Relé de Sobrecorriente con Restricción de Tensión (51V)

¿Qué es la protección de sobrecorriente con restricción de tensión (51V)? ¿Para qué sirve? ¿Cómo funciona?

Los relés básicos de sobrecorriente de tiempo inverso (ANSI 51) necesitan algunas funcionalidades auxiliares que complementen los criterios de operación para evitar que tengan disparos erróneos cuando la demanda de carga aumenta en condiciones normales, y que, al mismo tiempo, puedan operar rápida y selectivamente ante condiciones de fallas de baja magnitud de corriente.

Por ejemplo, en el caso de los generadores de potencia, si los ajustes de corriente y tiempo de los relés 51 son demasiado bajos, el relé puede disparar el generador innecesariamente en condiciones de sobrecargas normales. Pero, si los ajustes del 51 son demasiado altos para permitir la operación selectiva de los relés aguas abajo, es posible que el relé 51 no responda ante fallas externas del generador debido a que la magnitud de este tipo de corriente es muy pequeña.

Esquema de Protección de Generadores de Potencia.
Diagrama de Protección de Generador. Fuente: GE Multilin G60.

Protección de Sobrecorriente en Generadores

Los generadores son complejos y requieren una amplia variedad de dispositivos de protección. Usualmente, la protección principal suele ser el relé diferencial, mientras que los dispositivos de sobrecorriente actúan como protección de respaldo.

La dificultad de configuración de la protección de sobrecorriente simple (ANSI 51) surge porque se debe tener en cuenta tanto la disminución de la corriente de falla del generador con el tiempo como el paso de la corriente de carga total. Por lo tanto, para poder superar esta dificultad, se puede medir y utilizar el voltaje del terminal del generador para modificar dinámicamente la curva de sobrecorriente de tiempo inverso del relé ante fallas cercanas a la planta generadora.

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Funciones de Protección de Sobrecorriente Dependientes de la Tensión

Los relés de sobrecorriente dependientes del voltaje se utilizan como protección de respaldo de generadores ante fallas externas. Cuando ocurre una falla externa, el voltaje del sistema colapsa a un valor relativamente bajo; pero cuando ocurre una sobrecarga, la caída de voltaje es relativamente pequeña.

Estos relés utilizan el voltaje para modificar las características de tiempo-corriente de modo que el relé permita las oscilaciones de potencia en condiciones normales, pero brinde respuesta rápida de disparo ante fallas. Este relé de sobrecorriente tiene dos variaciones: restringido por voltaje y controlado por voltaje, identificados con los siguientes números de función ANSI:

  • 51V: Protección de Sobrecorriente con Restricción de Tensión.
  • 51PV: Protección de Sobrecorriente de Fase con Restricción de Tensión.
  • 51VC: Protección de Sobrecorriente Controlada por la Tensión.
Esquemático de Protección de Generador incluyendo la Función Restricción de Tensión 51V
Esquemático de Protección de Generador incluyendo la Función 51V. Fuente: GE Multilin GET-8048A

Protección de Sobrecorriente con Restricción de Tensión (51V)

La protección de sobrecorriente con restricción de tensión consiste en variar continuamente la configuración del umbral de disparo de la curva de sobrecorriente de tiempo inverso (ANSI 51) con respecto a la variación del voltaje del generador entre límites predeterminados. Es por esto que se dice que el voltaje restringe el funcionamiento de la protección convencional de sobrecorriente.

Curva 51V. Restricción de Tensión 51V
Imagen Referencial de Curva de Operación de la Función 51V. Fuente: ALSTOM GRID.

Es decir, cuando ocurre una falla cerca del generador, el voltaje reducido permite que el relé restringido por voltaje se vuelva más sensible (la curva de tiempo inverso se desplaza hacia la izquierda). Conforme se reduzca el voltaje debido a una falla externa, la función 51V reducirá proporcionalmente el ajuste de disparo de la función 51 para que sea más sensible ante corrientes de falla de baja magnitud. En definitiva, esta restricción proporciona una curva dinámica de disparo dependiendo del voltaje en los terminales de la máquina.

Protección de Sobrecorriente Controlada por Voltaje (51VC)

La protección de sobrecorriente controlada por voltaje tiene dos curvas de tiempo-corriente que se seleccionan de acuerdo con la magnitud de la tensión medida en el terminal del generador. En este sentido, el ajuste del umbral de tensión para lograr la selectividad del disparo se elige según los siguientes criterios:

  1. Ajuste de umbral durante sobrecargas.
  2. Ajuste de umbral durante fallas.
Curva 51VC. Restricción de Tensión 51V
Imagen Referencial de Curva de Operación de la Función 51VC. Fuente: ALSTOM GRID.

1. Ajuste de Umbral Durante Sobrecargas

Durante las sobrecargas, cuando el voltaje del sistema se mantiene cerca de lo normal, la protección contra sobrecorriente debe tener un ajuste de disparo por encima de la corriente normal de carga. En este caso, la curva de tiempo de operación evitará que la planta generadora contribuya corriente a una falla externa remota durante un período de tiempo superior al limite de la curva de daño del generador.

2. Ajuste de Umbral Durante Fallas

Cuando ocurre una falla cerca del generador, el voltaje en su terminal puede caer drásticamente. Por lo tanto, se configura un umbral de voltaje que ronda entre el 40% y el 50% del valor nominal. De este modo, cuando el voltaje en el terminal del generador cae por debajo de este umbral el relé seleccionará la segunda curva de protección de tiempo inverso, cuyo umbral de corriente es menor para poder disparar rápidamente ante corrientes de falla de baja magnitud.

Cabe destacar que esta función de protección también debe sincronizarse con la protección del circuito externo para poder garantizar la selectividad del disparo.

Conclusión

Los relés de sobrecorriente con restricción de voltaje (ANSI 51V) se utilizan para disparar el generador si otros dispositivos de protección no han despejado una falla del sistema. Una falla sostenida puede resultar en corrientes del generador que son menores que la corriente de carga nominal. Por lo que la protección 51V es una alternativa para que el relé pueda identificar adecuadamente las corrientes de falla y realizar un disparo rápido y selectivo.

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Fuente

IEEE Std. 242-2001. Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power System.

ALSTOM GRID. Network Protection and Automation Guide.

GE Multilin. Relay Selection Guide. GET-8048A.

Multilin G60 :: GE Grid Solutions

Generator Protection :: GE Grid Solutions

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