La falla a tierra restringida (REF, 87N o 64REF) es una protección diferencial que compara la corriente del neutro de un devanado en estrella con la suma de sus corrientes de fase. Detecta fallas a tierra dentro del devanado, incluso cerca del neutro, donde la diferencial del transformador es poco sensible.
Qué es la protección 87N/64REF (falla a tierra restringida)
La falla a tierra restringida, conocida por su sigla inglesa REF (restricted earth fault), es una protección diferencial limitada a las fallas a tierra de un solo devanado. Compara dos medidas:
- La corriente del neutro del devanado, medida con un CT en la conexión del neutro a tierra.
- La corriente residual de las fases del mismo devanado (3I0), medida con los CT de fase.
Si la falla a tierra está fuera de la zona, ambas corrientes son iguales y se cancelan dentro del relé. Si está dentro del devanado, solo una de ellas la ve, o ambas la ven en el mismo sentido, y aparece una corriente diferencial.
En la nomenclatura ANSI/IEEE C37.2 se identifica como 87N (diferencial de neutro). En la práctica IEC se habla de 64REF o simplemente REF. En IEC 61850 cada fabricante la modela de forma diferente, con frecuencia con un nodo de protección diferencial; revise el modelo de datos de su relé.
Se llama «restringida» porque su zona queda limitada a lo que está entre los CT de fase y el CT de neutro. No ve fallas fuera de esa zona, lo que permite hacerla muy sensible y rápida.
Dónde se aplica
- Transformadores de potencia con devanado en estrella puesto a tierra, sólidamente o por resistencia, en alta y en media tensión.
- Generadores con el neutro puesto a tierra por baja impedancia.
- Transformadores de puesta a tierra (zigzag o estrella-delta), donde la REF protege el propio transformador de tierra.
- Autotransformadores, con un esquema de alta impedancia que abarca los devanados serie y común.
- Transformadores de plantas solares e industriales, en el devanado conectado a tierra.
El caso típico es un devanado en estrella puesto a tierra por resistencia. La resistencia limita la corriente de falla a tierra a un valor bajo, y en una falla cerca del neutro la corriente reflejada en el lado de línea es tan pequeña que la diferencial 87T no la ve. La REF, en cambio, mide directamente en el neutro y conserva sensibilidad en gran parte del devanado.
Cómo funciona
Hay dos principios.
REF de alta impedancia. Los CT de fase y el del neutro se conectan en paralelo y alimentan un elemento de medida en serie con una resistencia de estabilización. En una falla externa, las corrientes circulan entre los CT y casi no pasan por el relé. Si un CT se satura, su impedancia de magnetización cae y el otro CT empuja corriente a través de él; la resistencia de estabilización hace que la tensión necesaria para operar el relé sea mayor que la que aparece en ese caso. En una falla interna, los CT no tienen por dónde descargar la corriente salvo por el relé, la tensión sube y el relé opera. Para limitar esa tensión se instala un varistor (no lineal) en paralelo.
El criterio clásico de estabilidad es que la tensión de ajuste del relé sea mayor que la tensión que aparece cuando un CT se satura por completo en la máxima falla externa:
V_s ≥ I_f · (R_CT + 2·R_L)
donde I_f es la corriente secundaria de la máxima falla externa, R_CT la resistencia del devanado secundario del CT saturado y R_L la resistencia de un conductor del lazo. El punto de codo de los CT debe ser suficientemente mayor que V_s, según la recomendación del fabricante. Este esquema exige CT de igual relación y con características definidas, por ejemplo clase PX según IEC 61869-2.
REF de baja impedancia. Es una diferencial numérica. El relé calcula la corriente residual de fases, la compara con la medida del neutro y aplica una característica de frenado, como cualquier diferencial porcentual. Acepta CT de relaciones distintas, porque compensa por software, y puede compartir los CT con otras funciones. Muchos fabricantes añaden un criterio direccional que compara la fase de la corriente del neutro con la residual para mejorar la estabilidad.
| Aspecto | Alta impedancia | Baja impedancia |
|---|---|---|
| Principio | CT de fase y de neutro en paralelo sobre un elemento de medida con resistencia de estabilización | Diferencial numérica entre la residual de fases y el neutro, con frenado |
| Estabilidad ante saturación | Tensión de ajuste mayor que la de un CT saturado en la máxima falla externa | Característica de frenado y, en muchos relés, criterio direccional |
| CT | Igual relación y características definidas, por ejemplo clase PX | Acepta relaciones distintas y puede compartir CT con otras funciones |
Criterios de ajuste
- Alta impedancia: tensión de estabilización calculada con la máxima falla externa del estudio de cortocircuito, resistencias de CT y cableado medidas en campo, y verificación de la corriente primaria de operación, que incluye las corrientes de magnetización de todos los CT a esa tensión.
- Baja impedancia: arranque diferencial mínimo por debajo de la corriente de falla interna más pequeña que se quiere detectar, y pendientes de frenado según los errores de CT y la saturación esperada.
- Sensibilidad: se define qué porcentaje del devanado se quiere cubrir, a partir de la corriente que limita la resistencia de neutro.
- CT: relaciones, clase y punto de codo de acuerdo con IEEE C37.110 o IEC 61869-2. Vea prueba de excitación de CT y punto de rodilla.
Todo depende del estudio y del manual del relé. No hay un ajuste universal.
Cómo la implementa cada fabricante
- Siemens SIPROTEC (DIGSI) ofrece REF de baja impedancia con frenado y, según el modelo, la variante de alta impedancia con componentes externos.
- SEL (AcSELerator QuickSet) incluye REF de baja impedancia en sus relés de transformador, con un criterio direccional.
- Relion (Hitachi Energy 670/650; ABB 615/620) (PCM600) tiene funciones separadas para REF de baja impedancia y para diferencial de alta impedancia.
- GE Vernova (Multilin, EnerVista) incluye REF de baja impedancia con frenado en sus relés de transformador.
- Schneider MiCOM/Easergy (MiCOM S1 o Easergy Studio) ofrece ambas modalidades según el modelo.
Las diferencias más relevantes son cómo se define el arranque mínimo, cómo se escala el CT de neutro frente a los de fase y qué criterio adicional de estabilidad usa cada uno.
Por qué dispara o bloquea
- Polaridad invertida del CT de neutro. Es la causa más común de disparos ante fallas externas. Se detecta con una prueba de polaridad o, en servicio, con el oscilograma de la primera falla externa.
- Relación del CT de neutro mal ingresada en el relé de baja impedancia.
- CT de relaciones distintas en un esquema de alta impedancia, o con un CT de otra clase.
- Saturación de CT en fallas externas severas o durante la energización, si el frenado o la tensión de estabilización no son suficientes.
- CT abierto en un esquema de alta impedancia: aparecen tensiones muy altas, opera el varistor y puede dañarse.
- Cableado común con otras funciones que deja una conexión a tierra doble en el circuito secundario.
Lo primero que debe revisar es el oscilograma: compare la corriente del neutro con la residual calculada de las fases. La guía de conexionado de transformadores de corriente ayuda a revisar polaridades y puestas a tierra.
Cómo se prueba
Con inyección secundaria, por ejemplo con un Omicron CMC 356:
- Alta impedancia: se verifica la tensión de operación del relé, la resistencia de estabilización y el varistor, y se calcula la corriente primaria de operación con las curvas de excitación de los CT.
- Baja impedancia: se verifica el arranque mínimo, las pendientes de frenado y la estabilidad simulando una falla externa, con corrientes de neutro y de fase en oposición; luego una falla interna.
- Polaridad y estabilidad: en la puesta en servicio, con inyección primaria se comprueba que una falla externa simulada no produce corriente diferencial.
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Referencias
- IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations.
- IEEE C37.91, Guide for Protecting Power Transformers.
- IEEE C37.102, Guide for AC Generator Protection.
- IEEE C37.110-2023, Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes.
- IEC 61869-2, Additional requirements for current transformers.
- J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.
Preguntas frecuentes
¿Por qué disparó la REF del transformador con una falla a tierra en la línea?
Casi siempre es la polaridad o la relación del CT del neutro. Con el CT del neutro invertido, una falla externa se ve como interna. Revise el oscilograma: en una falla externa la corriente del neutro y la residual de fases deben estar en oposición dentro del relé.
¿Qué diferencia hay entre REF de alta y de baja impedancia?
La de alta impedancia usa una resistencia de estabilización y exige CT de igual relación y características adecuadas. La de baja impedancia es una diferencial numérica con frenado que acepta relaciones distintas y compensa por software.
¿Si ya tengo 87T necesito REF?
En devanados puestos a tierra por resistencia o con fallas cerca del neutro, la 87T puede no tener sensibilidad suficiente, y la REF cubre esa zona. IEEE C37.91 la trata como complemento de la diferencial del transformador.