Protección de frecuencia 81U/81O: qué es y cómo funciona

Qué es la protección 81 (frecuencia)

La frecuencia del sistema refleja el balance entre la potencia que se genera y la que se consume. Si se pierde un generador grande, la carga supera a la generación, las máquinas se frenan y la frecuencia cae. Si se pierde mucha carga o una isla queda con exceso de generación, la frecuencia sube. En Colombia la frecuencia nominal es 60 Hz.

La función 81 mide la frecuencia de la tensión y da una orden cuando sale de una banda durante un tiempo determinado:

• 81U (under): baja frecuencia.
• 81O (over): sobrefrecuencia.

Se nombra así:

• ANSI/IEEE C37.2: 81, relé de frecuencia.
• IEC 61850: PTUF para baja frecuencia y PTOF para sobrefrecuencia.
• IEC 60617: se representa como f< y f>.

La variante que mide la velocidad del cambio de frecuencia, la 81R o ROCOF, tiene su propio artículo.

Dónde se aplica

• Deslastre automático de carga por baja frecuencia en subestaciones de distribución e industria. Es la aplicación más extendida.
• Generadores y turbinas: los álabes de las turbinas de vapor y de gas tienen límites de operación fuera de la frecuencia nominal, con tiempos acumulados admisibles.
• Plantas solares y eólicas: los requisitos de conexión fijan bandas de frecuencia dentro de las cuales la planta debe mantenerse conectada y fuera de las cuales debe desconectarse.
• Industria con generación propia: separación de la red pública y control de la isla interna.
• Esquemas de separación de áreas en transmisión.

Cómo funciona

El relé calcula la frecuencia a partir de los cruces por cero o del giro del fasor de tensión, normalmente sobre una tensión compuesta o de secuencia positiva para que una falla monofásica afecte menos la medida. Cada etapa tiene:

• un umbral de frecuencia, por debajo (81U) o por encima (81O) del nominal;
• un tiempo de operación, para no actuar con transitorios;
• un bloqueo por subtensión: si la tensión es demasiado baja, la medida de frecuencia no es confiable y la etapa se bloquea.

Los relés numéricos ofrecen varias etapas independientes. IEC 60255-181 define los requisitos funcionales de la protección de frecuencia y cómo se declaran su exactitud y sus tiempos.

Deslastre de carga

Cuando cae la frecuencia, el esquema de deslastre desconecta carga por etapas: primero un bloque de circuitos con el umbral más alto, luego otro con un umbral menor, y así sucesivamente. Cada etapa reduce el déficit hasta que la generación puede sostener la frecuencia. El orden en que se desconectan los circuitos se decide para proteger las cargas críticas, como hospitales y servicios esenciales.

En Colombia este esquema se conoce como EDAC (esquema de desconexión automática de carga). Los porcentajes de carga, los umbrales y los tiempos de cada etapa los define el operador del sistema con estudios de frecuencia y se asignan a los operadores de red. Algunos esquemas añaden etapas supervisadas por la tasa de cambio de frecuencia para reaccionar antes en eventos severos.

Generadores

En las máquinas, la 81U protege la turbina y los servicios auxiliares; la 81O protege contra sobrevelocidad tras un rechazo de carga, como respaldo del regulador de velocidad. IEEE C37.106 describe cómo coordinar estas etapas con el deslastre del sistema: el generador no debe desconectarse antes de que el deslastre haya tenido oportunidad de recuperar la frecuencia.

Criterios de ajuste

• Esquema de deslastre del operador del sistema: umbrales, tiempos y porcentaje de carga por etapa no se eligen en la subestación; se toman de la asignación oficial.
• Límites del fabricante de la turbina y del generador, coordinados según IEEE C37.106.
• Requisitos de conexión del operador de red para generación y plantas solares.
• Bloqueo por subtensión, ajustado para evitar operaciones con barras desenergizadas y durante fallas.
• Tiempo de operación, suficiente para filtrar transitorios pero sin retrasar la recuperación.
• Relación del PT y punto de medida.

La coordinación entre etapas del deslastre, generadores y equipos sensibles se resuelve en el estudio de coordinación de protecciones y en los estudios de estabilidad.

Cómo la implementa cada fabricante

• Siemens SIPROTEC agrupa la protección de frecuencia en etapas con ajustes de umbral, tiempo y tensión mínima, y en algunos modelos ofrece funciones específicas de deslastre. Se configura en DIGSI.
• SEL ofrece varios elementos de frecuencia, cada uno ajustable por encima o por debajo del nominal, con supervisión de tensión y uso libre en sus ecuaciones lógicas. Se ajusta con AcSELerator QuickSet.
• Relion (Hitachi Energy 670/650; ABB 615/620) separa baja frecuencia, sobrefrecuencia y tasa de cambio en funciones independientes, nombradas a partir de los nodos lógicos IEC 61850, configuradas en PCM600.
• GE Vernova (Multilin) tiene elementos de baja y sobrefrecuencia y, en algunos equipos, esquemas de deslastre y restauración de carga. Se configura en EnerVista.
• Schneider MiCOM / Easergy ofrece etapas de frecuencia y lógicas de deslastre en relés de alimentador y de generador, configuradas en MiCOM S1 o Easergy Studio.

Cambian el número de etapas, la tensión usada para medir, la ventana de cálculo y si existe una función de restauración automática de carga cuando la frecuencia se recupera.

Por qué dispara o bloquea

• Pérdida de alimentación de una barra con motores: la tensión residual que generan los motores decae en frecuencia y la 81U la interpreta como baja frecuencia. Se corrige con bloqueo por subtensión y tiempos adecuados.
• Falla de fusible del PT o tensión muy baja durante una falla: la medida se vuelve errática.
• Ajuste distinto al asignado por el operador del sistema, o un grupo de ajustes equivocado.
• Etapas de generadores más rápidas que el deslastre, que agravan el evento en lugar de ayudar.
• Isla con exceso de generación, que hace actuar la 81O de las plantas.
• Disparo real por evento del sistema: si coincidió con la pérdida de un generador grande, el relé actuó como debía.

Lo primero es comparar la frecuencia registrada en la oscilografía con la de otros puntos del sistema. Si solo el relé vio la caída, el problema es local: tensión, PT o motores.

Cómo se prueba

Con el Omicron CMC 356 se inyecta tensión y se varía la frecuencia en rampas o en pasos. Se verifica:

• el umbral de operación de cada etapa;
• el tiempo de operación, medido desde que la frecuencia cruza el umbral;
• el bloqueo por subtensión;
• la reposición;
• las salidas hacia cada interruptor de deslastre.

La prueba forma parte de la inyección secundaria. En el deslastre conviene comprobar además que cada etapa dispara los circuitos asignados y no otros.

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Referencias

• IEEE C37.2, números de función de dispositivos.
• IEEE C37.106-2022, Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants.
• IEC 60255-181, requisitos funcionales de la protección de frecuencia.
• IEC 61850-7-4, modelos de nodos lógicos.
• P. Kundur, Power System Stability and Control.
• J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

Preguntas frecuentes