Protecciones de sobrecorriente

CAPITULO 3

PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE

3.1. Introducción

Uno de los fenómenos más comunes que se presentan durante las anormalidades en un sistema

eléctrico de potencia y en especial en los cortocircuitos, es el aumento de la corriente por sobre los valores

normales de operación. Este aumento se utiliza para discriminar la ocurrencia de fallas, ya sea como

protección principal o de respaldo y el relé se denomina de sobrecorriente. Es uno de los sistemas más

simples y se usa ampliamente, especialmente en alimentadores radiales de distribución (10 a 25 kV en Chile)

y transformadores de poca potencia (hasta 4 MVA). Como protección de respaldo se usa en equipos más

importantes dentro del SEP, tales como: generadores, transformadores de mayor potencia, líneas de media

tensión, etc.

El funcionamiento de un relé de sobrecorriente es simple ya que su operación depende de dos

variables básicas:

− El nivel de corriente mínima de operación (o corriente de pickup), que es aquel valor que produce el

cambio de estado del relé.

− La característica de tiempo de operación, es decir la forma en que el relé responde en cuanto al

tiempo.

3.2. Características de operación

De acuerdo a la característica de tiempo de operación, los relés pueden clasificarse, en general, tal

como se muestra en el cuadro 3.1 siguiente:

Cuadro 3.1.- Tipos de relés según su característica de tiempo de operación

tiempo definido

tiempo inverso

Tipos de relés

Instantáneos

Retardados Inverso

Muy inverso

Extremadamente inverso

Estas características quedan definidas en forma aproximada por las siguientes expresiones:

Instantáneos: t = 0 para I ≥ Iop

Tiempo definido t = K para I ≥ Iop

Tiempo inverso t = K / I (3.1)

Tiempo muy inverso t = K / I2

Tiempo extremadamente inverso t = K / I3

Lo anterior es en la realidad una aproximación, ya que; para el caso de los relés electromecánicos, por

ejemplo, en la forma de las curvas tienen mucha influencia elementos tales como: el resorte de reposición, la

inercia de las partes móviles, imanes permanentes de freno, etc., de manera que en la práctica se obtienen

curvas como las indicadas en la Figura 3.1.

Para los relés de estado sólido, es posible conseguir una variedad más amplia de curvas, las que

además pueden ser expresadas matemáticamente, como se verá más adelante.

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0,01

0,02

0,03

0,04

t (seg)

1 3 5 7 Veces I op

a)

2

4

t (seg)

1 3 5 7 Veces I op

b)

2

4

t (seg)

1 3 5 7 Veces I op

6

c)

Figura 3.1.- Curvas de tiempo corriente de relés: a) Instantáneo; b) Tiempo definido; c) Tiempo inverso

3.3. Aspectos constructivos y de funcionamiento

Se incluye aquí una breve descripción de los diversos tipos de relé de sobrecorriente, más empleados.

3.3.1. Protecciones de sobrecorriente instantáneas

Estos relés, como unidades aisladas, se usan poco en los sistemas eléctricos de potencia.

Generalmente se utilizan en conjunto con otras protecciones, con el fin de combinar sus características. Se

construyen del tipo de armadura succionada, armadura atraída y copa de inducción. El torque de estos

elementos responde a una expresión del tipo KI2. Los tiempos de operación son del orden de los 10 a los 60

milisegundos. La característica de operación, especialmente en los elementos tipo copa de inducción,

corresponde a la curva mostrada en la Figura 3.1 a).

3.3.2. Protecciones de sobrecorriente de tiempo definido

Una protección simple de tiempo definido podría obtenerse usando un relé instantáneo en conjunto

con un elemento temporizador (T) que produzca el retardo necesario, (Figura 3.2). Sin embargo, en la

práctica se utiliza muy poco una solución en base a elementos independientes, sino que se usa un relé del tipo

disco de inducción cuya curva sea muy poco inversa, de modo que pueda llamarse de tiempo definido. De

todas maneras, en este tipo de relé el tiempo se define para 10 veces la corriente de operación, en adelante.

Esta característica de operación se consigue utilizando una unidad de medida cuyo núcleo se satura

rápidamente. En los relés de estado sólido se utiliza un elemento comparador que actúa a través de un

temporizador. El relé opera sólo si la sobrecorriente se mantiene durante el tiempo necesario. En caso

contrario, el relé se repone.

3.3.3. Protecciones de sobrecorriente de tiempo inverso

La principal características de este tipo de relés es que mientras mayor sea la corriente aplicada,

menor es su tiempo de operación. Este principio da origen a una variedad de relés con diversas características

de tiempo de operación y pequeñas diferencias de diseño eléctricas y mecánicas. En el caso de los de tipo

electromecánico, el relé está basado en una unidad de medida de disco de inducción, ya sea del tipo de espira

en cortocircuito o wattmétrica, tal como las descritas en el Capítulo 2.

a. Relé tipo disco de inducción

El relé IAC51B de General Electric que se muestra en la Figura 3.3 es de tipo disco de inducción con

espiras en cortocircuito. El disco del relé está montado sobre un eje que es retenido por un resorte espiral

cuya tensión puede regularse, permitiendo el ajuste de corriente mínima de operación. El contacto móvil está

sujeto al disco de modo que gira junto con éste y cierra su circuito a través del espiral. El contacto fijo está

montado sobre la armazón metálica del relé; el torque de operación es producido por la unidad

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electromagnética y en frente de ésta se encuentra ubicado un imán permanente que actúa como freno para el

disco, una vez que éste se encuentra en movimiento, sustituyendo en cierta forma al resorte espiral, que en

estas condiciones prácticamente no tiene ningún efecto. La posición de reposo del disco está definida por un

tope movible que permite variar la separación inicial entre los contactos fijo y móvil, los cuales determinan

un ángulo β entre sí. El ajuste de la separación de los contactos, es decir del ángulo β (Figura 3.4), se

acostumbra denominarlo “LEVER”. Las distintas posiciones dan origen a una familia de curvas de tiempos

de

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