Protección Diferencial

Los sistemas de protección diferencial (definidos por el número ANSI 87) operan en base al principio de comparación de corriente. Es decir, parten de que la corriente que entra a un objeto protegido sano es la misma que sale de él. De este modo, la corriente medida por el elemento “M” de la siguiente Figura debe ser cero. Cualquier medida de corriente diferente de cero es un indicador de falla en algún lugar de la zona protegida.

Según sea el caso, los transformadores de corriente TC 1 y TC 2 deben tener la misma relación de transformación. Y, los devanados secundarios de los TC 1 y TC2 deben formar un circuito cerrado para la corriente “i”. En el punto central de ese circuito cerrado se coloca un elemento de medición “M”. De modo que en condiciones normales de operación no fluye corriente a través del elemento “M”. Pero, si ocurre un cortocircuito dentro de la zona protegida entonces la corriente que sale del objeto protegido es diferente a la que entró. Y, el elemento de medición sensa ifalla 1+ifalla 2, lo cual es proporcional a Ifalla 1+Ifalla 2. De este modo, si el resultado de la suma supera un rango apreciable, entonces se genera el disparo para proteger al objeto en cuestión.

Principio Básico de la Protección Diferencial
Principio Básico de la Protección Diferencial. Fuente: © Ing. Leiry Chinchilla

La desventaja de este sistema es que, si ocurre una falla externa, causará un flujo de corriente muy alto a través de la zona protegida. Y, las diferencias en las características magnéticas de los TCs bajo saturación pueden causar un flujo de corriente significante a través del elemento “M”. Si la magnitud de esta corriente se encuentra por encima del umbral de respuesta, el sistema puede proporcionar una señal de disparo erróneo.

Protección Diferencial de Línea

En caso de una línea trifásica, la zona de protección consta de conductores limitados por un conjunto de transformadores de corriente en cada extremo. Donde, cada extremo tiene un relé de protección diferencial de línea (definido con el código ANSI 87L) que monitorea las corrientes de las tres fases. Este sistema de protección requiere de enlace de comunicación entre los relés de los terminales de la línea. El enlace se necesita para el envío los valores de corriente (magnitud y ángulo), medidos localmente, de un extremo a otro. Con esto, cada relé podrá realizar la comparación diferencial y ordenar disparo a su interruptor asociado de manera independiente.

Protección Diferencial de Barra

La protección diferencial de barra (ANSI 87B) compara la corriente total que entra a la barra con la corriente total que deja la barra. Es decir, esta protección involucra a todos los circuitos conectados a la barra.

Las protecciones diferenciales de barra detectan cuando un circuito es desconectado de la barra. Por lo que pueden diferenciar este evento de una falla real, dando alarma en lugar de disparo.

Existen algunos puntos de falla en barras, especialmente entre los interruptores y los TCs, en donde la falla no puede ser despejada por la 87B. Es decir, el circuito permanece alimentando la falla después de la operación del sistema de protección de barras. Específicamente, después de la orden de apertura de todos los interruptores de la S/E. Para despejar este tipo de fallas es necesario utilizar teledisparo hacia la subestación vecina. El teledisparo es iniciado por la protección de falla local del interruptor (50BF) alojada en el Controlador de Bahía.

Por otro lado, la condición más crítica se presenta cuando ocurre una falla externa justo afuera de la zona diferencial. Porque los TC del circuito fallado reciben la suma de todas las corrientes de los demás circuitos. Y, tienen que reproducir una magnitud potencial de corriente con suficiente precisión para nivelarse con la corriente secundaria del TC y evitar error de operación. Para evitar posibles problemas por rendimiento adecuado del TC se pueden usar dos técnicas:

  • Restricción múltiple de corriente (baja impedancia).
  • Voltaje de alta impedancia.
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Protección Diferencial de Transformador

La protección más comúnmente utilizada para proteger transformadores de potencia es la diferencial del tipo porcentual (identificado con el número ANSI 87T). Su zona de protección cubre hasta los TC que la alimentan.

Con la tecnología numérica se tiene la ventaja de que las relaciones de transformación entre el transformador de potencia y los TC se nivelan matemáticamente. Esto lo hace el microprocesador con el desplazamiento de fases del grupo de vectores del transformador protegido. Protege contra cortocircuitos internos con medianas o altas corrientes, y contra cortocircuitos externos en su zona de protección. Genera disparo suficientemente rápido (menor de 3 ciclos) que minimiza los problemas de estabilidad. Es confiable, pues los disparos generalmente corresponden a fallas del propio transformador.

Desventajas de la Protección Diferencial del Transformador

Entre las desventajas de la protección diferencial del transformador, se tienen las siguientes:

  • Si es el único relé que protege al transformador, no se puede someter a mantenimiento con el transformador energizado.
  • Protege parcialmente contra la sobreexcitación, sólo para valores muy elevados.
  • No cubre contra daños térmicos por fallas pasantes, ni sirve de respaldo para otras zonas de protección de la S/E.
  • No detecta cortocircuitos internos de baja corriente (cercanos al neutro).
  • No cubre fallas entre pequeñas porciones de espiras.
  • No protege contra elevaciones de temperatura ni ruptura del tanque.

De lo anterior se observa que la protección diferencial se debe combinar con protecciones mecánicas del transformador de potencia. También, se puede combinar con otras protecciones eléctricas, como la de sobrecorriente de alta tensión o la de baja tensión. Sin embargo, estas funciones complementarias se deben dejar como respaldo en relés de sobrecorriente independientes. Esto, con el fin de no reducir la confiabilidad del sistema de protecciones y permitir las pruebas de mantenimiento de los relés.

Corriente de Magnetización (Inrush)

Cuando se produce la corriente de magnetización (inrush) al energizar los transformadores, el relé la percibirá como una corriente diferencial y provocará el disparo. No obstante, se tiene la ventaja de que la corriente de magnetización inicial está compuesta por muchas armónicas. Siendo la segunda armónica la más significativa. Esto se puede usar para configurar el bloqueo de la 87T en el momento de la energización del transformador y evitar así un disparo indeseado.

Transformador con Núcleo Sobreexcitado

Cuando el núcleo está sobreexcitado es porque la tensión del sistema es alta y su frecuencia baja (V/Hz). En este caso, aparece una corriente diferencial con un gran contenido del quinto armónico. De este modo, se debe configurar al relé para que la protección se bloquee en presencia de esta componente, y evitar disparos innecesarios.

Fallas Monofásicas Externas al Transformador

La componente de secuencia cero de la corriente también debe ser eliminada para evitar la operación instantánea del relé por fallas monofásicas externas. Como desventaja, la protección en el lado Delta del transformador pierde sensibilidad en caso de una falla a tierra en el lado Estrella. Para resolver esta desventaja, se recomienda colocar un TC en la conexión a tierra del transformador protegido. Esto añadirá sensibilidad a la protección contra fallas a tierra. De modo que, la corriente de secuencia cero es eliminada durante fallas externas, pero es muy reconocida en caso de fallas a tierra internas.

→ Artículo Recomendado: ¿Qué son los Estándares Internacionales IEC? • LeiryChinchilla.com

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Bibliografía

J. Blackburn, T. Domin, Protective Relaying Principles and Applications, 3ra edición, Florida, Estados Unidos: Taylor & Francis Group, 2007,  pp. 31-64, 393-405.

Subestaciones de Alta y Extra Alta Tensión, Colombia: Ingenieros Consultores Mejía Villegas S.A., 2da edición, 1991, pp. 405-542.

Numerical Differential Protection Relay 7UT51, version 3.0, Siemens AG.

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