Fundamentos de los Sistemas de Protección Eléctrica

1. Características Fundamentales de un Sistema de Protecciones Eléctricas

Un sistema de protecciones eléctricas debe cumplir con las siguientes propiedades esenciales para garantizar la seguridad y continuidad del servicio:

• Selectividad: Es la propiedad de poder discriminar la ubicación de la falla y actuar aislando la zona comprometida, limitando la desconexión solo a la zona de falla.
• Rapidez: Es la operación en el mínimo tiempo posible a partir de la ocurrencia de la falla. Es ajustable y depende directamente de la selectividad requerida.
• Sensibilidad: Habilidad del sistema para operar frente a la ocurrencia de una falla, por mínima que esta sea.
• Seguridad: Garantizar que el sistema de protecciones opere en todos los casos posibles y que no opere de forma indebida (falsa operación).
• Respaldo: Permitir la operación de una protección secundaria (o de respaldo) en caso de que la protección primaria que debía actuar no lo haga.
• Coordinación: Es la selección y ajuste de los dispositivos de protección para despejar una falla, de modo que las protecciones operen selectivamente y otorguen respaldo.

2. Protección contra Corrientes de Falla Menores que la Corriente de Carga

Para la protección contra fallas cuya corriente resulte menor que la corriente de carga, se debe detectar el desequilibrio de corrientes en las fases del sistema. Esto se logra de la siguiente forma:

• Midiendo la corriente de secuencia cero ($I_0$) para fallas a tierra (1F y 2F a tierra).
• Midiendo la corriente de secuencia negativa ($I_2$) para fallas entre fases (2F).

La operación se realiza típicamente por corriente residual utilizando un relé residual.

(Nota: La conexión de un sistema de protección para este fin generalmente implica conectar los Transformadores de Corriente (TCs) de fase en estrella y utilizar la conexión del neutro para alimentar la bobina del relé residual, obteniendo así la corriente de secuencia cero).

3. Definición de ‘Zona de Protección’

La Zona de Protección es una división conceptual de un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) que permite que los componentes o grupos de componentes se puedan aislar adecuadamente con el mínimo de desconexiones de interruptores, frente a la ocurrencia de una falla, sin comprometer otros componentes que pueden seguir operando o en servicio. Las zonas de protección se definen en torno a los interruptores comunes, ya que estos son los dispositivos que delimitan el área que será despejada.

4. Respaldo Local y Respaldo Remoto

Respaldo Local

Es la presencia de una protección secundaria ubicada en el mismo lugar o zona de una protección primaria. Esta protección secundaria operará en caso de que la protección primaria no lo haga.

Ejemplo: La protección 51N (sobrecorriente de neutro) ubicada en el neutro de un transformador con conexión Y (aterrizado), que respalda a la protección residual alimentada por los TCs de fase de la línea de conexión del transformador.

Respaldo Remoto

Es la presencia de una protección que, ubicada en otra parte o zona del SEP, en la cual es protección primaria, opera en respaldo cuando falla la protección primaria para la cual se ha establecido como respaldo.

Ejemplo: En un sistema radial de distribución primaria, los relés 51 (sobrecorriente) ubicados aguas arriba en las líneas de distribución. Si un interruptor local falla, el relé remoto (aguas arriba) actuará para despejar la falla, aunque desconecte una sección mayor del sistema.

Transformadores de Corriente (TC): Características y Seguridad

5. Corriente Dinámica de un TC

La corriente dinámica (o corriente de corta duración) de un Transformador de Corriente (TC) corresponde al valor máximo de corriente que debe soportar el TC sin sufrir daño mecánico o térmico, especialmente cuando el secundario está en cortocircuito. Este valor es crucial para asegurar la integridad del equipo durante condiciones extremas de falla.

6. Obtención de Voltaje de Secuencia Cero en un Sistema Eléctrico Trifásico

El voltaje de secuencia cero ($V_0$) en un sistema eléctrico trifásico se obtiene mediante la suma fasorial de los tres voltajes de fase:

$$V_0 = \frac{1}{3} (V_a + V_b + V_c)$$

En una condición de desequilibrio (típicamente una falla a tierra), es posible obtener el voltaje de secuencia cero, ya que en dicha condición, las componentes de secuencia positiva y negativa se anulan entre sí al sumarse las tres fases:

$$V_a^{(1)} + V_b^{(1)} + V_c^{(1)} = 0$$

$$V_a^{(2)} + V_b^{(2)} + V_c^{(2)} = 0$$

Por lo tanto, la suma de los voltajes de fase es igual a tres veces el voltaje de secuencia cero ($3V_0$).

7. Impedancia del Circuito Primario en TC vs. TP

Transformador de Corriente (TC)

En un TC, el primario se diseña con muy pocas vueltas y una gran sección de conductor. Por esta razón, la impedancia primaria ($Z_p$) es despreciable si se compara con la impedancia secundaria ($Z_s$). Esto simplifica el circuito equivalente, permitiendo modelar el TC como una fuente de corriente.

Transformador de Potencial (TP)

En los Transformadores de Potencial (TP), no es posible despreciar la impedancia primaria. El primario está diseñado con muchas vueltas y una sección de conductor pequeña para soportar el voltaje del sistema. Por lo tanto, $Z_p$ es significativa y debe considerarse en el circuito equivalente para obtener una representación precisa de la relación de transformación de voltaje.

8. Consideraciones de Seguridad al Intervenir un TC

Al momento de intervenir un TC que se encuentra instalado en un sistema eléctrico energizado, la consideración de seguridad más crítica es:

Acción Requerida: Se debe cortocircuitar el secundario del TC antes de cualquier manipulación.

Fundamento: Si el secundario del TC se abre mientras el primario está energizado, la corriente primaria se iguala a la corriente de excitación. Esto provoca que el flujo magnético en el núcleo aumente drásticamente, induciendo sobretensiones peligrosas en el secundario (que pueden dañar al personal y al aislamiento del TC) y causando un sobrecalentamiento que podría llevar a la destrucción del núcleo.

9. Diferencias entre un TC Clase C y Clase T

La clasificación de los TCs (Transformadores de Corriente) se basa en la capacidad de predecir su error de medición bajo condiciones de saturación:

10. Características de un TC Clase C400

Un Transformador de Corriente con la designación Clase C400 presenta las siguientes características operacionales:

• Error de Precisión: Presenta un error de relación de corriente menor o igual al 10%.
• Condición de Operación: Este error se mantiene cuando en los bornes secundarios se tiene una tensión menor o igual a 400 Volts.
• Corriente de Prueba: La condición anterior se verifica para 20 veces la corriente nominal del TC.