Protecciones de sobrecorriente
ccuyubamba20 de Febrero de 2014
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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.
68
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 operación del relé que pueden ser seleccionadas por medio de una rueda numerada o dial de tiempo (time
dial) que va desde 1 ó 0,5 a 10 en los relés Americanos y desde 0,1 (0,05) a 1 en los Europeos. La corriente
de operación del relé se ajusta utilizando la toma o tap adecuado de la unidad electromagnética. La posición
del imán permanente también es posible de ajustar e influye sobre la curva de operación.
x
x
x
x
x
x
50-1 50-2 50-3
a)
Figura 3.2.- Protección de sobrecorriente de
tiempo definido, utilizando un relé instantáneo en
conjunto con un temporizador: a) Conexión de los
relés de las fases; b) Circuito de desenganche
52
BD
52
a
Fusible
Swc 50
52
2
3
7
8
50-3
Fusible
T 50-1 50-2
T
b)
Figura 3.3.- Relé de sobrecorriente IAC51B de la General Electric
70
Para obtener la ecuación de tiempo versus corriente, se considerará la Figura 3.4 que muestra la
disposición del disco móvil y los diferentes elementos que contribuyen al torque del relé. Por otra parte, en la
Figura 3.5 se muestra el esquema de la estructura magnética con la bobina principal y la espira en
cortocircuito, así como el diagrama fasorial que muestra los flujos que producen el torque de operación o
torque motriz.
β
Contacto fijo
Contacto móvil
Espiral
Imán
permanente
Disco de
Aluminio
Bobina
Estructura con espira
en cortocircuito
Figura 3.4.- Esquema del elemento comparador de un relé tipo espira en cortocircuito
Según lo visto en el Capítulo 2 (Ecuación 2.42), el torque de operación o motriz TM es de la forma:
TM = K Φ1 Φ2 sin α (3.2)
Donde Φ1 y Φ2 (valores máximos de los flujos), dependen del número de espiras N y de la corriente I.
Además, tal como se muestra en la Figura 3.5, el ángulo de desfase α entre los flujos es constante y por lo
tanto se puede escribir:
2 2 2
M
2
TM = KM (NI) = K N I = a I (3.3)
Donde a = KM N2 es constante para un número determinado de espiras de la bobina
El imán permanente proporciona un torque de retención TF que se supone proporcional a la velocidad
ω del disco, a través de una constante b, que considera la densidad de flujo B del imán, que es constante
TF = b ω (3.4)
φ
1 2 φ'
I
φ
φ
1 2 =φ'
φ
I
φ
φ2
e Ie e
α
a) b)
Figura 3.5.- Relé de inducción de espira en cortocircuito: a) Estructura magnética;
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