Falla a tierra 51G y sensible SEF: cómo funciona

Respuesta corta

La protección de tierra 51G (y su etapa instantánea 50G) mide la corriente a tierra con un transformador de corriente propio: un CT toroidal que abraza los tres conductores o un CT en el neutro del transformador o del generador. La falla a tierra sensible (SEF) es una variante de muy bajo arranque para fallas de alta impedancia, como un conductor caído sobre suelo seco. Las dos se modelan en IEC 61850 con los nodos de sobrecorriente PTOC y PIOC.

Qué protege la 51G y la SEF

Las fallas a tierra son las más frecuentes en redes de media tensión y en plantas industriales. Su corriente depende de cómo esté aterrizado el neutro: puede ser alta en un sistema sólidamente aterrizado o de pocos amperios si el neutro se aterriza por resistencia. Hay casos en que la corriente es tan baja que una sobrecorriente de fases ni siquiera la nota.

La 51G detecta esas fallas midiendo directamente la corriente a tierra. La SEF va más allá: busca fallas de alta impedancia en las que la corriente es mínima, como un conductor de distribución caído sobre suelo seco, que no dispara nada y queda energizado al alcance de las personas. Las dos evitan daños a cables y motores, incendios y riesgos para las personas.

ANSI/IEEE C37.2: 51G y 50G, sobrecorriente temporizada e instantánea con el sufijo de tierra; la residual es 51N.
IEC 61850: PTOC para la etapa temporizada y PIOC para la instantánea.
IEC 60617: el símbolo de sobrecorriente con el indicador de tierra.

Dónde se aplica

Equipo	BT	MT	AT y EAT	Industria	Cómo se mide
Alimentador de distribución	No	Sí, 51G y SEF	No aplica	Alimentadores de planta	CT toroidal o residual
Neutro del transformador	Neutro de BT aterrizado	Neutro aterrizado por resistencia	Neutro del lado de estrella	Transformadores de planta	CT en el neutro, como respaldo
Motor	Relés de motor con toroide	Sí	No aplica	Sí	CT toroidal en los cables
Generador	No	Neutro por resistencia	Elevadores	Cogeneración	CT en el neutro
Resistencia de puesta a tierra	No	Sí	Poco común	Sí	CT en la resistencia, protege la resistencia

En alta tensión las fallas a tierra se cubren con la distancia, la 67N y la diferencial; la 51G queda como respaldo en el neutro de los transformadores.

Principio de medida

Residual frente a medida. La corriente de tierra se puede obtener de dos formas:

Residual (51N): suma de las tres corrientes de fase. Cada CT tiene su error, y en arranques o fallas externas trifásicas esos errores no se cancelan del todo. La suma muestra una corriente falsa que limita el arranque mínimo.
Medida (51G): un CT que ve directamente la corriente a tierra. El CT toroidal abraza los tres conductores de fase: si no hay falla, el flujo neto es cero. El CT de neutro mide la corriente que vuelve por la puesta a tierra del transformador o del generador.

SEF. Es la misma medición con un arranque mucho más bajo y una temporización larga. Requiere un CT y una entrada del relé de alta precisión a corrientes muy bajas. En redes con neutro aislado o compensado, la corriente de falla es capacitiva y se necesita una función direccional, que se explica en unidades direccionales homopolares.

La característica

En el plano tiempo-corriente, la 51G tiene la forma de cualquier sobrecorriente: un arranque, una curva de tiempo inverso o de tiempo definido y, opcionalmente, una etapa instantánea 50G. Comparada con la 51N:

La 51G puede arrancar más abajo, porque no arrastra los errores de los CT de fase.
La zona SEF queda en el extremo izquierdo del plano, a corrientes muy bajas, con tiempo definido largo.
La 51G de neutro del transformador se coordina por encima de las tierras de los alimentadores, como respaldo.

Puede dibujar y comparar estas curvas con nuestra herramienta gratuita de coordinación de relés.

Residual 51N: suma de las tres fases; arrastra errores de los CT.
CT toroidal 51G: abraza los tres conductores; ve solo la corriente a tierra.
CT de neutro 51G: corriente de retorno por la puesta a tierra; respaldo.
SEF: misma medición con arranque muy bajo y tiempo largo.

Criterios de ajuste

Arranque: por encima del desbalance natural y de la corriente capacitiva de la red aguas abajo, y por debajo de la falla mínima que se quiere ver.
Neutro aterrizado por resistencia: la falla máxima a tierra está limitada por la resistencia; el arranque debe ser una fracción de ese valor para proteger la mayor parte del devanado.
Coordinación: con fusibles y relés aguas abajo y, como respaldo, con la 51G del neutro del transformador.
SEF: un arranque muy bajo con una temporización larga, para no confundir desbalances transitorios con fallas.

Los criterios de coordinación se explican en criterios de ajuste de protecciones y la forma de aterrizar el neutro, en resistencia de puesta a tierra del neutro.

Interacción con otras funciones

Recierre 79: en distribución, el disparo por 51G o SEF puede iniciar o bloquear el recierre según la filosofía del operador.
67N: en redes con varias fuentes de tierra o con neutro aislado, la tierra debe ser direccional.
59N: en sistemas aislados, la sobretensión de neutro detecta la falla aunque no haya corriente. En IEEE C37.2 esa detección es la 64; ver relé detector de tierra 64.
87N: la falla a tierra restringida protege el devanado; la 51G de neutro es su respaldo.
Falla de interruptor 50BF: arranca con el disparo de tierra como con cualquier otro.

Cómo la implementa cada fabricante

Siemens SIPROTEC (DIGSI): sobrecorriente de tierra con entrada de corriente sensible para SEF.
SEL (AcSELerator QuickSet): elementos de tierra residual y de neutro, con versiones de entrada sensible para SEF y detección de fallas de alta impedancia en algunos modelos.
Hitachi Energy y ABB Relion (PCM600): sobrecorriente no direccional y direccional de tierra, con entrada de toroide en las series 615 y 620.
GE Vernova Multilin (EnerVista): elementos de tierra medida y de tierra sensible, con su propia entrada.
Schneider MiCOM y Easergy: etapas de tierra y SEF con entrada sensible.

Fíjese en qué entrada del relé corresponde a cada elemento: la sensible tiene un rango distinto y conectarle un CT de fase la satura.

Nodo lógico IEC 61850

La etapa temporizada se modela con PTOC y la instantánea con PIOC, cada una con su instancia para tierra. Publican el arranque (Str) y la operación (Op). El disparo pasa por PTRC y llega al XCBR por GOOSE o por salida física. La SEF direccional de redes compensadas o aisladas puede modelarse con nodos específicos de falla a tierra direccional, según el fabricante.

Cómo se prueba

Con inyección secundaria se verifica en general:

El arranque y la curva de la 51G y de la SEF, en la entrada correcta del relé.
Los tiempos de la etapa instantánea.
La relación y la polaridad del CT toroidal y del CT de neutro con inyección primaria, incluido el paso de la pantalla por el toroide.
Que la 51G no opere con corrientes de fase balanceadas altas.

La diferencia entre las dos inyecciones se explica en inyección primaria y secundaria.

Errores típicos

Pantalla del cable aterrizada sin pasar por el toroide, que anula o desvía la medida.
Toroide instalado alrededor de un solo cable o con un conductor de tierra por dentro.
Relación del toroide mal declarada en el relé, que desplaza todo el ajuste.
SEF sin temporización suficiente, que dispara con desbalances de maniobra.
51G del neutro del transformador sin coordinar con las tierras de los alimentadores.
Confundir la entrada sensible con la normal en el cableado.

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Guías relacionadas

Referencias

IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations: números 50 y 51 con sus sufijos.
IEEE C37.230-2020, Guide for Protective Relay Applications to Distribution Lines: protección de tierra y fallas de alta impedancia en distribución.
IEEE 142, Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems: métodos de puesta a tierra del neutro.
IEC 60255-151, Functional requirements for over/under current protection: elementos de sobrecorriente.
IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes: nodos PTOC, PIOC y PTRC.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre la 51N y la 51G?

La 51N calcula la corriente residual sumando las tres corrientes de fase, ya sea dentro del relé o con los tres CT en conexión residual. La 51G mide la corriente a tierra con un CT propio, toroidal o de neutro. La 51G no arrastra los errores de los tres CT de fase, así que admite arranques más bajos.

¿Qué es la falla a tierra sensible y cuándo se usa?

Es una protección de tierra con arranque muy bajo, pensada para fallas de alta impedancia que una 51N normal no ve, como un conductor caído sobre arena, asfalto o vegetación seca. Se usa en redes de distribución de media tensión y suele necesitar un CT toroidal para tener la precisión suficiente.

¿Por qué la pantalla del cable debe volver por dentro del CT toroidal?

Porque la corriente de falla que regresa por la pantalla también atraviesa el toroide. Si la pantalla se aterriza del lado de la carga sin devolverla por dentro del CT, el toroide mide la diferencia y la protección puede no ver la falla o verla con una magnitud equivocada.