Relé de arco eléctrico: protección por detección de luz

Respuesta corta

La protección contra arco eléctrico por detección de luz usa sensores ópticos dentro de las celdas y tableros y, para no disparar en falso, confirma la luz con una sobrecorriente. Cuando ambas condiciones coinciden dispara en pocos milisegundos el interruptor que alimenta el arco. Al acortar la duración del arco reduce la energía incidente y el daño al equipo. En IEC 61850 se asocia al nodo SARC.

Qué protege la protección de arco

Un arco interno en una celda de media tensión o en un tablero de baja tensión libera en milisegundos calor, luz, presión y metal fundido. La energía que recibe una persona frente al equipo y el daño en la celda crecen con la duración del arco, y esa duración la fija el tiempo en que la protección detecta la falla y el interruptor la despeja. Es la base del cálculo de energía incidente de IEEE 1584-2018 que se usa en el estudio de arco eléctrico.

Una sobrecorriente temporizada coordinada con los alimentadores puede tardar cientos de milisegundos o más en despejar un arco en barras. La protección por detección de luz reconoce el arco por su luz, lo confirma con la corriente y da la orden de disparo en pocos milisegundos. A partir de ahí manda el tiempo de apertura del interruptor.

Protege:

A las personas que operan o trabajan frente al equipo, al reducir la energía incidente.
Al equipo, al limitar el daño a un compartimento en lugar de una celda o un tablero completo.
A la continuidad del servicio, porque la reparación es más corta.

En los relés con nomenclatura ANSI la función suele rotularse AFD (arc flash detector).

Dónde se aplica

Equipo	BT	MT	AT y EAT	Comentario
Celdas de media tensión con interruptor	No aplica	Sí	No aplica	Aplicación principal, nueva o en modernización
Tableros generales y CCM de baja tensión	Sí	No aplica	No aplica	Ensayo de arco interno según IEC TR 61641
Celdas de generador y de servicios auxiliares	Sí	Sí	No aplica	Plantas industriales y de generación
Subestaciones encapsuladas (GIS)	No aplica	Según el diseño	No es habitual	El arco interno se trata con el diseño y otros sensores
Celdas sin clasificación de arco interno	Sí	Sí	No aplica	Una forma de reducir el riesgo sin cambiar la celda

Es una protección de industria y de subestaciones de distribución, donde hay personas operando celdas y tableros con frecuencia.

Cómo mide

Sensores de luz. Hay dos tipos:

Puntuales, uno por compartimento: barras, interruptor y cables.
De fibra, un lazo o un tramo de fibra óptica sin cubierta que detecta luz en cualquier punto de su recorrido y vigila varias celdas a la vez.

Supervisión de corriente. Un elemento de sobrecorriente rápido, alimentado por los transformadores de corriente (CT) de la acometida o del interruptor que debe abrir, confirma que hay corriente de falla.

Lógica. En el modo habitual, la orden de disparo sale cuando hay luz Y sobrecorriente. El modo de solo luz existe para casos particulares, con más riesgo de disparos indebidos.

Salidas. El disparo usa salidas rápidas hacia el interruptor que alimenta el arco. Muchos sistemas tienen además una salida de respaldo hacia el interruptor siguiente si el primero no abre.

La característica

No hay una curva: la característica es una línea de tiempo en milisegundos.

Aparece el arco y su luz llega al sensor.
La corriente supera el umbral del elemento rápido.
La lógica confirma luz y corriente y da la orden de disparo.
El interruptor abre y el arco se extingue.

La comparación útil es con la sobrecorriente temporizada: el área bajo la curva de corriente durante el arco es lo que se acumula como energía. La detección de luz acorta la primera parte; la segunda depende del interruptor y no la cambia el relé.

Despeje de un arco interno por detección de luz

Arco. Luz, presión y corriente de falla dentro del compartimento
Detección. El sensor del compartimento ve la luz
Confirmación. La corriente supera el umbral rápido
Disparo. Orden al interruptor que alimenta el compartimento
Apertura. El interruptor abre y el arco se extingue

Criterios de ajuste

Zonas: cada sensor se asigna al interruptor que alimenta ese compartimento.
Umbral de corriente: por debajo de la corriente de arco mínima esperada (que en baja tensión puede ser bastante menor que la de una falla franca) y por encima de la carga y de las corrientes de energización.
Sensibilidad de luz: según el tipo de sensor y el ambiente de la sala.
Respaldo: tiempo de espera antes de abrir el interruptor aguas arriba si el primero falla.
Estudio: las corrientes de arco y los tiempos resultantes se confirman en el estudio de arco eléctrico y de cortocircuito.

Interacción con otras funciones

Sobrecorriente 50/51: muchas veces el elemento de corriente del sistema de arco es la etapa rápida del propio relé de la acometida. La sobrecorriente 50/51 sigue como respaldo.
Falla de interruptor 50BF: si el interruptor no abre, el arco sigue. La falla de interruptor 50BF o la salida de respaldo del sistema de arco abren el siguiente aguas arriba.
Bloqueo 86: un disparo por arco no se repone solo. El relé de bloqueo 86 impide cerrar de nuevo sobre una celda dañada.
Transferencia automática y recierre: deben bloquearse ante un disparo por arco para no energizar otra vez la barra fallada desde la fuente alterna.
Diferencial de barras y enclavamiento selectivo por zonas: son otras formas de acelerar el despeje en barras; se eligen en el estudio.
Comunicación entre relés: en sistemas integrados la señal de luz o de sobrecorriente de una celda llega a la acometida por cableado o por GOOSE.

Cómo la implementa cada fabricante

Sistemas dedicados: ABB REA, VAMP 121 y 221 de Schneider Electric y Siemens Reyrolle 7XG31, con unidades centrales y módulos de extensión. Los describimos en relés de arco: ABB REA, VAMP y 7XG31.
Integrada en el relé de alimentador o de motor: la serie Relion 615 de ABB tiene protección de arco con sensores conectados al relé y el nodo ARCSARC; el SEL-751 ofrece detección de arco con fibra como opción.

Las diferencias prácticas están en el tipo de sensor, en cuántos sensores admite cada unidad, en cómo se comparte la condición de corriente entre unidades y en la autosupervisión de sensores y fibras.

Nodo lógico IEC 61850

IEC 61850-7-4 tiene el nodo SARC, de supervisión y diagnóstico de arcos, con el dato de detección de arco de falla (FADet) y contadores de arcos. ABB modela su protección de arco con un nodo de esa clase (ARCSARC). Otros fabricantes usan nodos propios declarados en su documentación de conformidad; SEL, por ejemplo, declara un nodo de extensión para la detección de arco.

En la cadena de disparo, la operación pasa por PTRC hacia el interruptor (XCBR), y la detección de luz o la orden de disparo se pueden publicar por GOOSE para que la acometida actúe sobre un arco detectado en otra celda.

Cómo se prueba

En general se verifica:

Cada sensor, con una fuente de luz de prueba, confirmando que activa la zona correcta.
El umbral del elemento de corriente, con inyección secundaria.
La lógica luz Y corriente: que la luz sola no dispare en el modo combinado.
El tiempo desde la luz hasta la salida de disparo.
Que cada zona dispare al interruptor correcto y que funcione la salida de respaldo.
La autosupervisión: que un sensor desconectado o una fibra rota den alarma.

En la puesta en servicio se prueba el esquema completo hasta la apertura del interruptor.

Errores típicos

Sensor mal ubicado, que no ve el compartimento por una barrera o una pantalla.
Zona asignada al interruptor equivocado: un arco en barras que dispara un alimentador en lugar de la acometida.
Condición de corriente tomada de un CT que no ve el arco, por ejemplo con generación propia que alimenta la barra desde otro lado.
Modo de solo luz en una sala con luz exterior o durante mantenimiento con las puertas abiertas.
Fibras con radios de curvatura menores que los permitidos o sensores sucios.
Transferencia automática sin bloqueo por disparo de arco.
Estudio de arco sin actualizar después de instalar el sistema.

Configuramos su protección de arco

¿Va a instalar o modernizar la protección de arco de sus celdas, o tuvo un disparo que no está claro? Configuramos el relé de forma remota: zonas, umbrales, lógica y señales GOOSE. Díganos la marca y el modelo en configuración remota de relés o escríbanos. Si además necesita recalcular la energía incidente, lo hacemos en diseño de ingeniería y estudios.

Guías relacionadas

Referencias

IEEE 1584-2018, Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations: la duración del arco en el cálculo de la energía incidente.
IEC TR 61641, Enclosed low-voltage switchgear and controlgear assemblies – Guide for testing under conditions of arcing due to internal fault.
IEC 62271-200, celdas de media tensión con envolvente metálica: clasificación de arco interno (IAC).
IEEE C37.20.7, guía para ensayar celdas de media tensión ante arco interno.
IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes: nodos SARC y PTRC.
ABB, REM615 Application Manual: protección de arco ARCSARC.

Preguntas frecuentes

¿Por qué un relé de arco usa luz y corriente a la vez?

Porque la luz sola puede venir de otra fuente: una linterna, una soldadura o la luz del día con la puerta de la celda abierta. La corriente sola no distingue un arco interno de una falla en otro punto que deba despejar otra protección. Con las dos condiciones a la vez el disparo es rápido y seguro.

¿El relé de arco elimina la necesidad del estudio de arco eléctrico?

No. El estudio calcula la energía incidente con el tiempo de despeje real. Instalar un relé de arco cambia ese tiempo, así que el estudio debe actualizarse para reflejarlo, con sus etiquetas y categorías de equipo de protección personal.

¿A qué interruptor debe disparar el relé de arco?

Al que alimenta el compartimento donde está el arco. Un arco en el compartimento de cables de un alimentador puede despejarlo su propio interruptor; un arco en las barras exige abrir la acometida; y un arco del lado de entrada de la acometida exige abrir el interruptor aguas arriba, por ejemplo el del primario del transformador.