Relé de Distancia de Tipo Impedancia
Definición y Principio del Relé de Impedancia (Relé de Distancia)
Un relé de impedancia, también conocido como relé de distancia, es un dispositivo de protección controlado por voltaje cuya operación depende de la distancia eléctrica (impedancia) entre el punto de falla y la posición de instalación del relé. Funciona midiendo la impedancia de la sección defectuosa y comparándola con un umbral preestablecido.
Mecanismo de Funcionamiento
Principio Operativo
En operación normal, la relación voltaje-corriente (impedancia) permanece por encima del umbral del relé. Durante una falla (por ejemplo, F1 en la línea AB), la impedancia cae por debajo de la configuración. Por ejemplo, si el relé está instalado para proteger la línea AB con una impedancia normal Z, una falla reduce la impedancia, lo que hace que el relé active el interruptor. Si la falla se encuentra fuera de la zona protegida (por ejemplo, más allá de AB), la impedancia permanece alta y el relé no se activa.
Características de Operación
El relé consta de dos componentes clave:
-K3 representa el efecto de resorte del relé. En operación normal, el par neto = 0 con los valores de V e I.
Si el efecto de control del resorte se ignora, la ecuación se convierte en
La figura muestra las características de operación con voltaje y corriente; la línea punteada denota impedancia de línea constante.
La figura siguiente ilustra la característica de operación del relé de impedancia. La región por encima de la línea característica representa par positivo, donde la impedancia de la línea supera la de la sección defectuosa, activando la operación del relé. Por el contrario, la región de par negativo (debajo de la línea) indica que la impedancia de la falla supera la de la línea, manteniendo el relé inactivo. Esta distinción permite una detección precisa de fallas mediante la comparación de la impedancia medida contra el umbral preestablecido, asegurando una protección confiable en sistemas de energía.
El radio del círculo representa la impedancia de la línea; el ángulo de fase X-R indica la posición vectorial. Impedancia < radio = par positivo (el relé opera); impedancia > radio = par negativo (el relé está inactivo). Esta distinción visual asegura una detección rápida de fallas en sistemas de energía.
Este relé se clasifica como un relé de alta velocidad.
Relé de Inducción Electromagnética
El par en este relé surge de las interacciones electromagnéticas entre el voltaje y la corriente, que se comparan para la operación. En su circuito, el Solenoide B—alimentado por un transformador de potencial (PT)—genera un par de torsión en sentido horario, tirando del émbolo P2 hacia abajo. Un resorte en P2 aplica una fuerza de restricción, creando un par mecánico en sentido horario.
El Solenoide A, excitado por un transformador de corriente (CT), produce un par de torsión de desviación (pick-up) en sentido horario que mueve el émbolo P1 hacia abajo. En condiciones normales, los contactos del relé permanecen abiertos. Durante una falla en la zona protegida, el aumento de la corriente del sistema incrementa el par del Solenoide A mientras reduce el par de restauración del Solenoide B. Este desequilibrio rota los brazos de equilibrio del relé, cerrando los contactos para iniciar la protección. El diseño asegura una respuesta rápida a las fallas mediante la comparación del par entre las fuerzas electromagnéticas y mecánicas.
La fuerza ejercida por el solenoide A (el elemento de corriente) es proporcional a , mientras que la del solenoide B (el elemento de voltaje) es proporcional a . Como resultado, el relé se activará cuando la fuerza derivada de la corriente supere la fuerza derivada del voltaje.
Las constantes k1 y k2 dependen de los amperios-vuelta de los dos soles y las razones de los transformadores instrumentales. Las configuraciones del relé pueden ajustarse mediante tomas en las bobinas.
En la curva característica, el eje y denota el tiempo de operación del relé, mientras que el eje x representa la impedancia. Notablemente, el tiempo de operación del relé permanece constante (indicando acción instantánea) para impedancias dentro de la zona de protección preestablecida. En la distancia predeterminada (correspondiente a la impedancia configurada), los valores de voltaje y corriente se estabilizan; más allá de este punto, la impedancia medida teóricamente se vuelve infinita, lo que significa que el relé permanece inactivo para fallas fuera de su alcance protector. Esta relación lineal entre la impedancia y el tiempo de operación asegura una detección confiable y rápida de fallas dentro de la zona definida.
Relé de Impedancia de Inducción
El diagrama de circuito de un relé de impedancia de inducción se ilustra a continuación. Este relé incorpora tanto elementos de corriente como de voltaje, presentando un disco de aluminio que gira entre electroimanes.
El electroimán superior contiene dos bobinados distintos: el bobinado primario está conectado al devanado secundario de un transformador de corriente (CT), mientras que el bobinado secundario está vinculado a un transformador de potencial (PT). La configuración de corriente del bobinado primario puede ajustarse mediante un puente de tomas posicionado bajo el relé, permitiendo una calibración precisa de la sensibilidad del relé. El elemento de voltaje, energizado por el PT, genera un campo magnético que interactúa con el campo derivado de la corriente del CT.
Esta interacción induce corrientes de Foucault en el disco de aluminio, produciendo un par que impulsa su rotación. En condiciones de operación normal, el disco permanece estacionario debido a los pares equilibrados; durante una falla, el aumento de la corriente desequilibra los pares, causando que el disco gire y active los contactos del relé. Este diseño asegura una detección confiable de fallas basada en la impedancia en sistemas de energía.
Los electroimanes en el relé están conectados en serie, con sus flujos inducidos generando un par de rotación que impulsa el disco de aluminio. Un imán permanente proporciona tanto el par de control como el de frenado para estabilizar el movimiento del disco.
En operación normal, la fuerza sobre el armadura supera el par del elemento de inducción, manteniendo los contactos de disparo abiertos. Cuando ocurre una falla en el sistema, la corriente a través de los electroimanes aumenta, haciendo que el disco de aluminio gire. La velocidad de rotación del disco es directamente proporcional a la corriente de falla, enrollando un resorte a medida que gira. Este movimiento rotacional gradualmente supera el par de frenado del imán permanente.
Una vez que la rotación del disco alcanza un umbral crítico (correspondiente a la impedancia configurada), los contactos de disparo se cierran, iniciando la respuesta protectora. Este diseño asegura que el relé reaccione rápidamente a las fallas mientras mantiene la estabilidad durante la operación normal, con el imán permanente proporcionando un control esencial sobre la aceleración y el frenado del disco para evitar falsos disparos.
El ángulo de rotación del disco del relé depende de la fuerza del armadura, que es directamente proporcional al voltaje aplicado. Por lo tanto, el voltaje dicta el ángulo de rotación.
Característica de Tiempo del Relé de Impedancia de Alta Velocidad
La figura muestra que el relé permanece inactivo para valores que exceden el 100% del umbral de pick-up. La Curva 1 representa la característica operativa real, mientras que la Curva 2 ofrece un modelo simplificado de la Curva 1. Este diseño asegura una respuesta rápida a las fallas dentro del rango preestablecido mientras mantiene la estabilidad en condiciones normales. La operación de alta velocidad del relé es crítica para minimizar daños en sistemas de energía, con la curva simplificada facilitando una implementación y análisis más sencillos en la configuración de relés protectores.
Desventajas del Relé de Impedancia Simple
A continuación, se enumeran las principales desventajas de los relés de impedancia:
