Bases de la Protección por Relés: Tipos de Fallos en Líneas de Transmisión y Esquemas de Protección Fundamentales

1. Tipos de Fallos en Líneas Eléctricas

Fallos Fase a Fase:

• Cortocircuito trifásico

• Cortocircuito bifásico

Fallos a Tierra:

• Fallo monofásico a tierra

• Fallo bifásico a tierra

• Fallo trifásico a tierra

2. Definición de Dispositivos de Protección por Relés
Cuando ocurre una anomalía o fallo en un componente del sistema eléctrico, los dispositivos de protección por relés son aquellos que pueden aislar rápidamente y selectivamente el componente con fallo o anomalía del sistema, asegurando la operación normal continua del resto del equipo sano.

Ejemplos incluyen: protección contra sobrecorriente, protección de distancia, protección de secuencia cero y protección de alta frecuencia.

• Protección Principal: Protección que cumple con los requisitos básicos para la estabilidad del sistema y la seguridad del equipo durante un fallo de cortocircuito. Actúa primero para abrir el interruptor y selecciona y elimina los fallos en el equipo protegido o en toda la línea.

• Protección de Respaldo: Protección que elimina el fallo si la protección principal o el interruptor no opera.

• Protección Auxiliar: Protección simple añadida para compensar las limitaciones de la protección principal y de respaldo.

3. Rol de la Protección por Relés en Líneas de Transmisión
Durante la operación, las líneas de transmisión pueden experimentar fallos debido a vientos fuertes, hielo y nieve, rayos, daños externos, falla de aislamiento o flashover por contaminación. En tales casos, el dispositivo de protección por relés puede actuar rápidamente y selectivamente, abriendo el interruptor de la línea (interruptor).

Si el fallo es transitorio, el interruptor se recierra exitosamente después de que desaparece el fallo, restaurando el suministro de energía seguro. Si el fallo es permanente, el recierre falla, y la línea con fallo se aísla rápidamente, asegurando el suministro ininterrumpido de energía a las líneas sanas.

4. Dispositivos de Protección contra Sobrecorriente
Los dispositivos de protección contra sobrecorriente están diseñados basándose en el aumento significativo de corriente durante un fallo en la línea. Cuando la corriente de fallo alcanza la configuración de protección (corriente de arranque), el dispositivo inicia su operación. Una vez que se alcanza la configuración de retardo, el interruptor de la línea se abre.

Tipos comunes incluyen:

• Protección Instantánea contra Sobrecorriente: Simple, confiable y de rápida acción, pero solo protege una parte (típicamente 80–85%) de la misma línea.

• Protección contra Sobrecorriente con Retardo: Opera con un retardo corto, protegiendo la longitud completa de la línea y coordinándose con la protección instantánea de la siguiente línea aguas abajo.

• Protección contra Sobrecorriente: Configurada para evitar la corriente máxima de carga. Protege la longitud completa de la línea y la longitud completa de la siguiente línea, sirviendo como protección de respaldo.

• Protección contra Sobrecorriente Direccional: Añade un elemento de dirección de potencia a la protección contra sobrecorriente. Opera solo cuando la potencia de fallo fluye desde el bus hacia la línea, evitando la operación incorrecta durante fallos en sentido inverso.

5. Dispositivos de Protección de Distancia
La protección de distancia responde a la impedancia (o distancia) entre el punto de fallo y el punto de instalación de la protección. Tiene excelentes características direccionales y se utiliza ampliamente en redes anulares de alta tensión. Comúnmente se emplea la protección de distancia en tres etapas:

• Zona I: Operación instantánea, protegiendo 80%–85% de la longitud de la línea.

• Zona II: Protege la longitud completa de la línea y se extiende a parte de la siguiente línea (típicamente Zona I de la línea adyacente).

• Zona III: Protege la longitud completa de esta línea y la siguiente línea, sirviendo como respaldo para las Zonas I y II.

6. Dispositivos de Protección de Corriente de Secuencia Cero
En sistemas con neutro directamente conectado a tierra (también conocidos como sistemas de alta corriente de fallo a tierra), un fallo monofásico a tierra produce una corriente de secuencia cero significativa. Los dispositivos de protección que utilizan esta corriente se llaman dispositivos de protección de corriente de secuencia cero. Se utiliza comúnmente una configuración en tres etapas:

• Etapa I: Protección instantánea de corriente de secuencia cero, cubriendo 70%–80% de la longitud de la línea.

• Etapa II: Protección de corriente de secuencia cero con retardo, cubriendo la longitud completa de la línea y parte de la siguiente línea.

• Etapa III: Protección de sobrecorriente de secuencia cero, cubriendo la línea completa y sirviendo como respaldo para la siguiente línea.

7. Dispositivos de Protección de Alta Frecuencia
La protección de alta frecuencia convierte el ángulo de fase (o dirección de potencia) de las corrientes en ambos extremos de la línea en señales de alta frecuencia, que se transmiten a través de un canal de alta frecuencia al extremo opuesto. El sistema compara la fase de corriente o la dirección de potencia en ambos extremos.

Esta protección solo responde a fallos dentro del tramo protegido de la línea y no requiere coordinación con las líneas aguas abajo. Opera sin retardo, permitiendo la eliminación rápida de cualquier fallo a lo largo de la línea protegida.

Basada en los principios de operación, la protección de alta frecuencia se clasifica en:

• Tipo de Bloqueo (Comparación Direccional): Compara la dirección de potencia en ambos extremos.

• Tipo de Comparación de Fase: Compara los ángulos de fase de corriente en ambos extremos.

8. Dispositivos de Recierre Automático
Un dispositivo de recierre automático es aquel que recierra automáticamente el interruptor después de que este se ha abierto.

Función:

• Para fallos transitorios, después de que el fallo desaparece, el dispositivo recierra rápidamente el interruptor, restaurando el suministro de energía normal.

• Para fallos permanentes, el recierre falla, el interruptor se abre nuevamente y la línea con fallo se aísla, asegurando el suministro continuo de energía a las líneas sanas.

9. Registrador de Fallos en Líneas
Dispositivo que registra automáticamente las formas de onda de corriente y voltaje antes y durante un fallo en la línea, junto con la hora y el estado de operación del interruptor.

Al analizar las formas de onda registradas, se puede determinar con precisión el tipo de fallo y calcular aproximadamente la ubicación del fallo. Esto proporciona datos críticos para el análisis de fallos, la solución de problemas y la restauración del suministro de energía normal.