Fundamentos de protecciones eléctricas en subestaciones

Objetivo: entender cómo está armado un sistema de protección, qué significa que sea confiable y qué funciones se usan en una subestación o en una planta industrial.

Un sistema de protección detecta fallas y condiciones anormales y desconecta solo la parte afectada, lo más rápido posible. Actúa ante cortocircuitos entre fases o a tierra, ante sobrecargas (que se toleran un tiempo) y ante condiciones anormales como sobretensión, subtensión, frecuencia fuera de rango, desbalance, pérdida de excitación o potencia inversa. Su trabajo no es evitar la falla, sino limitar el daño y mantener en servicio todo lo demás.

Componentes del sistema de protección

Un relé solo no protege nada. La protección es una cadena, y basta que falle un eslabón para que falle toda:

1. Transformadores de corriente y de tensión: el transformador de corriente (CT) y el transformador de tensión (PT) llevan las magnitudes del primario a valores que el relé puede medir. Un CT saturado o una polaridad invertida engañan al mejor relé.
2. Relé de protección: mide, compara con sus ajustes y decide si dispara. Hoy es un dispositivo electrónico inteligente (IED) que además registra eventos y oscilografía y se comunica con el sistema de control.
3. Interruptor de potencia: interrumpe la corriente al recibir la orden. No detecta fallas, salvo los de baja tensión con unidad de disparo incorporada.
4. Fuente de corriente continua: baterías y cargadores que alimentan relés y bobinas aunque falte la alterna. Vea el sistema de corriente continua de subestación.
5. Cableado, circuitos de disparo y comunicaciones: incluyen la teleprotección hacia el otro extremo de una línea y, en subestaciones digitales, los mensajes GOOSE.

En media y baja tensión, el fusible combina en un solo elemento la detección y la interrupción.

Propiedades de una buena protección

• Confiabilidad: dispara cuando debe y solo cuando debe. Se explica en detalle abajo.
• Selectividad: desconecta solo la parte fallada y deja el resto en servicio.
• Rapidez: despeja la falla antes de que dañe los equipos o comprometa la estabilidad del sistema.
• Sensibilidad: detecta la falla mínima dentro de su zona, por ejemplo una falla a tierra de alta impedancia.
• Simplicidad y economía: la solución más sencilla que cumpla lo anterior, porque cada lógica adicional es algo más que puede fallar o ajustarse mal.

Confiabilidad: obediencia y seguridad

El vocabulario electrotécnico internacional (IEC 60050-448, protección de sistemas de potencia) define la confiabilidad de una protección como su capacidad de operar cuando se requiere y de no operar cuando no se requiere. En la práctica, tanto en la literatura IEC como en la IEEE, se separa en dos partes:

• Obediencia o fiabilidad (dependability): la protección opera ante toda falla dentro de su zona.
• Seguridad (security): la protección no opera sin falla ni ante fallas de otra zona.

Las dos tiran en sentidos opuestos. Dos protecciones en paralelo, donde cualquiera puede disparar, mejoran la obediencia pero suman las posibilidades de un disparo indebido. Exigir que dos de tres relés coincidan (votación 2 de 3) mejora la seguridad a costa de algo de obediencia. Cada empresa encuentra su equilibrio según lo que le cuesta cada error: en transmisión, donde una falla sin despejar puede llevar a un colapso, se suele privilegiar la obediencia con dos protecciones principales.

No confunda la confiabilidad de la protección con la confiabilidad del servicio (indicadores como SAIDI y SAIFI), que mide el sistema completo.

Qué mejora la obediencia

• Redundancia: principal 1 y principal 2, idealmente con principios distintos (por ejemplo, diferencial de línea y distancia) y con núcleos de CT, circuitos de corriente continua y bobinas de disparo separados.
• Falla de interruptor (50BF): si el interruptor no abre, la protección 50BF dispara los interruptores vecinos y envía disparo transferido al extremo remoto.
• Respaldo remoto: zonas 2 y 3 de distancia y sobrecorriente aguas arriba.
• Supervisión: autodiagnóstico del relé, supervisión del circuito de disparo, de la tensión auxiliar y de los circuitos de PT.
• Canales de teleprotección redundantes.

Qué mejora la seguridad

• Ajustes basados en estudios completos: carga máxima, energización, oscilaciones de potencia. Vea los criterios de ajuste.
• Frenado por porcentaje y por armónicos en las diferenciales, para no disparar por saturación de CT o por corriente de energización.
• Bloqueo de las funciones que dependen de tensión cuando se pierde la señal del PT.
• Lógicas de supervisión en los esquemas de disparo transferido.
• En mantenimiento, pruebas con los disparos aislados mediante bloques de prueba y registro de todo lo que se abre y se cierra.

Disponibilidad

Una protección fuera de servicio no es confiable. La disponibilidad se mantiene con pruebas periódicas de funciones, entradas, salidas y circuitos de disparo; con el análisis de cada evento real; con una sola versión vigente de ajustes, comparada con la que está cargada en el relé; y con el mantenimiento de CT, PT, baterías, cableado e interruptores. Los relés numéricos no requieren calibración como los electromecánicos, pero sí pruebas funcionales.

Funciones más usadas (ANSI / IEEE C37.2)

Qué combinación lleva cada elemento (líneas, transformadores, barras, alimentadores, generadores y motores) y cómo cambia con el nivel de tensión se explica en los esquemas de protección de subestaciones. Contra sobretensiones atmosféricas o de maniobra se usan descargadores de sobretensiones, que limitan la tensión; no son relés.

Principal, respaldo y coordinación

Cada equipo tiene una protección principal, rápida y selectiva, y un respaldo local o remoto que actúa si la principal o su interruptor fallan; vea protecciones principales y de respaldo. Coordinar es ajustar para que actúe primero la protección más cercana a la falla y el respaldo espere un margen. Esos ajustes salen de los estudios de flujo de carga y de cortocircuito.

Errores comunes

• Creer que el interruptor de alta tensión «detecta» la falla: lo hace el relé.
• Confundir la diferencial con una protección de desbalance: la diferencial compara lo que entra y lo que sale de una zona.
• Medir la confiabilidad por la ausencia de disparos.
• Dos principales que comparten núcleo de CT, alimentación de continua o bobina de disparo.
• Probar el relé y olvidar los CT, la batería y los circuitos de disparo.
• No revisar los ajustes cuando cambia la red ni analizar los registros tras cada disparo; vea análisis de fallas eléctricas.

Cómo le ayudamos

En Tiza Group configuramos y revisamos relés de forma remota en Colombia y Latinoamérica, y nuestro equipo hace pruebas de protecciones en subestaciones e industria de media, alta y extra alta tensión. Si quiere confirmar que sus protecciones obedecen y son seguras, conozca la configuración remota de relés o las pruebas de inyección secundaria, o escríbanos.

Guías relacionadas

• Relés de protección
• Protecciones principales y de respaldo
• Criterios de ajuste y coordinación
• Esquemas de protección de subestaciones
• Protección de falla de interruptor 50BF
• Supervisión del circuito de disparo

Referencias

• IEC 60050-448, Vocabulario electrotécnico internacional: protección de sistemas de potencia.
• IEEE C37.2, números de función de dispositivos eléctricos.
• J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

Preguntas frecuentes