La protección de distancia (ANSI 21) mide la impedancia que ve el relé desde su punto de instalación, a partir de la tensión y la corriente, y dispara cuando esa impedancia cae dentro de una zona ajustada. Como la impedancia de la línea es proporcional a su longitud, el relé sabe aproximadamente a qué distancia está la falla y puede disparar instantáneo para fallas cercanas y con retardo para las lejanas.
Qué es la protección 21 (protección de distancia)
La protección de distancia calcula la impedancia aparente entre el relé y la falla dividiendo la tensión entre la corriente que mide. En condiciones normales esa impedancia es grande, porque está dominada por la carga. Cuando ocurre un cortocircuito, la tensión cae, la corriente sube y la impedancia medida se acerca a la impedancia de la línea entre el relé y el punto de falla. Si ese valor cae dentro de una zona ajustada, el relé dispara.
Se nombra así en los tres sistemas:
- ANSI/IEEE C37.2: función 21, relé de distancia.
- IEC 61850: nodo lógico PDIS (una instancia por zona), normalmente acompañado de nodos de supervisión y de esquema de teleprotección.
- IEC 60617: símbolo Z<, impedancia mínima.
Su gran ventaja frente a la sobrecorriente es que su alcance depende de la impedancia de la línea y no tanto de la potencia de cortocircuito de la red, que cambia con la topología.
Dónde se aplica
- Líneas de transmisión y subtransmisión: es la protección principal o de respaldo más común en alta y extra alta tensión, sola o combinada con diferencial de línea (87L).
- Líneas de distribución largas o en anillo, donde la sobrecorriente no logra selectividad.
- Respaldo de transformadores y generadores, mirando hacia la red o hacia el transformador elevador.
- Plantas solares y eólicas conectadas a alta tensión, en la línea de conexión al sistema.
- Industria con líneas propias de alta tensión o anillos internos.
Cómo funciona
El relé mide seis lazos de falla: tres de fase a fase y tres de fase a tierra. Para los lazos de fase, la impedancia es la tensión entre fases dividida entre la diferencia de corrientes. Para los lazos a tierra se usa la corriente compensada:
Z = V_fase / (I_fase + k0 · 3I0), con k0 = (Z0 − Z1) / (3 · Z1)
donde Z1 y Z0 son las impedancias de secuencia positiva y cero de la línea. Sin esta compensación, el relé vería las fallas a tierra más lejos de lo que realmente están.
Características en el plano R-X:
- Mho: círculo que pasa por el origen; es direccional por naturaleza.
- Cuadrilateral (poligonal): alcance reactivo y resistivo independientes, con una línea direccional.
- Variantes con polarización cruzada o por memoria de tensión, que mantienen la dirección correcta en fallas cercanas donde la tensión cae casi a cero.
Zonas escalonadas:
- Zona 1: subalcance, instantánea, cubre la mayor parte de la línea sin llegar a la barra remota.
- Zona 2: sobrealcance, con retardo, cubre el resto de la línea y parte de la siguiente.
- Zona 3 o zonas adicionales: respaldo remoto, y a veces una zona en reversa para lógica de bloqueo o respaldo de barras.
Con teleprotección (esquemas POTT, PUTT, DCB y similares) el relé acelera el disparo para fallas en el extremo lejano. A esto se suman lógicas como cierre sobre falla (SOTF), eco y fuente débil, invasión de carga y bloqueo por oscilación de potencia. Puede ver estas lógicas en disparo transferido y DTT y en el artículo del bloqueo por oscilación de potencia 68.
Criterios de ajuste
Los alcances se calculan con los parámetros reales de la línea (Z1, Z0, longitud y acoples mutuos) y se verifican con el estudio de cortocircuito. Los criterios que más pesan:
- Zona 1: una fracción de la impedancia de la línea, para que los errores de transformadores de medida, del cálculo de la línea y del relé no la hagan sobrealcanzar. La práctica habitual la deja por debajo del 100 %, con un margen que define cada empresa.
- Zona 2: debe cubrir con seguridad toda la línea y coordinar en tiempo con la zona 1 de las líneas adyacentes, considerando el efecto de aporte intermedio (infeed).
- Zona 3: respaldo remoto, revisando que no invada la región de carga máxima ni opere en oscilaciones estables.
- Alcance resistivo: suficiente para la resistencia de falla esperada y, a la vez, alejado de la impedancia de carga.
- Factor k0: calculado con las impedancias de secuencia de la línea, en el formato que pida cada fabricante.
- Relaciones de CT y PT, impedancias en primario o secundario y tiempos de coordinación según el estudio de coordinación.
| Zona | Qué cubre | Tiempo | Criterio de ajuste |
|---|---|---|---|
| Zona 1 | La mayor parte de la línea, sin llegar a la barra remota | Instantánea | Fracción de la impedancia de la línea, por debajo del 100 % |
| Zona 2 | Toda la línea y parte de la siguiente | Con retardo | Coordinar con la zona 1 de las líneas adyacentes, considerando el aporte intermedio |
| Zona 3 | Respaldo remoto | Con retardo | No invadir la carga máxima ni operar en oscilaciones estables |
Los criterios generales de 21 están en la guía de criterios de ajuste de protecciones eléctricas. Los valores definitivos salen del estudio y de las políticas del operador de red.
Cómo la implementa cada fabricante
El principio es el mismo, pero cada marca lo organiza a su manera:
- Siemens SIPROTEC (7SA, 7SD) con DIGSI: zonas con características poligonales o mho, ajuste de compensación residual en formatos distintos según la versión.
- SEL (por ejemplo SEL-311, SEL-411L, SEL-421) con AcSELerator QuickSet: elementos mho y cuadrilaterales por separado para fase y tierra, y lógica de disparo programable con SELogic.
- Hitachi Energy Relion (REL650, REL670) con PCM600: zonas como bloques funcionales que se conectan en una configuración gráfica.
- GE Vernova (Multilin UR, como el D60; el D90Plus está descontinuado) con EnerVista: elementos de distancia con FlexLogic para las lógicas asociadas.
- MiCOM P44x (Easergy MiCOM de Schneider Electric y MiCOM Agile de GE Vernova) con Easergy Studio o MiCOM S1 Agile: zonas con ajustes simplificados o avanzados según el modo elegido.
Las diferencias que más confunden en campo: si k0 se ingresa en magnitud y ángulo o como relación RE/RL y XE/XL, si los alcances van en ohmios primarios o secundarios, cómo se habilita la memoria de tensión y cómo se asigna cada zona a la teleprotección.
Por qué dispara o bloquea
Situaciones típicas que vemos al revisar eventos:
- Pérdida de potencial: un fusible del PT abierto bloquea la 21 o, si la supervisión no está bien ajustada, provoca un disparo indebido.
- Sobrealcance de zona 1: k0 mal calculado, transitorios del transformador de tensión capacitivo o acople mutuo en líneas paralelas.
- Subalcance: aporte intermedio de otra fuente o resistencia de falla mayor que el alcance resistivo.
- Disparo con carga alta: zona 3 o alcance resistivo invadiendo la región de carga.
- Disparo en oscilaciones de potencia sin el bloqueo 68 habilitado o bien ajustado.
- Polaridad invertida de CT o PT: fallas vistas en dirección contraria.
- Grupo de ajustes equivocado después de un mantenimiento.
Lo primero que hay que revisar es el registro oscilográfico: tensiones, corrientes, lazo que operó y la impedancia calculada frente a la característica ajustada.
Cómo se prueba
La prueba se hace con inyección secundaria usando un equipo como el Omicron CMC 356 y su módulo de distancia. En términos generales se verifica:
- El alcance de cada zona en varios ángulos, con disparos puntuales y búsqueda del borde de la característica.
- Los tiempos de operación de cada zona.
- La compensación k0 con fallas monofásicas.
- La direccionalidad y la memoria de tensión con fallas cercanas.
- La supervisión de pérdida de potencial, el cierre sobre falla y la invasión de carga.
Con teleprotección se completa con pruebas end-to-end sincronizadas por GPS en ambos extremos, que comprueban el esquema completo, incluido el recierre automático 79.
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Referencias
- IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations.
- IEEE C37.113-2025, Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines.
- IEC 60255-121, Functional requirements for distance protection.
- IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes.
- J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.
- G. Ziegler, Numerical Distance Protection: Principles and Applications.
Preguntas frecuentes
¿Por qué disparó la zona 1 de la 21 por una falla que estaba en la línea siguiente?
Las causas más comunes son un alcance de zona 1 demasiado largo, un factor de compensación residual (k0) mal calculado para fallas a tierra, transitorios de transformadores de tensión capacitivos o el acople mutuo con una línea paralela. Revise el registro oscilográfico y compare la impedancia medida con la de la línea.
¿Por qué la protección de distancia quedó bloqueada?
Casi siempre es por pérdida de potencial: un fusible o un mini interruptor del transformador de tensión abierto activa la supervisión de falla de fusible y bloquea la 21. También puede bloquear el detector de oscilación de potencia (68) o la lógica de invasión de carga.
¿Qué diferencia hay entre la característica mho y la cuadrilateral?
La mho es un círculo en el plano R-X con buena direccionalidad y poca sensibilidad a la carga. La cuadrilateral permite ajustar por separado el alcance reactivo y el resistivo, lo que la hace más útil para fallas a tierra con resistencia de arco o de pie de torre.