operan con retardo de tiempo inverso, las indicaciones en pantalla, etcétera.

Cualidades de los Relés Numéricos

Existen muchas instalaciones eléctricas que aún tienen instalados relés de tecnologías anteriores a la tecnología numérica y que no están convencidos de la necesidad de modernizar los sistemas de protecciones. Por lo que, a continuación, indicaremos cuáles son los beneficios de modernizar los sistemas de protecciones con relés de tecnología numérica:

  • Mayor cantidad de funciones de protección en un solo hardware.
  • Simplificación del cableado.
  • Mayor flexibilidad operativa.
  • Menos requisitos de mantenimiento.
  • Reducción del espacio en el panel: se requieren menos dispositivos de tecnología numérica que los que se requieren para tecnologías antiguas.
  • Capacidad de grabación de eventos.
  • Capacidad para calcular y mostrar la distancia a la falla.
  • Adquisición de datos para medición.
  • Incorporan lógicas para control y automatización de la subestación.
  • Capacidad de autosupervisión.
  • Capacidad de comunicación: habilidad de diseñar esquemas de protección mejorados.
  • Capacidad para interrogación remota y aplicación de configuración.
  • Capacidad para cambiar la configuración automáticamente según las condiciones del sistema.

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Referencias Bibliográficas

Taylor and Francis Group, LLC. (2006). Protective Relaying, Principles and Applications. Third Edition.

General Electric Grid Solutions, Multilin UR Catalog: Protection Relays :: GE Grid Solutions

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