1. Protección Diferencial 87 en Subestaciones: Evolución, Funcionamiento y Aplicaciones.
1.1.Introducción
Las faltas entre fases en el sistema de generación son de carácter grave, ya que pueden provocar daños serios en el aislamiento y arrollamientos de los equipos. Por ello, se necesita un sistema de protección que sea muy rápido y selectivo, ya que las intensidades de falta son muy elevadas debido a que no hay impedancias adicionales que las limiten.
Por ello, la protección diferencial es fundamental en subestaciones eléctricas, donde su función principal es detectar fallos a tierra en una zona específica delimitada por transformadores de corriente.
1.2. Principios de Funcionamiento
La protección diferencial detecta fallos a tierra en una zona específica a proteger, delimitada por transformadores de corriente (TCs). Se basa en la Primera Ley de Kirchhoff, que establece que la suma fasorial de todas las intensidades que llegan a un nodo es cero. Sin embargo, en la práctica, siempre hay ciertos desajustes que la protección debe contemplar. Un ejemplo típico de esta protección es en transformadores de potencia.
En un transformador de potencia, la protección diferencial compara las corrientes de entrada y salida. En condiciones normales, estas corrientes deben ser equivalentes cuando se ajustan por la relación de transformación. Al haber una transformación de tensiones, habrá una transformación de intensidades. Esta transformación la tiene en cuenta los relés y pueden comparar dichas intensidades.
El relé de protección diferencial 87 comparará estas corrientes medidas de forma analógica y, si hay una diferencia significativa, determina que hay una falla interna y actúa para aislar el equipo afectado.
Actualmente, la protección diferencial la llevan a cabo los relés digitales multifunción, pero el funcionamiento se basa en el de los relés analógicos, en los cuales tenemos las siguientes situaciones.
1.3. Funcionamiento en Situaciones de Fallo
Sin Fallos:
Cuando la instalación funciona correctamente, sin derivaciones a tierra, la corriente de desequilibrio (Id) es cero y el relé no actúa.
Fallos Internos:
Si hay una derivación a tierra dentro de la zona protegida, la corriente de entrada no será igual a la de salida, resultando en una Id ≠ 0 que provoca la actuación del relé.
En esta casuística puede darse que:
Si la subestación solo recibe energía del lado de AT, la intensidad en el TC de MT será cero (I2 e I2’ son cero) mientras que en el de AT (I1) será muy elevada, por lo que la Id será igual a I1’.
Si la subestación recibe energía en ambos lados (por ejemplo, en una subestación elevadora de una central de generación), la zona de protección absorberá corriente de cortocircuito por ambos lados. Aquí, la corriente de desequilibrio será I1’ + I2’, también denominada Intensidad de paso o antagonista (Ia).
Aunque los relés sean actualmente digitales, obtienen estos valores para trabajar con ellos, por lo que es fundamental comprender la protección diferencial de tipo analógico.
Fallos Externos:
Para fallos fuera de la zona de protección, la corriente de entrada sigue siendo igual a la de salida, aunque mayor que la nominal. Esto puede ocasionar que los TC se saturaren y trabajen fuera de su rango de precisión, causando un desbalance falso. Para evitar disparos por estos motivos, se establece una sensibilidad en la protección diferencial, comúnmente de 1 A, aunque este valor puede aumentar en líneas con energía capacitiva a tierra. Si la intensidad de desequilibrio (Id) es menor a este valor, no disparará.
Además de esta intensidad de sensibilidad, la protección diferencial también cuenta con los siguientes mecanismos de seguridad adicionales.
1.4. Mecanismos de Seguridad Adicionales
Frenado por Corriente Circulante:
Para que el relé sea seguro, la función 87 dispone del frenado por corriente circulante. Ante un corto en la zona a proteger, la Id será:
Id = I1' + I2' = Ia
Donde la intensidad antagonista es igual teóricamente a la de desequilibrio.
Sin embargo, cuando la falta es fuera de la zona: I1′ = I2′ Entonces:
Id = I1' - I2' = 0
Ia = I1' + I2'
La intensidad antagonista es igual al doble de la intensidad secundaria de uno de los TCs, mientras que la de desequilibrio es cero.
El frenado por corriente circulante aprovecha este hecho: cuando la Id es menor a un determinado porcentaje de Ia (entre 15 y 50%), no actúa, indicando un cortocircuito fuera de la zona.
Este porcentaje no se mantiene para bajas intensidades, de modo que la intensidad de desbalance debe superar en primera instancia el valor umbral determinado para la sensibilidad mínima.
Análisis de Armónicos:
La protección diferencial puede actuar indeseadamente debido a las corrientes de energización (Inrush) de los transformadores.
Para diferenciar entre corrientes de inrush y fallos reales, se utiliza el análisis de armónicos de segundo y quinto orden. El frenado de 2º y 5º armónico se basa en que la sobreintensidad de magnetización de los transformadores tiene un alto contenido de armónicos de segundo orden. Si se detecta una sobreintensidad con armónicos de segundo orden, se trata de la corriente de inrush. En algunos casos, existen transformadores que trabajan a altas densidades de flujo en el núcleo que pueden presentar componente de 5º armónico.
