curso protecciones_generadores

7/28/2019 Curso Protecciones_Generadores

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CURSO DE PROTECCIONES ELCTRICAS INGENIERA ESPECIALIZADA S.A.PGINA 1

Elaborado por: Jos Dariel Arcila [email protected]

Tabla de contenido

1 El porqu de las protecciones elctricas .................................................................................................... 31.1 Consecuencias de las condiciones anormales ....................................................................................... 31.2 Riesgos asociados con las fallas elctricas ............................................................................................ 4

1.2.1 El arco elctrico ........................................................................................................................ 41.2.2 La explosin .............................................................................................................................. 41.2.3 El choque elctrico ................................................................................................................... 51.2.4 Consecuencias sobre las personas de los accidentes elctricos .............................................. 5

1.3 Utilidad de las protecciones elctricas .................................................................................................. 61.4 Caractersticas que debe tener el sistema de protecciones elctricas ................................................. 6

1.4.1 Velocidad .................................................................................................................................. 71.4.2 Confiabilidad ............................................................................................................................ 7

1.4.3 Sensibilidad .............................................................................................................................. 71.4.4 Selectividad .............................................................................................................................. 71.4.5 Simplicidad ............................................................................................................................... 8

1.5 Protecciones principales y de respaldo ................................................................................................. 81.6 Las protecciones como conjunto y protecciones sistmicas ................................................................ 91.7 Los criterios de proteccin .................................................................................................................... 92 TRANSFORMADORES DE CORRIENTE ....................................................................................................... 102.1 Seleccin de corriente nominal primaria y secundaria ....................................................................... 102.2 Seleccin de la carga secundaria ......................................................................................................... 102.3 Transformadores de corriente para proteccin y para medida .......................................................... 112.4 Precisin para transformadores de corriente de medida ................................................................... 112.5 Precisin para transformadores de corriente de proteccin .............................................................. 132.6 Funcionamiento transitorio del transformador de corriente ............................................................. 143 TRANSFORMADORES DE TENSIN ........................................................................................................... 163.1 Seleccin de la tensin nominal primaria y secundaria ...................................................................... 173.2 Seleccin del tipo ................................................................................................................................ 173.3 Seleccin de la carga secundaria ......................................................................................................... 173.4 Transformadores de tensin para medida y proteccin ..................................................................... 183.5 Precisin de transformadores de tensin para medida ...................................................................... 18

3.6 Precisin de transformadores de tensin para proteccin................................................................. 183.7 Funcionamiento transitorio de los transformadores de tensin ........................................................ 194 Rels de sobrecorriente ........................................................................................................................... 204.1 Rels de fases y de tierra ..................................................................................................................... 204.2 Curvas de sobrecorriente .................................................................................................................... 214.3 Rels de sobrecorriente direccionales ................................................................................................ 224.4 Coordinacin ....................................................................................................................................... 235 PROTECCIONES DE TRANSFORMADORES ................................................................................................ 245.1 Proteccin diferencial de transformador ............................................................................................ 25

5.1.1 Tipos de rels diferenciales para proteccin de transformadores ........................................ 25

5.1.2 Formas de conectar la proteccin diferencial en el devanado terciario................................ 285.1.3 Conexin diferencial larga y conexin diferencial corta ........................................................ 295.1.4 Factores a considerar en el ajuste de la proteccin diferencial ............................................. 29


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5.1.5 La corriente inicial de magnetizacin o corriente de inrush .............................................. 295.1.6 Diferencia en la magnitud de la corriente en cada lado del transformador .......................... 305.1.7 Grupo de conexin del transformador .................................................................................. 305.1.8 Anlisis de estabilidad de la proteccin ante falla externa .................................................... 305.1.9 Clculo de factores de compensacin .................................................................................... 315.1.10 Seleccin de la corriente diferencial de umbral ..................................................................... 315.1.11 Verificacin de la sensibilidad de la proteccin diferencial ante falla interna ...................... 31

5.2 Proteccin de sobrecorriente .............................................................................................................. 325.2.1 Proteccin de fases ................................................................................................................ 325.2.2 Sobrecorriente de fase instantnea ....................................................................................... 335.2.3 Proteccin de falla a tierra ..................................................................................................... 335.2.4 Proteccin de sobrecorriente para el devanado terciario ..................................................... 345.2.5 Proteccin del transformador de puesta a tierra .................................................................. 35

5.3 Protecciones mecnicas ...................................................................................................................... 36

5.3.1 Rel de presin sbita o vlvula de sobrepresin (SPR) ........................................................ 365.3.2 Rel Buchholz ......................................................................................................................... 375.3.3 Detectores de nivel de aceite ................................................................................................. 375.3.4 Detectores de temperatura ................................................................................................... 375.3.5 Rel de imagen trmica .......................................................................................................... 37

6 caracterstica de cortocircuito del generador .......................................................................................... 387 PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DEL GENERADOR ................................................................................... 408 PROTECCIONES DE GENERADORES .......................................................................................................... 468.1 Protecciones para fallas en la mquina ............................................................................................... 46

Fallas elctricas ......................................................................................................................................... 46

8.1.1 Proteccin contra fallas en los arrollamientos del estator (Diferencial del generador) ........ 468.1.2 Proteccin contra fallas entre espiras .................................................................................... 508.1.3 Proteccin contra fallas a tierra del estator ........................................................................... 538.1.4 Proteccin contra fallas a tierra en el rotor ........................................................................... 638.1.5 Proteccin contra la prdida de excitacin ............................................................................ 648.1.6 Rel de balance tensin ......................................................................................................... 658.1.7 Rel de sobre-excitacin ........................................................................................................ 658.1.8 Proteccin de sobrefrecuencia y baja frecuencia .................................................................. 67

9 ESTABILIDAD, PRDIDA DE SINCRONISMO Y OSCILACIN DE POTENCIA ............................................9.1 Estabilidad ........................................................................................................................................... 719.2 Proteccin de prdida de excitacin ................................................................................................... 75

PARMETROS Y CRITERIOS DE AJUSTE ..................................................................................................... 789.3 Bloqueo por oscilacin de potencia .................................................................................................... 79


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1 EL PORQU DE LAS PROTECCIONES ELCTRICASPara comprender la razn de ser de las protecciones elctricas primero se debe entender laocurrencia de condiciones anormales en los sistemas de potencia. El sistema elctrico se

encuentra en estado normal cuando se cumplen las siguientes condiciones:- La potencia generada es igual a la carga ms las prdidas.- La frecuencia se encuentra en un valor cercano a la nominal, por ejemplo 60 0,3 Hz.- Las tensiones en todas las barra se encuentran cercanas a la nominal, por ejemplo, Vn 10%.- Todos los equipos se encuentran operando dentro de sus condiciones nominales, ningn

equipo se encuentra sobrecargado.Las cargas normalmente presentan variaciones con el tiempo, sin embargo, el sistema con laregulacin de frecuencia corrige la generacin para adaptarla a los cambios de la carga, adems,tambin se tienen las variaciones de tensin que son corregidas por los sistemas de regulacin detensin y de compensacin de reactivos.El estado normal se pierde ante perturbaciones originadas por alguno de los siguientes factores:- Falla elctrica de alguno de los equipos del sistema: generadores, transformadores, lneas,

cables, compensaciones, etc.- Salida abrupta de funcionamiento de alguno de los equipos, por ejemplo, debido a una

sobrecarga, a una falla o a un error humano en la operacin.- Funcionamiento anormal de alguno de los equipos, por ejemplo, sobrevelocidad de un

generador.Las protecciones elctricas cobran importancia por la ocurrencia de estas condiciones anormales,las cuales deben ser detectadas para tomar las acciones necesarias que eviten que lasconsecuencias de stas sean mayores.1.1 Consecuencias de las condiciones anormalesEspecficamente las condiciones anormales que ocurren en sistemas elctricos son las siguientes:- Cortocircuitos o fallas en el aislamiento- Sobrecarga de equipos y circuitos- Fases abiertas en circuitos- Desbalances de tensin y corriente- Bajas tensiones

- Sobretensiones- Desviaciones de frecuencia- Prdidas de sincronismo de generadores y sistemas- Prdida de excitacin de generadores y motores sincrnicos- Oscilaciones de potenciaEstas condiciones anormales pueden generar consecuencias tales como:- Daos para las personas: electrocucin, quemaduras, daos generados por explosin, etc.- Daos para el medio ambiente: muerte de animales, incendios, destruccin.

- Daos de equipos: destruccin debido al calor y la explosin, dao elctrico por altastensiones, daos por esfuerzos mecnicos, etc.

- Daos en las edificaciones: destruccin por explosin y altas temperaturas.


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- Prdidas de continuidad en los procesos: interrupcin de procesos por prdida del suministroelctrico, colapsos del sistema de potencia por prdida de estabilidad, salida de generadorespor prdida de sincronismo, etc.

1.2 Riesgos asociados con las fallas elctricasPara dimensionar la importancia de las protecciones es fundamental el conocimiento de lanaturaleza de los riesgos elctricos que representan las fallas. Normalmente tendemos a asociar el riesgo elctrico solo con el fenmeno del paso de la corriente a travs del cuerpo o choqueelctrico, sin embargo, existen otros riesgos como el arco elctrico y la explosin que sonigualmente peligrosos para las personas, y por lo tanto, deben ser comprendidos.

1.2.1 El arco elctricoNormalmente el aire es un muy buen elemento aislante, sin embargo, bajo ciertas condicionestales como altas temperaturas y altos campos elctricos, puede convertirse en un buen conductor de corriente elctrica. Un arco elctrico es una corriente que circula entre dos conductores atravs de un espacio compuesto por partculas ionizadas y vapor de conductores elctricos, y quepreviamente fue aire. La mezcla de materiales a travs de la cual circula la corriente del arcoelctrico es llamada plasma. La caracterstica fsica que hace peligroso al arco elctrico es la altatemperatura, la cual puede alcanzar 50000 K en la regin de los conductores (nodo y ctodo) y20000 K en la columna, tal como se muestra en la Figura 1.

Columna del arcohasta 20000 K

Regin del nodohasta 50000 K

Regin del ctodohasta 50000 K

nodo ctodo

Plasma

Figura 1. Estructura del arco elctrico

La temperatura tan elevada del arco elctrico genera una radiacin de calor que puede ocasionar

quemaduras graves aun a distancias de 3 m. La cantidad de energa del arco depende de lacorriente y de su tamao, siendo menor el efecto del nivel de tensin del sistema, por lo cual debetenerse un cuidado especial con los sistemas de baja tensin que muchas veces cuentan con losniveles de corriente de cortocircuito ms elevadas.El dao generado por el arco elctrico sobre una persona depende de la cantidad de calor questa recibe, la cual se puede disminuir manejando factores tales como la distancia de la personaal arco, el tiempo de duracin del arco y la utilizacin ropas y equipos de proteccin personal queacten como barreras o aislante trmicos.

1.2.2 La explosinCuando se forma un arco elctrico, el aire del plasma se sobrecalienta en un perodo muy corto de

tiempo, lo cual causa una rpida expansin del aire circundante, produciendo una onda de presinque puede alcanzar presiones del orden de 1000 kg/m. Tales presiones pueden ser suficientespara explotar bastidores, torcer lminas, debilitar muros y arrojar partculas del aire a velocidades


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muy altas.

1.2.3 El choque elctricoEl choque elctrico es la estimulacin fsica que ocurre cuando la corriente elctrica circula por elcuerpo. El efecto que tiene depende de la magnitud de la corriente y de las condiciones fsicas de

la persona. La Tabla 1 presenta respuestas tpicas a tales corrientes para una persona de 68 kg.Las corrientes muy elevadas, si bien no producen fibrilacin, son peligrosas debido a que generanquemaduras de tejidos y rganos debido al calentamiento por efecto joule. Si la energa elctricatransformada en calor en el cuerpo humano es elevada, el calentamiento puede ocasionar daosgraves en rganos vitales.

Tabla 1. Efectos de la corriente en los seres humanos

Corriente(60 Hz)

Fenmeno fsico Sensacin o efecto letal

< 1 mA Ninguno Imperceptible1 mA Nivel de percepcin Cosquilleo1-10 mA Sensacin de dolor 10 mA Nivel de parlisis de brazos No puede hablar ni soltar el conductor (puede

ser fatal)30 mA Parlisis respiratoria Para de respirar (puede ser fatal)75 mA Nivel de fibrilacin con

probabilidad del 0,5%Descoordinacin en la actividad del corazn(probablemente fatal)

250 mA Nivel de fibrilacin conprobabilidad del 99,5% ( de 5 sde exposicin)

4 A Nivel de parlisis total delcorazn (no fibrilacin)

El corazn para durante la circulacin. Si durapoco puede rearrancar sin fibrilacin (no fatal

para el corazn)5 A Quemadura de tejidos No fatal a menos que involucre quema derganos vitales.

1.2.4 Consecuencias sobre las personas de los accidentes elctricosLos accidentes elctricos pueden ocasionar diversos tipos de traumas afectando sistemas vitalescomo el respiratorio, el nervioso y el muscular, y rganos vitales como el corazn.Las lesiones que pueden ocasionarse por los accidentes elctricos son:- El paso de la corriente a travs del cuerpo puede generar cortaduras o rotura de miembros- Los daos en los nervios causados por el choque elctrico o por las quemaduras pueden

causar prdida de la motricidad o parlisis- Las quemaduras por el arco elctrico o por la corriente generan dolores intensos que puedenser de una duracin extremadamente larga.

- Las partculas, el metal fundido y las quemaduras en los ojos pueden ocasionar ceguera.- La explosin puede ocasionar prdida parcial o total de la audicin.- La circulacin de corriente a travs de los rganos puede ocasionar su disfuncin. Adems de las lesiones, puede ocasionarse la muerte por los siguientes factores:- El choque elctrico puede ocasionar daos fsicos mortales.- Cuando se tienen quemaduras de un porcentaje alto de la piel, se requieren cantidades

grandes de lquidos para la cicatrizacin. Esto genera un esfuerzo en el sistema renal quepuede ocasionar la falla del rin.

- Los rganos internos afectados pueden dejar de funcionar ocasionando la muerteprincipalmente si se trata de rganos vitales.


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- Si la vctima inhala gases muy calientes y materiales fundidos generados por el arco elctrico,los pulmones se vern afectados y no funcionarn correctamente.

- El corazn puede dejar de funcionar por fibrilacin o por parlisis debido a la corriente elctrica.

1.3 Utilidad de las protecciones elctricas

La probabilidad de ocurrencia de estas condiciones anormales se puede disminuir, por ejemplo,mediante unas instalaciones adecuadas y mediante un buen mantenimiento preventivo, sinembargo, sin importar que tan bien diseada y construida sea una instalacin elctrica, laocurrencia de las condiciones anormales es inevitable. Las protecciones elctricas buscanentonces ayudar a disminuir los efectos de estas condiciones anormales, para lo cual el sistemade protecciones debe:- Detectar que se ha presentado la condicin anormal.- Detectar cual es el equipo o equipos involucrados en la condicin anormal.- Terminar con la condicin anormal, por ejemplo, desconectando el equipo.- Dar la indicacin sobre la ocurrencia de esta condicin anormal, por ejemplo generando una

alarma.Un buen sistema de protecciones elctricas actuar ante la ocurrencia de condiciones anormalesgenerando los siguientes beneficios:- Limitacin del tiempo de duracin de los cortocircuitos disminuyendo las consecuencias

generadas por el arco, la explosin y el choque elctrico. Adems, esta limitacin de duracinde cortocircuitos disminuye la probabilidad de prdida de estabilidad del sistema debido a lafalla.

- Evita el dao de equipos que estn siendo sometidos a condiciones que superan su capacidad,por ejemplo, las sobrecargas y sobretensiones.

- Disminuye el efecto del mal funcionamiento de un equipo sobre otros equipos, o sobre el restodel sistema, por ejemplo, desconectando generadores que han perdido sincronismo.

- Desconecta los equipos cuando la red elctrica puede daarlos por la mala calidad del servicio,por ejemplo, bajas tensiones, sobretensiones y desbalances.

- Evita que una condicin anormal de un equipo pueda evolucionar hacia una condicin muchoms grave, por ejemplo, la deteccin de fallas incipientes en transformadores y generadoresque pueden terminar convertidas en grandes fallas con daos enormes.

1.4 Caractersticas que debe tener el sistema de protecciones elctricasPara definir estas caractersticas se debe partir de las consecuencias de las condicionesanormales y de los beneficios que se quieren tener de las protecciones en la limitacin de estasconsecuencias. Para esto se deben responder preguntas tales como:- Para qu servir el sistema de protecciones- Cules son los efectos que se disminuirn con el sistema de protecciones- Cules son los equipos que componen el sistema de potencia- Cules son los tipos de condiciones anormales (fallas) esperadas en este sistema- Existen condiciones anormales difciles de detectar - Cuanto es el tiempo mximo permitido de despeje de las fallas- Cules pueden ser las consecuencias de un mal funcionamiento del sistema de protecciones

elctricas

- Cules son las condiciones especiales que tiene el sistema de potenciaDe acuerdo con esto se han definido las siguientes caractersticas principales que debe tener todosistema de protecciones elctricas:


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- Velocidad para detectar las condiciones anormales- Confiabilidad en la deteccin de condiciones anormales- Sensibilidad para condiciones anormales difciles de detectar

1.4.1 VelocidadLos efectos de las condiciones anormales estn muy relacionados con su duracin, por lo cualuna primera caracterstica que deben cumplir los esquemas de proteccin elctrica es la rapidezde actuacin. El tiempo de duracin de las fallas es determinante para establecer lasconsecuencias, a continuacin se muestran algunos efectos relacionados directamente con eltiempo de duracin:- El calor recibido por una persona expuesta a un arco elctrico es proporcional al tiempo de

exposicin- La probabilidad de que la corriente a travs del cuerpo genere fibrilacin aumenta con el tiempo

de exposicin- El calentamiento de los conductores y equipos elctricos durante las fallas es proporcional al

tiempo de duracin- La interrupcin de un proceso industrial debido a la baja tensin asociada con un cortocircuito

depende del tiempo de duracin.- La tensin de un generador puede colapsar debido a cortocircuitos en la red si estos tienen una

duracin prolongada (por ejemplo, ms de 150 ms)- La prdida de estabilidad de un sistema de potencia debido a un cortocircuito depende del

tiempo que se demoren las protecciones en despejarlo.

1.4.2 ConfiabilidadLa confiabilidad expresa el atributo de un sistema de protecciones de operar correctamente antesituaciones en las cuales est diseado para operar y no operar en condiciones normales. Esteconcepto se expresa en trminos de las propiedades de dos conceptos: fiabilidad (o redundancia)y seguridad.La fiabilidad es el aspecto de la confiabilidad que expresa el grado de certeza de que el sistemade proteccin operar correctamente ante la presencia de una condicin anormal o falla, tomandolas acciones necesarias ante esta situacin. Se mide como la probabilidad de que el sistemaacte efectivamente en presencia de una falla.La seguridad es el aspecto de la confiabilidad que expresa el grado de certeza de que el rel nooperar incorrectamente bajo condiciones normales. Se mide como la probabilidad de que elsistema de protecciones no presente actuaciones en ausencia de falla o que acten otras

protecciones diferentes a las que debieron actuar.1.4.3 SensibilidadNormalmente las condiciones anormales o fallas que estn asociadas con cambios significativosde la tensin y de la corriente son detectadas ms fcilmente que aquellas asociadas con cambiosmenores. Este aspecto es de vital importancia teniendo en cuenta que los seres humanos somosvulnerables a corrientes tan pequeas como 30 mA que difcilmente son detectadas por dispositivos de proteccin. Por esto se requiere en muchos casos sistemas de protecciones quesean sensibles a pequeas corrientes o cambios de tensin. La sensibilidad de las proteccionesse expresa como el valor mnimo de la seal de entrada o el cambio en la seal de entrada, quehace que el sistema de protecciones opere.

1.4.4 SelectividadEs una caracterstica del sistema de protecciones como conjunto, y es la capacidad que tiene stede aislar nicamente el elemento que se encuentra en falla. Existen varios mtodos mediante los


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cuales se logra selectividad: por tiempo y por magnitud de la seal actuante.

1.4.5 SimplicidadEl sistema de protecciones debe ser tal que permita a los equipos trabajar al mximo de sucapacidad, teniendo en cuenta sus limitaciones y sin permitir condiciones que generen riesgos

para las personas, equipos e instalaciones. Un sistema de protecciones bastante complejo puedeconducir a operaciones errneas que traern como consecuencia desconexin innecesaria deequipo e interrupcin de procesos, adems, puede generar problemas durante la instalacin,operacin y mantenimiento.

1.5 Protecciones principales y de respaldoPor lo delicado de las protecciones se requiere aumentar al mximo la probabilidad de detectar ydespejar las fallas. Por lo anterior se justifica contar con un sistema de respaldo, el cual puedaactuar cuando el sistema principal no acta en la forma adecuada.Se denomina proteccin primaria de un equipo a la proteccin que debe detectar y aislar la fallaen este equipo y proteccin secundaria a la que debe operar en caso que la proteccin primaria

no acte.La proteccin secundaria debe tener un tiempo de operacin de tal forma que permita laoperacin de la proteccin primaria. Cuando no acta una proteccin primaria, las proteccionessecundarias aslan una mayor porcin del sistema de potencia.En la Figura 2, si se presenta una falla en la lnea A, deben actuar los elementos de proteccin P1y P2. Si por ejemplo no opera el elemento de proteccin P2, entonces deben actuar lasprotecciones de las lneas E y F, sacando de servicio no solo una (la lnea fallada), sino treslneas.

TRANSMISIN

DISTRIBUCIN

GENERACI N

INDUSTRIA

P1 P2Lnea A

Lnea B Lnea C

Lnea D

Lnea E

Lnea F

Figura 2. Proteccin principal y de respaldo


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1.6 Las protecciones como conjunto y protecciones sistmicasEl sistema de protecciones en muchos casos no involucra un solo equipo de proteccin, sino queinvolucra un conjunto de equipos. No solo por tener respaldo, sino que para detectar fallascumpliendo determinados requerimientos tales como la selectividad, se requiere que los equipossean protegidos por ms de un equipo de proteccin, este es el caso por ejemplo, de las lneas de

transmisin y el uso de esquemas de teleprotecciones en los cuales los rels de proteccin secomunican entre s para ofrecer un mejor sistema de protecciones.Es importante hacer nfasis en que no solo se debe proteger a las personas, los equipos y lasinstalaciones, sino tambin los procesos. Una prdida excesiva de generacin o de cargaocasionada por la salida simultnea de varias lneas de transmisin puede no conducir a daos enpersonas, equipos o instalaciones, sin embargo, puede generar una interrupcin prolongada delservicio ocasionando prdidas para los usuarios industriales y comerciales. Debido a lo anterior existen las llamadas protecciones sistmicas que estn orientadas a mantener el sistema depotencia en operacin, un ejemplo son los sistemas de desalastre de carga. Las protecciones desistema son las ms complejas, debido a que involucran no solo un equipo, sino todo el sistemade potencia.

1.7 Los criterios de proteccinPara conocer la forma de proteger los diferentes equipos elctricos es importante conocer culesson los tipos de condiciones anormales asociadas con cada equipo y conocer cules son suslimitaciones. El tema de las protecciones requiere una amplia cantidad de clculos para ladeterminacin de los diferentes dispositivos de proteccin, sin embargo, no es una ciencia exacta,sino que debe mezclarse con unos criterios que dependen bsicamente de la experiencia. Estoscriterios dependen de factores tales como:- La vulnerabilidad de los equipos- Los tipos de falla ms comunes- La frecuencia de ocurrencia de las fallas- Las decisiones sobre si las protecciones estn ms orientadas a la fiabilidad o a la seguridad- El tipo de instalaciones a proteger - Cul ser el tiempo mximo permitido para el despeje de las fallas


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2 TRANSFORMADORES DE CORRIENTEEl transformador de corriente es un equipo esencial en los circuitos de medicin y proteccionesdebido a que proporciona las siguientes ventajas:- Asla los circuitos de medicin y protecciones de las altas tensiones, permitiendo que los rels,

equipos de medicin y equipos de registro sean aislados solo para baja tensin. Por ejemplo,se pasa un sistema de 230 kV en el primario a un sistema de 600 V en baja tensin.

- Disminuye la corriente que circula a travs de los circuitos de proteccin y medida a nivelesque sean fcilmente manejables. Por ejemplo, se pueden tener 1000 A de corriente nominal enel primario y 1 A de corriente nominal en el secundario.

Los transformadores de corriente se aplican principalmente en:- Circuitos de protecciones: para llevar las corrientes a los equipos de protecciones y equipos de

registro de falla.

- Circuitos de medicin: proporcionan la corriente necesaria para todos los equipos de medicintales como ampermetros, vatmetros, unidades multifuncionales de medida, contadores deenerga, transductores para telemedida, etc.

La especificacin de transformadores de corriente depende de las caractersticas del circuito alque estar asociado y de los equipos de control o protecciones a los cuales les proporcionar lacorriente. Los principales factores que definen las caractersticas necesarias de un transformador de corriente son las siguientes:- Corriente nominal del circuito al cual se le medir la corriente.- Corriente nominal secundaria- Carga secundaria. Ohmios o voltamperios de los equipos de medida o proteccin que se

conectarn y de los respectivos cables.- Tipo de aplicacin: proteccin o medida.- Corriente de cortocircuito mxima del circuito, esta caracterstica es fundamental si el

transformado de corriente es para proteccin.

2.1 Seleccin de corriente nominal primaria y secundariaLa corriente nominal primaria debe ser igual o superior a la corriente mxima del circuito enoperacin normal. Se sugiere que la corriente nominal del CT sea entre un 10% y un 40%superior a esta corriente mxima. Las corrientes nominales primarias de los transformadores decorriente se encuentran normalizadas.

De acuerdo con la norma IEC 60044-1 los valores nominales primarios son los siguientes:10 12,5 15 20 25 30 40 50 60 75 A, y sus mltiplos decimales.De acuerdo con la norma ANSI C57.13 los valores nominales primarios son los siguientes:10 15 25 40 50 75 100 200 - 400 600 - 800 1200 1500 2000 3000 4000 5000 6000 8000 12000 A.La corriente nominal secundaria se selecciona teniendo en cuenta los equipos existentes que sequieran alimentar desde el secundario del transformador de corriente. Si los equipos son nuevosse puede seleccionar una corriente nominal secundaria de 1 A o de 5 A (la norma IEC 60044-1contempla tambin la posibilidad de 2 A).

2.2 Seleccin de la carga secundariaEste es uno de los parmetros que debe ser seleccionado con ms cuidado, debido a que unamala seleccin de la capacidad secundaria conducir a una prdida de la precisin del


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transformador de corriente o a la saturacin.La carga del transformador de corriente est determinada por la circulacin de corriente a travsde la impedancia del circuito. Esta impedancia del circuito incluye:- Impedancia propia del transformador de corriente

- Impedancia del cable de conexin hasta los equipos- Impedancia de los equipos que se conectan al circuito secundaria- Impedancia de los puntos de conexin: borneras y terminales de los equiposLa carga secundaria del transformador de corriente que se especifica est dada por losvoltamperios que consumen los elementos externos cuando circula por ellos la corriente nominal.Esta carga nominal secundaria no incluye la carga interna del transformador de corriente.La norma IEC 60044-1 tiene normalizados los siguientes valores de carga secundaria: 2,5 5,0 10 15 y 30 VA. Tambin se pueden seleccionar valores superiores a 30 VA de acuerdo con losrequerimientos de la aplicacin.La norma ANSI C57.13 tiene normalizados los valores de carga secundaria que se muestran en laTabla 2

Tabla 2. Carga secundaria norma ANSI C57.13

Designacin R ( ) L(mH) Z( ) Voltamperios(a 5 A)

Factor depotencia

Medida B-0.1 0.09 0.116 0.1 2.5 0.9

B-0.2 0.18 0.232 0.2 5.0 0.9

B-0.5 0.45 0.580 0.5 12.5 0.9

B-0.9 0.81 1.040 0.9 22.5 0.9

B-1.8 1.62 2.080 1.8 45.0 0.9

Proteccin B-1 0.50 2.300 1.0 25.0 0.5

B-2 1.00 4.600 2.0 50.0 0.5

B-4 2.00 9.200 4.0 100.0 0.5

B-8 4.00 18.400 8.0 200.0 0.5

2.3 Transformadores de corriente para proteccin y para medidaInicialmente podra pensarse que los transformadores de corriente tienen los mismosrequerimientos sin importar el uso, sin embargo, los requerimientos son distintos para proteccin ypara medida.

Para la medida se requiere de una gran precisin, normalmente inferior al 1%, sin embargo, estaalta precisin se requiere para una corriente que normalmente no es superior o es ligeramentesuperior a la corriente nominal del circuito. Las corriente muy superiores a la corriente nominalcorresponden a fallas o condiciones anormales transitorias durante las cuales no es un problemaque la medida no sea muy precisa.Por otro lado, en los transformadores de corriente para proteccin puede ser aceptable unaprecisin hasta de un 10%, sin embargo, se requiere que esta precisin se mantenga paracorrientes elevadas como las que aparecen durante un cortocircuito.Lo anterior implica que los requerimientos de los transformadores de corriente para proteccin ypara medida son diferentes y construir transformadores de corriente que cumplan no ambosrequerimientos no es econmicamente viable, por lo cual se utilizan transformadores de corriente

diferentes para medida y para proteccin.2.4 Precisin para transformadores de corriente de medidaPara la medida es indispensable que el error sea muy bajo, normalmente inferior al 1% cuando se


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trata de medida para efectos comerciales. La clase de precisin de estos transformadores decorriente se especifica como un porcentaje de error que se garantiza para la corriente nominal, por ejemplo, una precisin de 0.2 significa un error mximo del 0.2% a la corriente nominal. Paracorrientes diferentes a la corriente nominal, el error mximo permitido depender de la norma conla cual se especifica el transformador de corriente.

Tambin se tiene la clase de precisin extendida, la cual significa que el error se garantiza en unrango de corriente y no solo para la corriente nominal, por ejemplo, 0.2 s significa un error mximodel 0.2% para una corriente entre el 20% y 120% de la corriente nominal.La norma IEC 60044 define las clases de precisin limitando los errores tanto en magnitud comoen ngulo, tal como se muestra en la Tabla 3. Tambin define las clases de precisin extendidamostradas en la Tabla 4.

Tabla 3. Clases de precisin de medida norma IEC 60044

Clase deprecisin

Porcentaje de error al porcentaje de corrientedado abajo

Desplazamiento de fase en minutos alporcentaje de corriente dado abajo

5% 20% 50% 100% 120% 5% 20% 100% 120%

0.1 0.4 0.2 - 0.1 0.1 15 8 5 5

0.2 0.75 0.35 - 0.2 0.2 30 15 10 10

0.5 1.5 0.75 - 0.5 0.5 90 45 30 30

1.0 3.0 1.5 - 1.0 1.0 180 90 60 60

3 - - 3 - 3 - - - -

5 - - 5 - 5 - - - -

Tabla 4. Clases de precisin extendida norma IEC 60044

Clase deprecisin

Porcentaje de error al porcentaje de corrientedado abajo


1% 5% 20% 100% 120% 1% 5% 20% 100% 120%

0.2S 0.75 .35 0.2 0.2 0.2 30 15 10 10 10

0.5S 1.5 0.75 0.5 0.5 0.5 90 45 30 30 30

Nota: Esta tabla aplica solamente para transformadores de corriente con corriente secundaria de 5 A

La norma ANSI C57.13 define las clases de precisin mostradas en la Tabla 5 para un factor depotencia de la carga secundaria entre 0,6 y 1.

Tabla 5. Clases de precisin de medida norma ANSI C57.13

Clase deprecisin

Porcentaje de error al porcentaje de corriente dado abajo

10% 100%

0.3 0.6 0.3


13/80



Clase deprecisin


10% 100%

0.6 1.2 0.6

1.2 2.4 1.2

La norma ANSI C57.13.6 define clases de alta precisin y de precisin extendida, como semuestra en la Tabla 6.

Tabla 6. Clases de alta precisin de medida norma ANSI C57.13.6

Clase deprecisin


5% 100%

0.15 0.3 0.15

0.15S 0.15 0.15

2.5 Precisin para transformadores de corriente de proteccinPara la proteccin se acepta un error mucho mayor que en medida, pero es muy importante que eltransformador de corriente funcione bien para condiciones de corrientes altas, por ejemplo,durante un cortocircuito. En este caso es necesario entonces definir el error mximo y lascorrientes mximas.La clase de precisin de un transformador de corriente utilizado en protecciones, segn la normaIEC 60044-1, se especifica por el porcentaje de exactitud, seguido de la letra P (proteccin) y por el nmero de veces la corriente nominal del transformador, al cual se garantiza la exactitudindicada.

Figura 3. Precisin de proteccin norma IEC 60044

Por ejemplo, un transformador de corriente con clase de precisin 5P10 proporciona una precisindel 5% para 10 veces la corriente nominal cuando en el secundario se tiene la carga nominal. Enla Tabla 7 se muestran los lmites de error para transformadores de corriente de proteccin deacuerdo con la norma IEC 60044.

Tabla 7. Clases de precisin de proteccin norma IEC 60044Clase deprecisin

Porcentaje de error para lacorriente nominal primaria

Desplazamiento de fase enminutos para la corriente

nominal primaria

Porcentaje de error compuesto para la

corriente lmite primaria

5P 1 60 5

10P 3 - 10

En la norma ANSI C57.13 , la clase precisin est indicada por una letra que puede ser C, T o K, yseguida por un nmero. El nmero que corresponde al mximo voltaje terminal secundario que eltransformador de corriente producir a 20 veces la corriente nominal secundaria con un error nomayor al 10%.En los transformadores de corriente con clase de precisin C indica el flujo de dispersin esdespreciable y la caracterstica de excitacin puede utilizarse para determinar su funcionamiento.

FLP: Factor Limite de PrecisinClase de Precisin: ProteccinExactitud: Error del 5%

P 10530VA

Potencia del CT: Carga


14/80



La clase de precisin T indica que el flujo de dispersin no es despreciable y que la precisin debeser determinada mediante una prueba que consiste en realizar la caracterstica Corrienteprimaria vs Corriente secundaria para una corriente primaria entre 1 y 22 veces la corrientenominal y hasta una carga secundaria que cause un error del 50%.La clase de precisin K es similar a la clase C, pero la tensin de codo de la caracterstica de

excitacin debe ser como mnimo el 70% de la tensin dada en la clase de precisin.Tabla 8. Clases de precisin de proteccin norma ANSI C57.13

Clase deprecisin

Porcentaje de error para20 veces la corriente

nominal primaria

Tensin terminal Factor de potencia

C100T100 K100

10 100 0.5

C200T200 K200

10 200 0.5

C400T400 K400

10 400 0.5

C800T800 K800

10 800 0.5

La Figura 4 muestra la curva de excitacin tpica de un transformador de corriente clase C o K.

Figura 4. Curva de excitacin de un transformador de corriente2.6 Funcionamiento transitorio del transformador de corrienteEl funcionamiento transitorio de los transformadores de corriente se hace relevante cuando stosse utilizan para protecciones, debido a que durante los cortocircuitos aparecen componentes decorriente continua que incrementan bastante el flujo en el ncleo.El transformador de corriente requiere generar un flujo magntico en el ncleo que le permitareproducir en el secundario la corriente equivalente a la corriente del primario.

0.001 0.01 0.1 1 10 100

V o

l t i o s

d e

E x c

i t a c

i n

( V

)

Corriente de Excitacin ( A )

Curva de Excitacin


15/80



Figura 5. Corriente con componente de DC

Figura 6. Flujos magnticos con componente de DC

La clase de precisin P mostrada en el numeral 2.5 est relacionada con los requerimientos parauna corriente primaria sinusoidal simtrica, sin contenido de DC. La norma IEC 60044-6 define lasclases de precisin de transformadores de corriente para condiciones transitorias TPS, TPX, TPYy TPZ.El transformador de corriente clase TPS es de bajo flujo de dispersin y su funcionamiento sedefine por la caracterstica de excitacin del secundario y por el error de la relacin de espiras, notiene limitacin para el flujo remanente. El error de relacin de espiras en el transformador decorriente TPS no debe superar el 0,25% y la tensin de excitacin bajo condiciones lmites nodebe ser inferior al valor especificado. Esta tensin de excitacin debe ser tal que ante el 10% deincremento en su magnitud no se genere un incremento superior al 100% en el valor pico de lacorriente de excitacin.Los transformadores de corriente clase TPX tienen un lmite de precisin definido por el error pico

0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 [s] -60

-30

0

30

60

90 [kA] Corriente primaria concontenido de DC

Corriente secundaria equivalentelimitada por la saturacin del ncleo

0.00 0.04 0.12 0.16 0.20 [s] -0.20

0.24

0.68

1.12

1.56

2.00

Flujo necesario para inducir la tensinque hace reproducir la corriente conel contenido de DC

Flujo real limitado por lasaturacin


16/80



instantneo durante el ciclo de operacin especificado, no tiene limitacin para el flujo remanente.Los transformadores de corriente clase TPY tienen un lmite de precisin definido por el error picoinstantneo durante el ciclo de operacin especificado, el flujo remanente no debe exceder el 10%del flujo de saturacin.Los transformadores de corriente clase TPZ tienen un lmite de precisin definido por el error picoinstantneo de la componente de corriente alterna durante una energizacin con el mximocontenido de DC a la constante de tiempo secundaria especificada. No tiene requerimientos parael error de la componente de DC y el flujo remanente es prcticamente despreciable. En la Tabla9 se muestran los lmites de error de las clases de precisin para condiciones transitorias.

Tabla 9. Clases de precisin de transformadores de corriente para condiciones transitorias

Clase A la corriente nominal A la condicin lmite de precisin

Porcentaje error en la relacin

Desplazamientode fase en minutos

Porcentaje mximo del error picoinstantneo

TPX 0.5 30 10

TPY 1.0 60 10

TPZ 1.0 180 18 10

Nota: Para la clase de precisin TPZ el error dado es para la componente de corriente alterna

Los transformadores de corriente clase TP para condiciones transitorias requieren las siguientesespecificaciones adicionales a las de los de clase P:- Constante de tiempo del primario: esta constante est dada por la relacin entre la inductancia

y resistencia del sistema, y determina que tan alto puede ser el contenido de corriente directade la corriente de cortocircuito.

- Tiempo permisible para el lmite de precisin: tiempo durante el cual la precisin especificadase debe mantener. Este tiempo debe tener en cuenta el tiempo que se demoran en actuar lasprotecciones.

- Ciclo de operacin: se puede especificar un ciclo de energizacin simple (Cierre Apertura) ouna energizacin doble (Cierre Apertura Cierre Apertura). Para todos estos ciclos sedeben especificar los tiempos entre cierres y aperturas. Estos datos son indispensablesporque se requiere la limitacin del flujo remanente.

3 TRANSFORMADORES DE TENSINEl transformador de tensin es un equipo esencial en los circuitos de medicin y proteccionesdebido a que proporciona las siguientes ventajas:

- Asla los circuitos de medicin y protecciones de las altas tensiones, permitiendo que los rels,equipos de medicin y equipos de registro sean aislados solo para baja tensin. Por ejemplo,se pasa un sistema de 230 kV en el primario a un sistema de 600 V en baja tensin.

- Disminuye la tensin que se maneja en los circuitos de proteccin y medida a niveles que seanfcilmente manejables. Por ejemplo, se pueden tener 500 kV de tensin nominal en el primarioy 120 V de tensin nominal en el secundario.

Los transformadores de tensin se aplican principalmente en:- Circuitos de protecciones: para llevar las tensiones a los equipos de protecciones y equipos de

registro de falla.- Circuitos de medicin: proporcionan la tensin necesaria para todos los equipos de medicin

tales como voltmetros, vatmetros, unidades multifuncionales de medida, contadores deenerga, transductores para telemedida, etc.


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La especificacin de transformadores de tensin depende de las caractersticas del circuito al queestar asociado y de los equipos de control o protecciones a los cuales les proporcionar latensin. Los principales factores que definen las caractersticas necesarias de un transformador de tensin son las siguientes:- Tensin nominal del circuito al cual se le medir la tensin.

- Tensin nominal secundaria- Tipo: inductivo o de acople capacitivo- Carga secundaria. Ohmios o voltamperios de los equipos de medida o proteccin que se

conectarn y de los respectivos cables.- Tipo de aplicacin: proteccin o medida.

3.1 Seleccin de la tensin nominal primaria y secundariaEn la tensin nominal primaria debe tenerse en cuenta que sta normalmente es diferente de latensin mxima asignada al equipo que se utiliza para la seleccin de los niveles de aislamiento.La tensin nominal primaria debe seleccionarse igual o ligeramente superior a la tensin nominaldel sistema, la norma IEC 60044 sugiere que se utilicen las tensiones dadas en la norma IEC60038.La tensin secundaria puede ser de 100 V, 110 V o 200 V de acuerdo con la tendencia europea, yde 115 V, 120 V o 230 V de acuerdo con la tendencia americana.

3.2 Seleccin del tipoLos transformadores de tensin del tipo inductivo son los ms econmicos para niveles de baja,media y alta tensin (hasta unos 145 kV), para los niveles de tensin superiores normalmente sonms econmicos los de acople capacitivo. En la seleccin del tipo tambin se debe tener encuenta la respuesta en frecuencia que es relevante cuando se requiere medir armnicos detensin, para este caso son ms recomendables los de tipo inductivo. Si se tienen sistemas de

comunicacin de portadora por lnea de potencia los de acople capacitivo proporcionan lacapacitancia necesaria para que se puedan transmitir seales de comunicaciones.

3.3 Seleccin de la carga secundariaEn los transformadores de tensin la carga secundaria afecta la precisin, adems, para lostransformadores de tensin que cuentan con mltiples devanados debe tenerse en cuenta que noson independientes los unos de los otros (en los transformadores de corriente cada ncleo esindependiente de los otros), la cada de tensin en el devanado primario es proporcional a la sumade la carga de todos los devanados secundarios.La norma IEC 60044-2 tiene normalizados los siguientes valores de carga secundaria paratransformadores de tensin inductivos: 10 15 25 30 50 75 100 150 200 300 400

y 500 VA. La norma IEC 60044-5 tiene normalizados los siguientes valores de carga secundariapara transformadores de tensin de acople capacitivo: 1,0 1,5 2,5 3,0 5,0 7,5 (para unfactor de potencia de 1), y 10 15 25 30 40 50 y 100 (para un factor de potencia de 0,8).La norma ANSI C57.13 tiene normalizados los valores de carga secundaria que se muestran en laTabla 10.

Tabla 10. Carga secundaria norma ANSI C57.13

Designacin Voltamperios Factor de potencia

W 12.5 0.1X 25.0 0.7M 35.0 0.2Y 75.0 0.85

Z 200.0 0.85ZZ 400.0 0.85


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3.4 Transformadores de tensin para medida y proteccinIgual que en los transformadores de corriente, los transformadores de tensin tienenrequerimientos distintos para proteccin y para medida.Para la medida se requiere de una gran precisin, normalmente inferior al 1%, sin embargo, estaalta precisin se requiere para una tensin muy cercana a la tensin nominal del sistema. Lastensiones muy superiores o muy inferiores a la tensin nominal corresponden a fallas ocondiciones anormales transitorias durante las cuales no es un problema que la medida no seamuy precisa.En los transformadores de tensin para proteccin puede ser aceptable una precisin hasta de un10%, sin embargo, se requiere que esta precisin se mantenga para tensiones elevadas o muybajas como las que aparecen durante una falla.

3.5 Precisin de transformadores de tensin para medidaPara las aplicaciones de medida se requiere una muy buena precisin de los transformadores detensin, normalmente inferior al 1%. Debido a que la tensin durante condiciones normales deoperacin se mantiene en un valor muy cercano a la tensin nominal, los transformadores detensin de medida solo requieren la alta precisin para valores alrededor de sta. Las normas ANSI C57.13 e IEC 6004 define las diferentes clases de precisin para transformadores detensin tal como se muestra en la Tabla 11 y Tabla 12 respectivamente.

Tabla 11. Clases de precisin de medida norma ANSI C57.13

Clase deprecisin

Porcentaje de error al porcentaje de tensin dado abajo

90% 100%

0.3 0.3 0.3

0.6 0.6 0.6

1.2 1.2 1.2

Tabla 12. Clases de precisin de medida norma IEC 60044

Clase deprecisin

Porcentaje de error al porcentaje detensin dado abajo


80% 120% 80% 120%

0.1 0.1 0.1 5 5

0.2 0.2 0.2 10 10

0.5 0.5 0.5 20 20

1.0 1.0 1.0 40 40

3.0 3.0 3.0 - -Nota: la clase de precisin 0.1 solo est definida para transformadores de tensin inductivos

3.6 Precisin de transformadores de tensin para proteccinPara la proteccin no se requiere una alta precisin, sin embargo, es necesario que la precisin semantenga durante condiciones de sobretensin transitorias de frecuencia de la red, paragarantizar una operacin adecuada de los rels que dependen de la seal de tensin. En lostransformadores de tensin para proteccin se define un factor de tensin vf que indica hastacuantas veces la tensin nominal se debe garantizar la precisin. Para seleccionar este factor deben conocerse las mximas sobretensiones de frecuencia de red esperadas, las cualesdependen del modo de aterrizamiento del sistema. De acuerdo con la norma IEC 60044 estnnormalizados valores vf de 1.2, 1.5 y 1.9. En la Tabla 13 se muestran los lmites de error para lasclases de precisin de proteccin de acuerdo con la norma IEC 60044.


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Tabla 13. Clases de precisin de proteccin norma IEC 60044

Clase deprecisin

Porcentaje de error al porcentaje detensin dado abajo


2% 5% Vf x 100% 2% 5% Vf x 100%

3P 6,0 3,0 3,0 240 120 120

6P 12,0 6,0 6,0 480 240 240

3.7 Funcionamiento transitorio de los transformadores de tensinCuando se presenta una falla en el sistema de potencia ocurren dos fenmenos transitorios en elsecundario del transformador de tensin, uno de baja frecuencia (de unos pocos Hz) y otro de altafrecuencia (KHz). Normalmente la alta frecuencia se amortigua rpidamente y la baja frecuencialentamente. Las amplitudes de estos transitorios dependen del ngulo de fase de la tensinprimaria en el momento de presentarse la falla.La norma IEC 60044-5 define clases de precisin de proteccin para condiciones transitorias, enlas cuales se limita la tensin secundaria que aparece luego de presentarse un cortocircuito en el

primario. En la Tabla 14se muestran las clases de precisin para condiciones transitorias.Tabla 14. Clases de precisin de transformadores de tensin para condiciones transitorias

Ts(ms)Relacin

Clases

3PT1 6PT1 3PT2 6PT2 3PT3 6PT3

10 - 25 4

20 10 10 2

40 < 10 2 2

60 < 10 0.6 2 90 < 10 0.2 2


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4 RELS DE SOBRECORRIENTELas condiciones anormales ms comunes en sistemas elctricos estn asociadas con cortocircuitoy sobrecarga. El rel de sobrecorriente es un elemento que funciona con base en la corrientesensada, la cual puede incrementarse debido a alguna condicin anormal del sistema, tal como uncortocircuito o una sobrecarga.La proteccin de sobrecorriente es la forma ms simple y la menos costosa de proteger un circuitoo equipo. Esta proteccin permite aclarar las fallas con un retardo de tiempo que depende de lamagnitud de corriente circulante, suministrando un respaldo para los terminales remotos.

4.1 Rels de fases y de tierraDe acuerdo con la corriente actuante se pueden tener rels de sobrecorriente de fases y de tierra.Los rels de fase operan para todo tipo de falla, debido a que actan con la corriente que circulapor cada una de las fases, su conexin es como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Conexin de los rels de sobrecorriente de fases

Los rels de sobrecorriente de tierra estn solo detectan fallas que involucren tierra. El rel desobrecorriente de tierra es una proteccin que puede garantizar una alta sensibilidad teniendo encuenta que se alimenta con la corriente residual, la cual debe tener normalmente un valor bastante bajo. Se tienen dos esquemas de conexin para este tipo de rel, como se muestra enla Figura 8. En el caso en el cual la suma se realiza en el secundario de los transformadores decorriente, el error en la medicin de la corriente residual puede ser alto debido a que el error esproporcional a la corriente de cada fase. En el segundo caso el error es proporcional a la corrienteresidual, siendo mucho ms bajo que en el primer caso.

I >

I >

I >


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Figura 8. Conexin de los rels de sobrecorriente de tierra

4.2 Curvas de sobrecorrienteLa caracterstica de operacin de un rel de sobrecorriente puede ser de tiempo inverso, detiempo definido o instantnea.- Un rel de sobrecorriente instantneo opera cuando la corriente supera un umbral de ajuste,

el tiempo de retardo de la operacin no es intencional y depende del equipo- Un rel de tiempo definido opera cuando la corriente supera un umbral y tiene un retardo

intencional fijo en el tiempo de operacin.- Un rel de tiempo inverso opera cuando la corriente supera un umbral y tiene un retardo

intencional inversamente proporcional a la magnitud de la corriente. Con mayor corriente, eltiempo de operacin es menor y viceversa.

Las normas ANSI/IEEE C37.112-1996 e IEC 255-4 definen las ecuaciones para cada una de lascaractersticas Tiempo vs. Corriente. Las curvas normalizadas son: Inversa, ModeradamenteInversa, Muy Inversa y Extremadamente Inversa. Sin embargo, los fabricantes de rels desobrecorriente en ocasiones ofrecen otras posibilidades de curvas adicionales a las normalizadas.Curvas ANSIEstas curvas se encuentran definidas de acuerdo con la norma ANSI C37.112 se definen lossiguientes tipos de curvas- Moderadamente inversa

- Muy inversa- Extremadamente inversaEstas curvas obedecen a la siguiente ecuacin:

Donde:t: tiempo de operacin del relI: corriente actual a travs del circuito protegidoIS: corriente de arranque del rel A, B, p: constantes que dependen del tipo de curva, ver Tabla 15.

I > I >


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Tabla 15. Constantes para curvas ANSI

Curvas IECEstas curvas se encuentran definidas en la norma IEC 60255-3. De acuerdo con esta normaexisten las curvas A, B y C, la ecuacin general es la siguiente:

Donde:

t: tiempo de operacin del relI: corriente actual a travs del circuito protegidoIS: corriente de arranque del rel

, k : constantes que dependen del tipo de curva, ver Tabla 16.

Tabla 16. Constantes para curvas IEC

4.3 Rels de sobrecorriente direccionalesEstos rels adems de medir la magnitud de la corriente, miden el ngulo entre la tensin y lacorriente para determinar en qu sentido fluye la corriente de falla. Los rels direccionales seutilizan principalmente en sistemas enmallados donde la corriente de falla o de carga puede fluir en ambas direcciones, dado que la fuente no se encuentra ubicada a un solo lado del sistema. Algunas caractersticas importantes de este tipo de rels son:- La coordinacin de rels, presenta una mayor simplicidad.

- Este tipo de rels requiere las seales tanto de corriente como de tensin para determinar ladireccin de la falla. Los rels direccionales de fase son polarizados por el voltaje de fase,mientras que los rels de tierra emplean varios mtodos de polarizacin, usando cantidades desecuencia cero o de secuencia negativa.

- Los elementos direccionales se utilizan en conjunto con rels de sobrecorriente o deimpedancia para mejorar la selectividad.

Los rels de sobrecorriente direccionales son muy usados para proteger lneas de transmisindado que stas, por lo general, tienen al menos dos fuentes de alimentacin de corrientes de falla.Esto hace que la mayora de las veces sea imposible la coordinacin de rels de sobrecorrienteno direccionales.

La coordinacin de rels de sobrecorriente direccionales, usando caractersticas de tiempodefinido, presenta una mayor simplicidad, por lo que, cuando se trata de protecciones de respaldoen lneas de transmisin, se recomienda su uso.


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4.4 CoordinacinCuando los circuitos se protegen con rels de sobrecorriente, es necesario buscar la coordinacincon los dems dispositivos de proteccin de los elementos adyacentes (otras lneas,transformadores, etc.) para lograr selectividad en el sistema de protecciones.La coordinacin de protecciones es el proceso mediante el cual se busca que ante la ocurrenciade una falla en el sistema elctrico, los dispositivos de proteccin acten de una forma coherente,garantizando interrumpir la alimentacin solo a los equipos involucrados en la falla y manteniendoen funcionamiento el resto del sistema.El objetivo de los estudios de coordinacin de protecciones es determinar las caractersticas y losajustes de los diferentes dispositivos del sistema de protecciones. El estudio debe entregar datostales como:- Relaciones de transformacin de transformadores de corriente y tensin- Tipos de fusibles, de interruptores de baja tensin y su capacidad- Ajustes de los rels de proteccin: tipo de curva, corriente de arranque, multiplicador, etc.

Para la coordinacin de protecciones es necesario establecer criterios tales como:- Tipos de curvas a utilizar: norma, fabricante, tipo.- Tiempos de coordinacin: debe darse suficiente tiempo para que se asle la falla por el

dispositivo correspondiente, teniendo en cuenta el tiempo de operacin del rel, el tiempo delos rels auxiliares y el tiempo de apertura del interruptor. Normalmente un tiempo de 200 msse considera aceptable.

- Se debe garantizar que las protecciones no operen ante eventos transitorios que nocorresponden a fallas, tales como corriente inrush de transformadores y corriente de arranquede motores.

- Una buena tcnica consiste en iniciar la coordinacin con los dispositivos ms alejados de lafuente, los cuales prcticamente pueden operar con caracterstica instantnea ante la falla.


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5 PROTECCIONES DE TRANSFORMADORESEl transformador de potencia es uno de los elementos ms importantes del sistema de transmisiny distribucin. La eleccin de la proteccin apropiada puede estar condicionada tanto por consideraciones econmicas como por el tamao del transformador.

No hay una forma normalizada para proteger todos los transformadores. La mayora de lasinstalaciones requieren anlisis individuales para determinar el esquema de proteccin mejor, msefectivo y menos costoso. Normalmente, es tcnicamente factible ms de un esquema y lasalternativas pueden ofrecer diferentes grados de sensibilidad, velocidad y selectividad. Elesquema seleccionado ser el que permita un buen balance y combinacin de esos treselementos, as como un costo razonable.En proteccin de transformadores se debe considerar una proteccin de respaldo, dado que lafalla de un rel o interruptor asociado con el transformador durante una falla en l, puede causar tal dao al transformador, que su reparacin no sea econmicamente rentable.Los transformadores y autotransformadores, en general, estn sometidos a cortocircuitos internosde los cuales se protegen con rels diferenciales porcentuales o de alta impedancia y con rels depresin o acumulacin de gas. Tambin estn sometidos a sobrecorrientes por fallas externascontra las cuales se protegen con rels de sobrecorriente. Adicionalmente, los transformadores y autotransformadores pueden sufrir sobrecalentamientos ysobrecargas que se pueden detectar con resistencias detectoras de temperatura y con rels desobrecarga, respectivamente. La Figura 9 muestra el esquema tpico de proteccin de untransformador de potencia.


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FUENTE

3I > FI

Id >

3I > FI

I >In >

I >In >

>

>

>

>

Figura 9 Protecciones principales de un transformador

5.1 Proteccin diferencial de transformador El rel diferencial de corriente es el tipo de proteccin usada ms comnmente paratransformadores de 10 MVA en adelante. La proteccin diferencial es muy apropiada paradetectar las fallas que se producen tanto en el interior del transformador como en sus conexionesexternas hasta los transformadores de corriente asociados con esta proteccin.

5.1.1 Tipos de rels diferenciales para proteccin de transformadoresPara implementar la proteccin diferencial se usan rels de varias clases, as:Proteccin diferencial usando rels de sobrecorriente temporizados. Estos rels de

sobrecorriente sin restriccin, son poco usados en aplicaciones actuales debido a queson susceptibles de operar mal por causas tales como corriente de magnetizacininrush cuando se energiza el transformador y errores de saturacin o errores dedisparidad de los transformadores de corriente.


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Figura 11 Proteccin diferencial porcentual autotransformador sin carga en la delta delterciario

Figura 12 Proteccin diferencial porcentual autotransformador con carga en la delta delterciario

Proteccin diferencial de autotransformadores utilizando rels de alta impedancia. Enalgunos pases es un prctica comn proteger los autotransformadores utilizando relsdiferenciales de alta impedancia tipo barra, operados por voltaje. Las conexiones deeste sistema de proteccin de autotransformadores, con el punto de neutro deldevanado en , slidamente aterrizado se observa en la Figura 13. Este arregloprovee proteccin contra todo tipo de fallas fase-fase y fallas a tierra, pero no provee

1

2

3 C B

A

RESTRICCINBOBINA DER BOBINA DEOPERACINO

R R

O

R R

O

R

O

R

1

2

3

A

B

C

A

B

C

RESTRICCINBOBINA DER BOBINA DEOPERACINO

C

B

A

C

A

B

C B

A

BC

A

ORR

R

B

C

A

B

A

C

R

RR

O

R

RR

O

A

B

C


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proteccin para fallas entre espiras. En este esquema se requiere que todos lostransformadores de corriente tengan igual relacin de transformacin e igualescaractersticas de precisin.Los autotransformadores estn a menudo dotados con un devanado terciario en delta. En elcaso de que dicho devanado no tenga conectada carga, se puede conectar una esquina de ladelta como se muestra en la Figura 13 para que la proteccin diferencial pueda detectar lasfallas a tierra en este devanado. De todas maneras, este esquema de conexin de laproteccin no detectar fallas entre fases o entre espiras del devanado terciario.

Figura 13 Proteccin diferencial de alta impedancia para un autotransformador sin cargaen el terciario

5.1.2 Formas de conectar la proteccin diferencial en el devanado terciarioPara llevar la conexin de la proteccin diferencial a un devanado terciario en delta de unautotransformador, se utilizan dos formas:Medida externa de corriente terciaria: En este tipo de conexin la seal de corriente se

toma de un CT ubicado fuera de la delta (Ver Figura 14 (b)). Dado que este CT midela corriente de lnea de la delta y tanto el lado primario como el secundario delautotransformador estn conectados en , es necesario compensar la diferenciaangular del voltaje con la conexin del rel. La forma de hacer esto depende del tipode rel a conectar, es decir, si el rel es numrico la compensacin se hace por software escogiendo en el rango del rel la conexin indicada. En otros casos el reldispone de unos CTs de interposicin, los cuales deben ser co nectados de acuerdocon la compensacin requerida.Esta conexin es muy utilizada en autotransformadores trifsicos.

Medida interna de corriente terciaria: En esta conexin, la seal de corriente se tomainternamente a travs de CTs de buje ubicados dent ro del devanado de la delta.Dado que la corriente que estn midiendo los rels es la propia del devanado, no haynecesidad de compensar. (Ver Figura 14(a)).

DEVANADOTERCIARIO

A

C

B

X*

*

*

*

*

*

NEUTRO

*

*

*

C

B A

H

87T

IGUAL PRECISINY RELACIONES DETRANSFORMACIN

*

AB

C

LINK


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Esta conexin es muy utilizada en autotransformadores construidos con unidadesmonofsicas.

(a) (b)

Figura 14. Esquemas de conexin de la proteccin diferencial en el devanado terciario

5.1.3 Conexin diferencial larga y conexin diferencial cortaCuando la conexin de un transformador entre dos barras se hace a travs de campos deconexin existe la posibilidad de utilizar bien sea los CT de buje del transformador o los CT de loscampos de conexin. Cuando se utilizan los CT de los campos de conexin, con lo cual laproteccin diferencial cubre no solo el transformador sino las conexiones a los campos, sedenomina conexin diferencial larga y cuando la conexin se hace utilizando los CT de buje deltransformador, se denomina conexin diferencial corta.

5.1.4 Factores a considerar en el ajuste de la proteccin diferencialEn la proteccin diferencial de transformadores se deben tener en cuenta los siguientes factoresque pueden causar una operacin incorrecta de la misma si no son considerados al momento dela conexin y ajuste del rel.

5.1.5 La corriente inicial de magnetizacin o corriente de inrush Esta corriente puede ser vista por el rel principal como una corriente de falla interna y causar ladesconexin del transformador, dado que esta corriente es del orden de ocho (8) a doce (12)veces la corriente nominal con un tiempo de duracin de 100 ms o ms. Los factores quecontrolan la duracin y la magnitud de esta corriente son el tamao y la localizacin deltransformador, la impedancia del sistema desde la fuente al transformador, las dimensionesinternas del ncleo del transformador y su densidad de saturacin, el nivel de flujo residual y laforma como el banco se energice.Para evitar este problema, la proteccin diferencial del transformador puede ser diseada consensibilidad reducida al transitorio, usando los armnicos de la corriente inrush paradesensibilizar momentneamente la operacin durante el tiempo de energizacin, lo cual sepuede hacer debido a que la corriente inicial de magnetizacin tiene un alto contenido dearmnicas, particularmente de segundo y cuarto orden, las cuales se pueden utilizar, filtrndolas yhacindolas pasa por la funcin de restriccin para as insensibilizar al rel durante laenergizacin del transformador. Ante fallas, los armnicos de orden 2 y 4 son de muy bajo valor, as que el manejo de stospermite distinguir entre corrientes inrush y de falla.

IA

P2P1

P2P1

Y2

Y1

2IA87TCOMPENSACIN

YY -YY -YY0 0 0

A

H1

X1

A

N

IA

P2P1

P2P1

Y2

Y1

87TCOMPENSACIN

YD -YD -YY1 1 0

A

H1

X1

A

BARRA


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5.1.6 Diferencia en la magnitud de la corriente en cada lado del transformador Debido a los diferentes niveles de voltaje, incluidas las diferentes posiciones de los tomas de lostransformadores, las corrientes a uno y otro lado del transformador son de diferente magnitud;esto se compensa con la adecuada seleccin de la relacin de los transformadores de corrienteasociados con la proteccin diferencial y de un rel del tipo porcentual o con bobina de restriccin.

Los transformadores de corriente, al emplear relaciones de transformacin distintas, nocompensan la diferencia que se presenta entre las corrientes del lado de alta y baja deltransformador, es decir, puede presentarse un posible desequilibrio de relacin de transformacinen los diferentes transformadores de corriente. Esto se compensa con los factores de Matchingque tenga el rel.

5.1.7 Grupo de conexin del transformador El grupo de conexin del transformador de potencia introduce un desfase entre las corrientesprimaria y secundaria. Esto se compensa con la adecuada conexin de los transformadores decorriente, es decir, si el transformador de potencia est conectado en delta - estrella ( - ), lacorriente trifsica balanceada sufre un cambio angular de 30 , el cual deber ser corregidoconectando el transformador de corriente en estrella - delta ( - ), como se muestra en la Figura10.En general, la eliminacin del desfase se realiza asumiendo flujo balanceado de corrientes a cadalado del transformador. Los transformadores de corriente en el lado de un banco debenconectarse en delta y los del lado delta deben conectarse en , de esta manera se compensa eldesfase de 30 y se bloquea la corriente de secuencia cero que se presenta cuando hay fallasexternas a tierra, dado que cuando los CTs se conectan en delta, la corriente de secuencia ceroexterna circula en el circuito de stos y evita la operacin errnea del rel.Si el transformador ha sido conectado en delta en ambos niveles de tensin, los CTs deinterposicin debern ser conectados en Y al rel diferencial. Para bancos conectados YY

aterrizados sin devanado terciario, se debe utilizar una conexin delta de los CTs. Sera posibleusar CTs conectados en Y si el banco est formado por tres transformadores bidevanadosindependientes conectados en Yaterrizado - Yaterrizado. Sin embargo, si este banco es del tipotrifsico la conexin en delta de los CTs es la recomendada debido a que el flujo residual desecuencia cero genera una delta fantasma. La clave en todos los casos es que si se utiliza laconexin Y de los CTs, la corriente en por unidad de secuencia cero debe ser igual en amboslados ante fallas externas. Algunas veces no es posible obtener un valor aceptable de desbalance con las relaciones detransformacin disponibles o por la franja de ajuste permitida por el rel, en cuyo caso se requiereel uso de CTs auxiliares de balance de corrientes.Para transformadores multidevanados como los bancos tridevanados, o autotransformadores con

devanado terciario conectados a circuitos externos, se utiliza un rel con mltiples bobinas derestriccin (se puede disponer de rels con dos, tres, cuatro y hasta seis bobinas de restriccincon un devanado de operacin simple). Las corrientes a travs de las bobinas de restriccinestaran en fase y la diferencia de corriente debida a la carga o a una falla externa sera mnima.Idealmente, esta diferencia sera cero, pero con relaciones de transformacin de CT diferentes endistintos niveles de tensin, esto es imposible en casi todos los casos.Con el fin de seleccionar el ajuste adecuado para las protecciones diferenciales de lostransformadores, se lleva a cabo un anlisis de verificacin de la saturacin de lostransformadores de corriente teniendo en cuenta el estudio de cortocircuito y las curvas deexcitacin (Tensin vs Corriente) suministradas por el fabricante.

5.1.8 Anlisis de estabilidad de la proteccin ante falla externaEn este anlisis se determinan las mximas corrientes a travs de los transformadores decorriente simulando fallas externas, tanto en el lado de alta como en el lado de baja del


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transformador y se evala el impacto que podran tener sobre las protecciones en el caso que sepresente saturacin bajo estas condiciones. Para hacer esto se debe disponer de las curvas desaturacin de los CTs y dems caractersticas de estos Normalmente, la gran mayora de los rels diferenciales aplican una ecuacin con la cual severifica la estabilidad de la proteccin ante falla externa y esta expresin vara de acuerdo con el

diseo mismo del rel diferencial.5.1.9 Clculo de factores de compensacinPara el caso en el cual las relaciones d e transformacin de los CTs asociados con la proteccindiferencial no sean iguales, es necesario compensar mediante factores o CTs de interposicinauxiliares de tal manera que en estado estable la corriente diferencial que circula por la bobina delrel, an sin falla interna, sea minimizada.La pendiente del rel diferencial, en la mayora de los casos debe tener componentes queconsideren los siguientes factores:

MS er eCT T P %%%

Donde:P: Pendiente porcentual del rel%T: Mxima franja de variacin del cambiador de tomas (arriba o abajo)%eCT: Mximo error de los CT para la clase de exactitud especificada%er: Mximo error esperado de relacin de transformacin entre la relacin de

transformacin del transformador y la de los CT.MS: Margen de seguridad: Mnimo 5%.

5.1.10 Seleccin de la corriente diferencial de umbral

Para elegir el umbral de ajuste ms adecuado para la proteccin diferencial del transformador, serealizan fallas externas monofsicas y trifsicas y se determinan las corrientes diferenciales quecircularn por el rel para cada una de ellas.La corriente diferencial de umbral se ajusta a un valor por encima de la mxima corriente obtenidaen las simulaciones con un margen de seguridad que garantice su estabilidad ante fallas externas.

I2 I1

Id=I1+I2

Figura 15 Proteccin diferencial de autotransformador ante falla externa

5.1.11 Verificacin de la sensibilidad de la proteccin diferencial ante falla internaSe simulan fallas internas en el elemento protegido y el valor de corriente obtenido debe ser mucho mayor que la corriente de umbral seleccionada, para garantizar una alta sensibilidad en elrel.


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I2 I1

Id=I1+I2

Figura 16 Proteccin diferencial de autotransformador ante falla interna

5.2 Proteccin de sobrecorrienteLa proteccin de sobrecorriente en transformadores de potencia, se utiliza como proteccin derespaldo de la proteccin diferencial y para fallas externas. Los rels de sobrecorriente slo seutilizan como protecciones principales en los transformadores cuando el costo de la proteccindiferencial no se justifica. A continuacin se presentan algunos criterios para el ajuste de los rels de sobrecorriente tanto defases como de tierra. Sin embargo, estos ajustes no se pueden asignar arbitrariamente sino quese deben corroborar con un estudio de cortocircuito que garantice que exista coordinacin con losrels de proteccin de elementos del sistema adyacentes al transformador.

5.2.1 Proteccin de fasesCuando se requiere la sobrecarga del transformador y para permitir la buena operacin del rel, elvalor de ajuste de la corriente de arranque debe ser mayor a la corriente de sobrecarga esperada.

El valor de arranque se recomienda tomarlo como un 130% de la corriente nominal deltransformador (en refrigeracin forzada) y el dial y la curva se determina de acuerdo con el estudiode cortocircuito. Los ajustes de los rels de fases involucran compromisos entre operacin yproteccin. La recomendacin de 130% surge de la ventaja que ofrece la capacidad desobrecarga del transformador en estado de operacin normal y, en especial, cuando se presentansituaciones de contingencia en donde se requiere la sobrecarga de lneas y transformadores. Sinembargo, es importante sealar que cada empresa define el porcentaje de sobrecarga de susequipos y por tanto el ajuste ms adecuado de la proteccin.De acuerdo con la norma ANSI/IEEE C37.91 es aceptable un ajuste del 200% al 300% de lamnima capacidad del transformador segn su placa de caractersticas. De acuerdo con loanterior, un ajuste del 130% de la Inominal en la mxima capacidad del transformador esaproximadamente equivalente al 217% de la I nominal en la mnima capacidad.Para los rels de sobrecorriente de fases se hace un anlisis integral, es decir, se simulan fallasbifsicas aisladas en puntos cercanos al transformador, tanto por el lado de alta como por el ladode baja y se observan las magnitudes de las corrientes por todos los rels para las diferentesfallas, se establece un ajuste primario para cada uno de los rels de sobrecorriente de fases y severifica la coordinacin entre ellos, de tal forma que cuando la falla ocurra en cercanas al relste opere primero y los dems operen selectivamente.Esta metodologa se debe aplicar en generacin mxima para ajustar los rels en el punto dondees ms difcil coordinarlos. Adems se debe verificar que el ajuste obtenido del rel (dial y curva caracterstica) se ubique por debajo de la curva de soportabilidad del transformador, para garantizar que el equipo no sufrirdao.Para facilitar el trabajo, se pueden elaborar tablas donde se resuma el estudio de cortocircuito y sepuedan observar los tiempos de operacin de cada rel para las diferentes fallas simuladas y de


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este modo verificar la operacin selectiva de las protecciones.En caso de que el rel de sobrecorriente a ajustar slo tenga unidad de tiempo definido, lacorriente de arranque se ajusta con el criterio ya recomendado y el tiempo de operacin seescoger de acuerdo con la selectividad de las protecciones aguas abajo y arriba deltransformador considerando los estudios de cortocircuito.

Es importante anotar, que para una falla en la barra de baja tensin, la curva de operacin del relde sobrecorriente del lado de alta del transformador deber quedar preferiblemente por encima dela del lado de baja. Esto depender del esquema de disparo habilitado para los interruptoresasociados con los dos lados del transformador, dado que en algunos casos las protecciones delnivel de baja tensin disparan tambin los interruptores del lado de alta del transformador.Depender tambin de la existencia o no de un devanado terciario cargado, en cuyo caso esimportante lograr una adecuada coordinacin entre alta y baja tensin. En caso de no existir taldevanado terciario cargado no se tienen grandes problemas si las curvas de alta y baja tensin seaproximan una a la otra.Cuando se tienen esquemas de deslastre de carga o de generacin, en los ajustes de lasprotecciones de sobrecorriente de fases se deben tener en cuenta dichos esquemas paraseleccionar las corrientes de arranque ms adecuadas. Por ejemplo, si el deslastre se hace conbase en la sobretemperatura del transformador y sobrecorriente, se deben considerar lossiguientes aspectos:Para un margen dado de sobrecarga, debe operar el rel de sobretemperatura enviando

teledisparo a unas cargas previamente seleccionadas. A partir de un nivel ms elevado de sobrecarga se puede implementar un deslastre por

sobrecorriente que desconecte otras cargas de acuerdo con el esquema seleccionado.Este esquema, puede consistir en una sola unidad de sobrecorriente instalada en unade las fases y en un slo nivel de tensin, tomando la seal de corriente de un ncleode medida, caso en el cual la coordinacin con los dems rels de sobrecorriente no

es necesaria dado que el ncleo del CT de medida se satura para corrientes de falla.Si la seal de corriente se toma de un ncleo de proteccin, se debe verificar que elrel de sobrecorriente instalado para efectuar el deslastre, nunca opere ante fallas enel sistema.

De acuerdo con lo anterior, el ajuste de la corriente de arranque del rel de sobrecorrientede fases que acta como respaldo de las protecciones principales del transformador,ser un valor mayor que la sobrecarga por temperatura y por corriente, para garantizar que opere el deslastre y el transformador quede protegido.

5.2.2 Sobrecorriente de fase instantnea

No es recomendable el uso de la unidad instantnea para proteccin de transformadores ya quese pueden presentar operaciones indeseadas ante corrientes de energizacin o por fallas en otrosniveles de tensin. Cuando esta unidad se utiliza, su ajuste debe ser superior a la mximacorriente subtransitoria asimtrica para una falla en el lado de baja tensin del transformador.

As mismo, la unidad instantnea se debe ajustar en un valor superior a la corriente inrush deltransformador, para evitar disparos inadecuados.

5.2.3 Proteccin de falla a tierraEl valor de arranque de los rels de sobrecorrientes de tierra se recomienda en un valor del 40%de la corriente nominal del transformador, dado que los niveles de desbalance esperados en elsistema son inferiores este valor. El dial y la curva se determinan de acuerdo con el estudio de

corto circuito.Para el ajuste de los rels de sobrecorriente de tierra, se simulan fallas monofsicas francas y dealta impedancia (30 50 ) en varios puntos del sistema (vario

curso protecciones_generadores

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