Relé diferencial

Los relés utilizados en la protección de sistemas de potencia son de diferentes tipos. Entre ellos, el relé diferencial es muy comúnmente utilizado para proteger transformadores y generadores de fallos localizados.
Los relés diferenciales son muy sensibles a los fallos que ocurren dentro de la zona de protección, pero son menos sensibles a los fallos que ocurren fuera de la zona protegida. La mayoría de los relés se activan cuando alguna cantidad excede un valor predeterminado, por ejemplo, el relé de sobrecorriente se activa cuando la corriente a través de él excede un valor predeterminado. Pero el principio del relé diferencial es algo diferente. Se activa dependiendo de la diferencia entre dos o más cantidades eléctricas similares.

Definición de Relé Diferencial

El relé diferencial es aquel que se activa cuando hay una diferencia entre dos o más cantidades eléctricas similares que excede un valor predeterminado. En el esquema de circuito del relé diferencial, hay dos corrientes que provienen de dos partes de un circuito de potencia eléctrica. Estas dos corrientes se encuentran en un punto de unión donde está conectada una bobina de relé. Según la Ley de Corrientes de Kirchhoff, la corriente resultante que fluye a través de la bobina del relé no es más que la suma de las dos corrientes que provienen de dos partes diferentes del circuito de potencia eléctrica. Si la polaridad y la amplitud de ambas corrientes están ajustadas de tal manera que la suma fasorial de estas dos corrientes sea cero en condiciones normales de operación, no habrá corriente fluyendo a través de la bobina del relé en condiciones normales de operación. Pero debido a cualquier anomalía en el circuito de potencia, si este equilibrio se rompe, es decir, si la suma fasorial de estas dos corrientes ya no es cero, habrá una corriente no nula fluyendo a través de la bobina del relé, lo que hará que el relé se active.

En el esquema de diferencial de corriente, hay dos conjuntos de transformadores de corriente, cada uno conectado a ambos lados del equipo protegido por un relé diferencial. Las razones de los transformadores de corriente se eligen de tal manera que las corrientes secundarias de ambos transformadores de corriente coincidan en magnitud.
Las polaridades de los transformadores de corriente son tales que la corriente secundaria de estos CT se oponen entre sí. A partir del circuito, queda claro que solo si se crea alguna diferencia no nula entre estas dos corrientes secundarias, entonces solo esta corriente diferencial fluirá a través de la bobina de operación del relé. Si esta diferencia es mayor que el valor pico del relé, se activará para abrir los interruptores de circuito para aislar el equipo protegido del sistema. El elemento de relé utilizado en el relé diferencial es un relé instantáneo de armadura atraída, ya que el esquema diferencial solo se adapta para limpiar el fallo dentro del equipo protegido, en otras palabras, el relé diferencial debe limpiar solo el fallo interno del equipo, por lo que el equipo protegido debe ser aislado tan pronto como ocurra cualquier fallo dentro del equipo mismo. No es necesario ningún retraso para la coordinación con otros relés en el sistema.

Tipos de Relé Diferencial

Existen principalmente dos tipos de relé diferencial dependiendo del principio de operación.

1. Relé Diferencial de Balance de Corriente

2. Relé Diferencial de Balance de Voltaje

En el relé diferencial de corriente, se instalan dos transformadores de corriente en cada lado del equipo a proteger. Los circuitos secundarios de los TC están conectados en serie de tal manera que llevan la corriente secundaria de los TC en la misma dirección.

La bobina de operación del elemento de relé está conectada a través del circuito secundario de los TC. Bajo condiciones normales de operación, el equipo protegido (ya sea un transformador de potencia o un alternador) lleva una corriente normal. En esta situación, digamos que la corriente secundaria de CT1 es I1 y la corriente secundaria de CT2 es I2. También es claro a partir del circuito que la corriente que pasa a través de la bobina del relé no es más que I1-I2. Como dijimos antes, la razón y la polaridad de los transformadores de corriente se eligen de tal manera que I1 = I2, por lo que no habrá corriente fluyendo a través de la bobina del relé. Ahora, si ocurre algún fallo externo a la zona cubierta por los TC, la corriente de fallo pasa a través del primario de ambos transformadores de corriente, y por lo tanto, las corrientes secundarias de ambos transformadores de corriente permanecen iguales como en el caso de las condiciones normales de operación. Por lo tanto, en esa situación, el relé no se activará. Pero si ocurre algún fallo a tierra dentro del equipo protegido, como se muestra, las dos corrientes secundarias ya no serán iguales. En ese caso, el relé diferencial se activará para aislar el equipo defectuoso (transformador o alternador) del sistema.
Principiamente, este tipo de sistemas de relés sufre de algunas desventajas

1. Puede haber una probabilidad de desajuste en la impedancia del cable desde el secundario del TC hasta el panel de relés remoto.

2. La capacitancia de estos cables piloto causa una operación incorrecta del relé cuando ocurre un fallo grande externo al equipo.

3. No se puede lograr una coincidencia precisa de las características de los transformadores de corriente, por lo que puede haber una corriente de fuga fluyendo a través del relé en condiciones normales de operación.

Relé Diferencial Porcentual

Este está diseñado para responder a la corriente diferencial en términos de su relación fraccional con la corriente que fluye a través de la sección protegida. En este tipo de relé, hay bobinas de restricción además de la bobina de operación del relé. Las bobinas de restricción producen un par motor opuesto al par motor de operación. Bajo condiciones normales y de fallo de paso, el par motor de restricción es mayor que el par motor de operación. Por lo tanto, el relé permanece inactivo. Cuando ocurre un fallo interno, la fuerza de operación supera la fuerza de compensación y, por lo tanto, el relé se activa. Esta fuerza de compensación se puede ajustar variando el número de vueltas en las bobinas de restricción. Como se muestra en la figura a continuación, si I1 es la corriente secundaria de CT1 y I2 es la corriente secundaria de CT2, entonces la corriente a través de la bobina de operación es I1 – I2 y la corriente a través de la bobina de restricción es (I1 + I2)/2. En condiciones normales y de fallo de paso, el par motor producido por las bobinas de restricción debido a la corriente (I1+ I2)/2 es mayor que el par motor producido por la bobina de operación debido a la corriente I1– I2, pero en condiciones de fallo interno, estos se vuelven opuestos. Y la configuración de compensación se define como la relación de (I1– I2) a (I1+ I2)/2.

Es claro a partir de la explicación anterior, que cuanto mayor sea la corriente que fluye a través de las bobinas de restricción, mayor será el valor de la corriente requerida para que la bobina de operación se active. El relé se llama relé porcentual porque la corriente de operación requerida para el disparo se puede expresar como un porcentaje de la corriente de paso.

Razón y Conexión de TC para Relé Diferencial

Esta regla simple es que los transformadores de corriente en cualquier bobinado estrella deben estar conectados en delta y los transformadores de corriente en cualquier bobinado delta deben estar conectados en estrella. Esto se hace para eliminar la corriente de secuencia cero en el circuito del relé.
Si los TC están conectados en estrella, la razón de los TC será In/1 o 5 A
Para conectar los TC en delta, la razón de los TC será In/0.5775 o 5×0.5775 A

Relé Diferencial de Balance de Voltaje

En este arreglo, los transformadores de corriente están conectados a ambos lados del equipo de tal manera que la FEM inducida en el secundario de ambos transformadores de corriente se opondrá entre sí. Esto significa que el secundario de los transformadores de corriente de ambos lados del equipo están conectados en serie con polaridad opuesta. La bobina del relé diferencial se inserta en algún lugar del bucle creado por la conexión en serie del secundario de los transformadores de corriente, como se muestra en la figura. En condiciones normales de operación y también en condiciones de fallo de paso, las FEM inducidas en ambos secundarios de los TC son iguales y opuestas entre sí, y por lo tanto, no habrá corriente fluyendo a través de la bobina del relé. Pero tan pronto como ocurra cualquier fallo interno en el equipo bajo protección, estas FEM ya no estarán equilibradas, por lo que comenzará a fluir corriente a través de la bobina del relé, lo que provocará el disparo del interruptor de circuito.

Hay algunas desventajas en el relé diferencial de balance de voltaje, como la necesidad de una construcción de transformador multitap para un equilibrio preciso entre pares de transformadores de corriente. El sistema es adecuado para la protección de cables de longitud relativamente corta, de lo contrario, la capacitancia de los cables piloto perturba el rendimiento. En cables largos, la corriente de carga será suficiente para activar el relé incluso si se logra un equilibrio perfecto de los transformadores de corriente.
Estas desventajas se pueden eliminar del sistema introduciendo el esquema Translay, que no es más que un relé diferencial de balance de voltaje modificado. El esquema Translay se aplica principalmente para la protección diferencial de alimentadores.

Aquí, se han conectado dos conjuntos de transformadores de corriente en cada extremo del alimentador. El secundario de cada transformador de corriente está equipado con un relé de doble bobinado de tipo inducción individual. El secundario de cada transformador de corriente alimenta el circuito primario del relé de doble bobinado de tipo inducción. El circuito secundario de cada relé está conectado en serie para formar un bucle cerrado mediante cables piloto. La conexión debe ser tal que, la tensión inducida en la bobina secundaria de un relé se oponga a la del otro. El dispositivo de compensación neutraliza el efecto de las corrientes de capacitancia de los cables piloto y el efecto de la falta inherente de equilibrio entre los dos transformadores de corriente.

Bajo condiciones normales y de fallo de paso, la corriente en ambos extremos del alimentador es la misma, por lo que la corriente inducida en el secundario de los TC también será igual. Debido a estas corrientes iguales en el secundario de los TC, el primario de cada relé induce la misma FEM. En consecuencia, la FEM inducida en los secundarios de los relés también es la misma, pero las bobinas están conectadas de tal manera que estas FEM están en direcciones opuestas. Como resultado, no fluirá corriente a través del bucle piloto y, por lo tanto, no se producirá torque de operación en ninguno de los relés.

Pero si ocurre algún fallo en el alimentador dentro de la zona entre los transformadores de corriente, la corriente que sale del alimentador será diferente de la corriente que entra en el alimentador. En consecuencia, no habrá igualdad entre las corrientes en ambos secundarios de los TC. Estas corrientes secundarias de TC desiguales producirán un voltaje inducido secundario desequilibrado en ambos relés. Por lo tanto, comenzará a circular corriente en el bucle piloto y, por lo tanto, se producirá torque en ambos relés.

Dado que la dirección de la corriente secundaria es opuesta en los relés, el torque en un relé tenderá a cerrar los contactos de disparo y, al mismo tiempo, el torque producido en el otro relé tenderá a mantener el movimiento de los contactos de disparo en posición normal no operada. El torque de operación depende de la posición y naturaleza de los fallos en la zona protegida del alimentador. La parte defectuosa del alimentador se separa de la parte sana cuando al menos un elemento de cualquiera de los relés se activa.