ABC DE LOS RELES DIRECCIONALES DE SOBRECORRIENTE (67P)

 Autor: Hugo E Reyes H (Ing. Electricista - Universidad del Zulia, Venezuela)

1. INTRODUCCION

En esta publicación estaremos desarrollando el principio de operación de los relés de sobre-corriente del tipo direccional. Los relés direccionales son relativamente simples y económicos. Estos relés tienen la capacidad de determinar la dirección de la potencia eléctrica (y por consiguiente la corriente eléctrica), mediante el reconocimiento de los ángulos de fases entre la corriente de operación y la magnitud de polarización (corriente o voltaje) del relé, ver la Figura 1. 

Al elemento del relé encargado de determinar el sentido de la corriente de operación se le denomina unidad o elemento direccional (32). Entonces, un relé direccional de sobre-corriente (67) está compuesto por un elemento direccional (32) y un elemento de protección de sobre-corriente no-direccional (50/51). 

Figura 1 Diagrama de Bloque de Relé 67

Los relés direccionales (67) se habilitan, por medio del elemento direccional, para operar en dirección “hacia adelante” (Forward) desde su punto de ubicación. Cuando el relé está habilitado para operar en dirección “hacia adelante” significa que el relé tiene activa su función de protección 50/51 “mirando hacia adelante”. En esta condición, de ocurrir una sobrecarga o cortocircuito en la dirección “hacia atrás”, el elemento direccional del relé (32) inhabilita o bloquea la función de protección (50/51).

2. PRINCIPIOS BASICOS DE OPERACIÓN DEL RELE DIRECCIONAL

Los relés direccionales de sobre-corriente (67) son utilizados primordialmente en los sistemas de distribución en anillos, en líneas paralelas, y/o en sistemas de potencia donde el flujo de corriente o potencia puede cambiar  de dirección. En estos esquemas la función de cada relé direccional de sobre-corriente es la de operar en casos de sobrecargas o fallas del elemento protegido en la dirección hacia delante (Forward), mientras que la unidad direccional del relé bloquea la operación del relé para fallas que ocurren en el sentido contrario de su ubicación. En la Figura 2 podemos visualizar un esquema donde se aprecia una aplicación típica de los relés direccionales.

El relé direccional 1 (R1) está conectado para responder al flujo de corriente que se dirige saliendo desde el BUS A hacia la derecha, para flujos de corriente en dirección hacia la izquierda del BUS A el relé R1 está bloqueado para operar. Mientras que el relé direccional 2 (R2) está conectado para operar cuando las corrientes salen del BUS A en dirección hacia la izquierda, y para flujos de corriente en dirección hacia la derecha del BUS A el relé R2 está bloqueado para operar. En resumen, siguiendo el esquema de la Figura 2 el relé R2 detectará y limpiará la falla de 10 000 Amperes, mientras que el relé R1 está bloqueado para operar debido a que la falla fluye en la dirección reversa.

Un relé direccional de sobre-corriente tiene dos elementos de entrada, un elemento es la corriente de operación, y el otro elemento es la señal de polarización (corriente o tensión), que sirve como unidad de referencia del relé para determinar el sentido de la corriente. La figura 3 expone en forma gráfica este detalle.

De acuerdo con la figura 3, para ocurrencias de cortocircuitos en la zona “Hacia Delante” la corriente de falla (If) atrasa al voltaje de polarización (Vpol) en un ángulo β de cortocircuito menor a 90º, el ángulo β es dependiente del nivel de tensión, del tipo de falla y de los componentes del sistema de potencia tales como: impedancia de la línea y de los transformadores de potencia involucrados en la zona entre el relé y la falla. Algunos valores típicos del ángulo de cortocircuito β son mostrados en la Tabla 1.

Ang. Falla	380kV	220kV	110kV	10-30kV	Arco Elect.
Β (Aprox.)	85º	80º	72º	30 – 50º	0º

Tabla 1 Valores Típicos de β

Para fallas ubicadas “hacia atrás” de la posición del relé 67 la magnitud y ángulo de fase de la tensión de polarización (Vpol) permanecen prácticamente sin cambio; sin embargo, la corriente de falla (If)  adelanta al voltaje de polarización (Vpol) en un ángulo igual o menor a: 180º - β.

En la Figura 4 se muestra el principio de operación de un relé electromecánico direccional basado en el principio de inducción electromagnética. Como su nombre lo indica, la operación del relé está basada en la rotación de un cilindro (rotor), el Torque de Operación que se desarrolla es proporcional al flujo magnético resultante producido por la magnitud de corriente eléctrica de operación (Iop) y la magnitud de la variable de polarización (Qpol), por el seno del angulo β. 

Figura 4 Principio de Operación de un Relé Direccional

Una forma más conveniente de expresar el torque de operación de un relé direccional es tradicionalmente aplicada como se muestra a continuación:

Donde:

T: es el Torque Operativo del Relé.

K:  constante que depende de las características constructivas del relé.

Iop: es la corriente de operación del Relé

Qpol: es la señal o variable de polarización (tensión Vpol, o, corriente Ipol).

Ҩ: es el ángulo formado entre la corriente Iop y la señal de polarización Qpol.

ҨMT: es el ángulo al cual el relé direccional desarrolla el Torque Máximo.

En la Figura 5 se puede observar la representación vectorial de la ecuación 1, para una rotación de fases positiva (A-B-C) y habilitación del relé direccional para operar en la dirección “hacia delante” de la ubicación del relé.

Figura 5 Diagrama Fasorial de Relé Direccional

El elemento direccional (32) del relé direccional de sobre-corriente (67) realiza una comparación del Torque desarrollado con respecto a un valor umbral  para determinar la dirección de una falla. Acá por simplicidad, se asume una valor umbral igual a cero, de esta forma cuando el Torque es positivo (T>0) el relé entra en la zona de operación. El ángulo de operación del relé está delimitado por:

(-90º - ҨMT) <  (Ҩ - ҨMT) < (90º - ҨMT)

 El Torque es máximo se desarrolla cuando: 

Ҩ = ҨMT   

En este escenario, la corriente de operación está en fase con la línea de Torque Máximo. Y el Torque Máximo viene dado:

Finalmente, el Torque es cero a lo largo de la línea perpendicular a la línea de torque máximo:

3. CONEXIÓN A 90º DE RELES DIRECCIONALES (67P)

Tradicionalmente, el elemento de polarización basado en tensiones de línea a línea  (Vab, Vbc, Vca) es el esquema más utilizado en los relés direccionales para determinar la dirección de una falla. Existen varias opciones para un adecuado esquema de conexión de entradas corriente de operación y de voltaje de polarización desde el circuito primario hasta los canales de entrada del relé direccional de sobre-corriente. Los diferentes esquemas de conexión son dependientes del ángulo de fase entre las corrientes de operación y del voltaje de polarización con referencia a un factor de potencia unitario en la corriente de carga.

Para seleccionar el esquema de conexión de corrientes de operación y de voltajes de polarización se debe tener en cuenta lo siguiente:

• La ocurrencia de cortocircuitos en la proximidad del relé de protección provoca que la tensiones de línea afectadas por la falla caen abruptamente a niveles cercanos a cero voltios.

• El ángulo de la característica direccional de cortocircuito depende del tipo de falla (Falla A-G, B-G, C-G, A-B, B-C, C-A, A-B-C, etc.).

• El relé direccional necesita un voltaje de polarización como referencia para determinar correctamente la dirección del cortocircuito.

Dado el diagrama unifilar del sistema de potencia de la Figura 6, y para una rotación de fases A-B-C, podemos derivar la conexión de la tensión de polarización más utilizada en los relés direccionales de sobre-corrientes (67P).

Figura 6 Esquema Típico Diagrama de Conexionado de Relé 67.

La conexión de voltajes de polarización generalmente utilizada en el elemento direccional es la conexión a 90º, también denominada conexión en cuadratura. 

Esta conexión en cuadratura, para una secuencia de rotación de fases A-B-C, sigue la relación mostrada en la Tabla 2 entre la corriente de operación y el voltaje de polarización:

FASE	CORRIENTE DE OPERACIÓN (Iop)	VOLTAJE DE POLARIZACIÓN (Vpol)
A	IA	VBC
B	IB	VCA
C	IC	VAB

Tabla 2 Corrientes de Operación y Tensiones de Polarización

La principal ventaja de la conexión a 90º entre el voltaje de polarización (referencia) y la corriente de operación, con respecto a cualquiera de las fases A-B-C, es que permite una tensión máxima de referencia con respecto a falla(s) de Fase(s) o de Tierra, ya que el relé utiliza la tensión de línea no involucrada en la falla. En el caso de una falla trifásica cercana a la ubicación del relé direccional las tensiones en las fases A-B-C colapsan a valores cercanos a cero Voltios. Bajo el escenario de una falla trifásica los relés digitales utilizan una unidad de memoria para guardar los valores de tensión medidos en el secundario de los VTs.  Cuando ocurre una falla trifásica el algoritmo detecta el colapso de las tensiones habilitando al relé a utilizar los valores de voltajes almacenados en la memoria unos pocos ciclos antes de la falla para operar y hacer el despeje de la falla trifásica. 

Las relaciones de Torque para cada uno de los elementos del relé direccional son como siguen:

• Para la corriente de operación en la fase A (Ia) se utiliza como voltaje de polarización la tensión entre las líneas B-C (Vbc). Así que el Torque en la fase A es:

• Para la corriente de operación de la fase B (Ib) se utiliza como voltaje de polarización la tensión entre las líneas C-A (Vca). Así que el Torque en la fase B es:

• Para la corriente de operación de la fase C (Ic) se utiliza como voltaje de polarización la tensión entre las líneas A-B (Vab). Así que el Torque en la fase C es:

En la Figura 7 siguiente podemos observar el esquema de conexión de 90º:

Figura 7 Esquema de Conexión de 90º

Nótese que en el esquema de conexión de la Figura 7 las marcas de polaridades de los CTs están efectuadas para garantizar la operación de los relés de las fases A, B y C para corrientes fluyendo en la dirección “hacia delante”, saliendo desde el Bus hacia la línea o alimentador (feeder); entonces, las corrientes secundarias de los CTs fluyen saliendo desde las marcas de polaridades secundarias hacia cada entrada de corriente de operación de cada elemento de protección de relé direccional (67A/67B/67C). Al mismo tiempo, las marcas de polaridad de los secundarios de los VTs están conectadas de forma que las entradas de voltaje de polarización coincidan con las polaridades de cada elemento de protección (67A/67B/67C).

Como nota importante es de resaltar que el lado secundario de los CTs y de los VTs , conectados a las respectivas entradas de la unidad 67P, están puestas a tierra en el mismo punto, en el panel o gabinete de protecciones.

En el caso de que los mencionados lados secundarios (CTs y s VTs) sean puestos a tierra, en dos puntos distantes, tanto en el panel de protecciones así como en el patio de la subestación,  esto causaría una corriente circulante entre ambos puntos de tierra originándose el riesgo de una incorrecta operación del relé 67P.

En la Figura 8 se puede verificar que el desfase entre el voltaje de polarización (Vbc) del relé direccional y la corriente de operación en la fase “A”, para una corriente de carga normal a factor de potencia unitario, es de 90º de allí proviene el conocido nombre de conexión en cuadratura (90º).

Figura 8 Diagrama Fasorial – Conexión a 90º (Cuadratura).

El ángulo de máximo Torque ҨMT es conocido también como Angulo Característico Del Relé (Relay Characteristic Angle–RCA). Valores típicos de RCA son: 30º y 45º, el efecto de la aplicación del ángulo RCA en la operación del relé direccional es la de rotar en 30º o 45º, en sentido anti-horario, cada voltaje de polarización en cuadratura, definiéndose de esta forma la línea de referencia del Torque Máximo del relé direccional (67P) con respecto a cada una de las fases.

El Angulo Característico Del Relé 67P (Relay Characteristic Angle–RCA) debe ser seleccionado tomando en cuenta el ángulo de la impedancia de cortocircuito según la relación X/R de la línea o elemento protegido.

Ejemplo de Aplicación:

Para el sistema indicado en la Figura 9 representar el diagrama fasorial referido a una falla en la Fase “A”, considerando que el relé direccional de sobre-corriente está configurado para operar para fallas en la dirección “Forward”, y que su ángulo RCA es igual a 45º.

Figura 9 Ejemplo de Aplicación

Solución:

Las tensiones en cuadratura deberán ser rotadas, en sentido anti-horario, en un ángulo igual a 45º. Así que como resultado, las líneas de máximo torque están ahora definidas por la posición de cada tensión de polarización rotada. Los resultados de la rotación de las tensiones de polarización se muestran en la siguiente tabla 3.

En la Figura 10 se representan las líneas de Torque Máximo de los elementos direccionales del relé para cada una de las Fases A-B-C, de acuerdo con los valores de la Tabla 3.

Figura 10 Diagrama Fasorial de las Líneas de Torque Máximo de las Fases A-B-C

En la Figura 11, a continuación, se representa el diagrama fasorial simplificado del Relé Direccional del ejemplo 1 tomando como referencia la fase “A”. 

Figura 11 Representación Fasorial – Conexión 90º de Relé con RCA igual a 45º (Falla A-G)

El ángulo de operación del relé está delimitado por:

(-90º - ҨMT) <  (Ҩ - ҨMT) < (90º - ҨMT)

(-90º - 45º) <  (Ҩ - ҨMT) < (90º - 45º)

(-135º) <  (Ҩ - ҨMT) < (45º)

El elemento direccional de la fase “A” (32-A) habilita a la función de protección de sobre-corriente (51A-TOC) para operar en la dirección FORWARD cuando el valor de la corriente de operación (Ia), medida por el relé, sea igual o superior a la corriente de arranque ( Ipickup = 7.5 A) siguiendo la característica tiempo vs corriente de la curva IEC Very Inverse (Ipickup = 7.5 A-Trip, TD = 1.2) en el rango de:

7.5 A ≤ Ipickup-51-A-TOC < 15 A (en el lado secundario).

Mientras que para fallas mayores o iguales a 600 A en el lado primario (15 A en el lado secundario) la función de protección instantánea (50-A-IOC ≥ 15 A) despejará la falla en 100 milisegundos. A continuación en la Figura 12 se muestra la gráfica TCC del ejemplo 1.

Figura 12 TCC del Ejemplo 1

4. CONCLUSIONES.

• Los esquemas con relés direccionales de sobre-corrientes garantizan una protección contra fallas en forma segura, rápida y selectiva en los sistemas de potencia configurados en anillo, en sistemas interconectados con diferentes fuentes de generación, y aún en los sistemas radiales con líneas en paralelo. 

• Un relé direccional (67) posee un elemento direccional (32), el cual es el encargado de determinar el sentido de la corriente de operación y habilita la operación del relé en la dirección “hacia delante” o Forward,  y un elemento de protección de sobre-corriente no-direccional (50/51).

• El elemento direccional (32) requiere un voltaje o corriente de referencia o polarización para determinar la dirección de la corriente de operación. En los relés direccionales de fases (67P) se utiliza el voltaje como señal de polarización, mientras que en los relés direccionales de fallas a Tierra se utilizan en la práctica, tanto la corriente o la tension como  señal de polarización .

• El Torque de operación, de cada fase, de los relés direccionales es proporcional al producto de la corriente de operación por la señal de polarización y el coseno de la diferencia angular entre la corriente de operación y la señal de polarización. El relé opera cuando el Torque es positivo y por encima de un valor umbral, definido por la corriente de arranque (Ipickup).

• El relé 67P alcanza el Máximo Torque cuando la diferencia angular entre la corriente de operación y la señal de polarización es igual a 0º. 

• La conexión de voltajes de polarización generalmente utilizada en el elemento direccional es la conexión a 90º, también denominada conexión en cuadratura.

• La principal ventaja de la conexión a 90º entre el voltaje de polarización (referencia) y la corriente de operación, con respecto a cualquiera de las fases A-B-C, es que permite una tensión máxima de referencia con respecto a falla(s) de Fase(s) o de Tierra, ya que el relé utiliza la tensión de línea no involucrada en la falla. 

• El ángulo de máximo Torque ҨMT es conocido también como Angulo Característico Del Relé (Relay Characteristic Angle–RCA). Valores típicos de RCA son: 30º y 45º, el efecto de la aplicación del ángulo RCA en la operación del relé direccional es la de rotar en 30º o 45º, en sentido anti-horario, cada voltaje de polarización en cuadratura, definiéndose de esta forma la línea de referencia del Torque Máximo del relé direccional (67P) con respecto a cada una de las fases.

• El Angulo Característico Del Relé (Relay Characteristic Angle–RCA) debe ser seleccionado tomando en cuenta el ángulo de la impedancia de cortocircuito según la relación X/R de la línea o elemento protegido.

REFERENCIAS

1.       FUNDAMENTALS OF POWER SYSTEM PROTECTION – SECOND EDITION, Y.G. PAITHANKAR, S.R. BHIDE
2.       PROTECTIVE RELAYING PRINCIPLES AND APPLICATIONS - THIRD EDITION. J. LEWIS BLACKBURN, THOMAS J. DOMIN.
3.       PROTECTIVE RELAYING THEORY AND APPLICATIONS – SECOND EDITION. WALTER A. ELMORE