Pérdida de sincronismo 78 (PPAM): qué es y cómo funciona

Qué es la protección 78 (pérdida de sincronismo)

En un sistema estable, todas las máquinas síncronas giran juntas y el ángulo entre sus tensiones internas se mantiene dentro de un rango. Después de una falla grande, de un despeje lento o de la salida de una línea importante, ese ángulo puede oscilar. Si la oscilación se amortigua, el sistema sigue estable. Si el ángulo sigue creciendo y pasa de 180°, el generador o el área pierde el sincronismo: se producen deslizamientos de polos, con corrientes altas, pares pulsantes sobre el eje y tensiones que caen en el centro eléctrico de la oscilación.

La función 78 detecta esa condición y ordena separar las áreas que ya no pueden seguir juntas. Se nombra así:

• ANSI/IEEE C37.2: 78, relé de medida de ángulo de fase o de protección contra pérdida de sincronismo.
• IEC 61850: nodo lógico PPAM (medida de ángulo de fase), que el estándar asocia a esta función.
• En inglés se la llama out-of-step (OOS u OST, out-of-step tripping).

Conviene no confundirla con la función 68, que bloquea la distancia durante oscilaciones, ni con la verificación de sincronismo 25, que solo autoriza un cierre.

Dónde se aplica

• Generadores síncronos, sobre todo los de gran tamaño o conectados a redes débiles a través de líneas largas. Cada deslizamiento de polo somete al eje, a la turbina y al transformador elevador a esfuerzos importantes.
• Líneas de transmisión en puntos de separación definidos por el operador del sistema, para dividir la red en islas con un balance razonable entre generación y carga.
• Interconexiones entre áreas o países, donde una pérdida de sincronismo puede extenderse si no se separa a tiempo.

Cómo funciona

El principio más usado es el seguimiento de la impedancia aparente en el plano R-X. Durante una oscilación, la impedancia medida se desplaza de forma relativamente lenta, a diferencia de una falla, que la hace saltar casi de inmediato. Cuando se pierde el sincronismo, la trayectoria cruza la línea que une las dos fuentes, y el punto donde la cruza es el centro eléctrico de la oscilación.

Las características más comunes son:

• Un blinder simple o doble: rectas paralelas a la impedancia del sistema. El relé mide el tiempo que tarda la impedancia en pasar entre ellas y confirma que la atraviesa de un lado al otro.
• Lentes o círculos concéntricos (mho): una característica interna y otra externa. Si la impedancia entra en la externa, tarda más de cierto tiempo en llegar a la interna y luego sale por el lado opuesto, se declara pérdida de sincronismo.
• Métodos basados en la tensión del centro de oscilación o en la velocidad de cambio de la resistencia, que algunos fabricantes usan para no depender tanto de los ajustes de impedancia.

La lógica suele contar los deslizamientos de polo y disparar después de uno o de varios, según la filosofía del sistema. También decide cuándo abrir: cerca de 180° entre fuentes el interruptor enfrenta la mayor tensión de recuperación. Por eso muchas lógicas disparan cuando el ángulo ya se reduce, o se exige al interruptor la capacidad de maniobra en oposición de fases de IEC 62271-100.

En generadores se distingue además si el centro eléctrico cae dentro de la zona de la máquina y del transformador elevador o fuera, en la red. En el segundo caso, a menudo se deja actuar primero a la protección de la red.

Criterios de ajuste

Los ajustes dependen de:

• El estudio de estabilidad transitoria, que da las trayectorias de la impedancia y la velocidad de deslizamiento para las contingencias críticas.
• Las impedancias del generador (reactancia transitoria), del transformador elevador y de la red equivalente, que definen el alcance de la característica.
• La carga máxima, para que la característica externa no la invada.
• La relación de los CT y PT y el ángulo característico de la impedancia del sistema.
• La capacidad del interruptor para abrir en oposición de fases.
• La filosofía del operador de red: en qué puntos se separa el sistema y si se dispara en el primer deslizamiento o después de varios.

IEEE C37.102 trata la aplicación en generadores. En líneas, los informes del comité de relés de IEEE (PSRC) sobre oscilaciones de potencia y pérdida de sincronismo son la referencia habitual. No hay valores universales: se ajusta según el estudio de estabilidad y la coordinación de protecciones.

Cómo la implementa cada fabricante

Todos los relés de generador y de línea de alta tensión de los grandes fabricantes incluyen la función, pero la organizan de forma distinta:

• Siemens SIPROTEC la ofrece en los relés de generador y la integra con la detección de oscilación en los de distancia. Se configura en DIGSI.
• SEL combina en sus relés de línea la lógica de bloqueo por oscilación y el disparo por pérdida de sincronismo, con zonas o blinders dedicados y métodos basados en la tensión del centro de oscilación. Se ajusta con AcSELerator QuickSet.
• Hitachi Energy Relion 670 nombra sus funciones a partir del nodo lógico IEC 61850 y separa la protección de generador de la detección de oscilaciones de línea. Se trabaja en PCM600.
• GE Vernova (Multilin) tiene elementos de detección de oscilación y disparo por pérdida de sincronismo en sus relés de línea y de generador, configurados en EnerVista.
• Schneider MiCOM / Easergy la incluye en relés de generador y de distancia, configurados con MiCOM S1 o Easergy Studio.

Cambian la forma de la característica, cómo se cuentan los deslizamientos y si la 68 y la 78 comparten ajustes. Un ajuste no se traslada de una marca a otra sin rehacerlo.

Por qué dispara o bloquea

Causas típicas de operaciones o de actuaciones indeseadas:

• Oscilación estable que entra en la característica: el ajuste es demasiado amplio o el tiempo entre características es demasiado corto.
• Carga pesada o tensión baja: la impedancia de carga se acerca a la característica externa.
• Falla lenta en despejarse: una falla que se despeja tarde puede llevar a la máquina a perder el paso. La 78 actúa bien, pero el origen es el despeje lento, a menudo una falla de interruptor o una protección mal coordinada.
• Polaridad o relación de CT o PT equivocada: la trayectoria aparece en el cuadrante equivocado.
• Falla de fusible del PT: sin tensión, la impedancia medida pierde sentido; la función debe quedar bloqueada.

Lo primero que se revisa es el registro oscilográfico: graficar la impedancia en el plano R-X durante el evento muestra si la trayectoria correspondía a una oscilación estable, a una pérdida de sincronismo real o a una falla.

Cómo se prueba

La 78 no se prueba con un solo punto de impedancia. Con un equipo de inyección secundaria como el Omicron CMC 356 se generan trayectorias de oscilación: tensiones y corrientes cuyo ángulo relativo gira a la velocidad de deslizamiento que se quiere simular, o secuencias de estados que llevan la impedancia de un punto a otro del plano.

Se verifica que la función:

• no opere con oscilaciones estables ni con carga máxima;
• detecte el deslizamiento a las velocidades previstas;
• cuente los deslizamientos y dispare en el momento definido;
• quede bloqueada ante falla de fusible del PT;
• entregue las salidas correctas al interruptor y a la lógica de bloqueo 86, si existe.

La prueba completa se hace en la inyección secundaria durante la puesta en servicio y se repite después de cambios en la red.

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Referencias

• IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations.
• IEEE C37.102, Guide for AC Generator Protection.
• IEEE PSRC, informe Power Swing and Out-of-Step Considerations on Transmission Lines.
• IEC 61850-7-4, modelos de nodos lógicos.
• IEC 62271-100, interruptores de corriente alterna de alta tensión.
• P. Kundur, Power System Stability and Control.
• J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

Preguntas frecuentes