Secuencia negativa 46: qué es y cómo funciona

Respuesta corta

La protección 46 mide la corriente de secuencia negativa (I2), que aparece cuando las corrientes de fase están desbalanceadas. En generadores y motores esa corriente induce corrientes al doble de la frecuencia en el rotor y lo calienta. En alimentadores y transformadores sirve para detectar fases abiertas y fallas desbalanceadas que la sobrecorriente de fase no ve.

Qué es la protección 46 (secuencia negativa)

En IEEE C37.2 el número 46 es el relé de corriente de fase invertida o de balance de fases: opera cuando las corrientes polifásicas tienen secuencia invertida, están desbalanceadas o contienen componente de secuencia negativa por encima de un valor dado.

Un sistema trifásico balanceado solo tiene corriente de secuencia positiva. Cualquier desbalance (una carga monofásica grande, una fase abierta, una falla entre fases o a tierra) produce corriente de secuencia negativa, I2. Esa componente forma un campo magnético que gira en sentido contrario al rotor.

En una máquina rotativa ese campo induce corrientes al doble de la frecuencia de la red en el hierro del rotor, en las cuñas y en los anillos de retención. El calor se concentra en pocos puntos y puede dañar el rotor en poco tiempo. La 46 limita ese calentamiento.

Si quiere repasar las componentes simétricas, la guía de corriente de secuencia cero explica la base del método.

Dónde se aplica

Generadores síncronos: es la aplicación clásica. Protege el rotor frente a desbalances sostenidos y fallas externas no despejadas.
Motores de inducción y síncronos: detecta la pérdida de una fase (single phasing) y el desbalance de tensión de la red, que en un motor produce un desbalance de corriente mucho mayor.
Alimentadores y líneas de media tensión: detección de conductor roto y respaldo sensible para fallas entre fases.
Transformadores: respaldo para fallas entre fases en el lado de baja, que vistas desde el lado de alta pueden quedar por debajo del ajuste de fase.
Industria: hornos de arco y cargas monofásicas grandes que desbalancean la red.

Cómo funciona

El relé calcula I2 a partir de las tres corrientes de fase con el operador de componentes simétricas. Según la aplicación usa dos tipos de elemento:

Tiempo definido. Un umbral de I2 (o de la relación I2/I1) y un temporizador. Se usa como alarma en generadores y como elemento de conductor roto o pérdida de fase en motores y alimentadores.

Tiempo inverso térmico (I2²t). Para generadores, la capacidad de la máquina se expresa como I2² · t = K, donde I2 está en por unidad de la corriente nominal y K es una constante del rotor. El relé integra I2² en el tiempo y dispara cuando la energía acumulada se acerca a K. Las normas de máquinas (IEEE C50.12, IEEE C50.13 e IEC 60034-1) tratan la capacidad de secuencia negativa continua y de corta duración; el valor de cada generador lo da su fabricante.

Muchos relés incluyen una memoria térmica con un tiempo de enfriamiento: si el desbalance desaparece y vuelve, el relé recuerda el calor acumulado.

En motores se suele usar la relación I2/I1, que es más estable frente a cambios de carga que el valor absoluto de I2.

Criterios de ajuste

Generador: la corriente continua admisible de secuencia negativa y la constante K del fabricante. La alarma se fija por debajo del nivel continuo y la característica de disparo por debajo de la curva de daño.
Motor: la sensibilidad al desbalance de tensión de la red, la corriente de arranque y el tiempo que el motor tolera una fase abierta. El ajuste tiene en cuenta el desbalance normal de la red del sitio.
Alimentador o transformador: coordinación con las protecciones aguas abajo, como cualquier elemento de sobrecorriente. Se define en el estudio de coordinación de protecciones.
Relaciones de CT y la corriente base que usa el relé para el por unidad.

No hay un valor universal. Se ajusta según los datos de la máquina, el estudio de coordinación y el manual del relé.

Cómo la implementa cada fabricante

Siemens SIPROTEC la ofrece como protección de carga desbalanceada o de secuencia negativa, con elementos de tiempo definido y térmicos; se ajusta en DIGSI.
SEL la incluye en relés de generador, motor y alimentador; se parametriza con AcSELerator QuickSet, con elementos de I2 de tiempo definido y curva.
Relion (Hitachi Energy 670/650; ABB 615/620) la ofrece en bloques de función distintos para máquinas y para alimentadores, configurados en PCM600.
GE Vernova (Multilin) la incluye en relés de generador y motor y en elementos de sobrecorriente de secuencia negativa de alimentador; se ajusta en EnerVista.
Schneider MiCOM / Easergy la ofrece como sobrecorriente de secuencia negativa y como elemento de conductor roto; se configura en MiCOM S1 o Easergy Studio.

Las diferencias están en la base del por unidad, en si el elemento usa I2 o I2/I1, en la forma de la memoria térmica y en cómo se reinicia. Un mismo número puede significar cosas distintas en dos marcas.

Por qué dispara o bloquea

Rotación de fases mal ajustada en el relé o dos fases de CT intercambiadas. Es la causa más frecuente en puesta en servicio: con carga balanceada el relé ve I2 alta.
Una fase abierta aguas arriba: fusible fundido, polo del interruptor que no cerró, conductor roto.
Desbalance de la red mayor que el considerado en el ajuste, sobre todo en motores.
Falla externa no despejada: la 46 del generador actúa como respaldo y dispara correctamente.
Relaciones de CT distintas entre fases o un CT con una toma diferente.
Recierre monopolar en una línea cercana: durante el polo abierto aparece secuencia negativa en los generadores de la zona.
Memoria térmica con calor acumulado de un evento anterior, que acorta el tiempo del siguiente disparo.

Qué revisar primero: los valores de I1 e I2 que muestra el relé con carga, el ajuste de rotación de fases, la oscilografía del evento y el estado de los polos del interruptor.

Cómo se prueba

Por inyección secundaria con una fuente como la Omicron CMC 356, inyectando sistemas de corriente con secuencia negativa pura o desbalances controlados.

Se verifica:

El umbral de arranque de cada elemento.
La curva I2²t en varios puntos y los tiempos de tiempo definido.
La memoria térmica: el tiempo de un segundo disparo y el tiempo de enfriamiento.
La correcta medición de I2 con una inyección balanceada de secuencia positiva (debe ser cero).

Al terminar se deja la memoria térmica en cero antes de devolver el relé al servicio.

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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 C37.96, Guide for AC Motor Protection.
IEEE C50.12 e IEEE C50.13, requisitos para generadores síncronos de polos salientes y de rotor cilíndrico.
IEC 60034-1, máquinas eléctricas rotativas: características asignadas y de funcionamiento.
J. Lewis Blackburn y Thomas J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

Preguntas frecuentes

¿Por qué la 46 dispara apenas se energiza la carga, sin desbalance real?

La causa más común es la rotación de fases mal ajustada en el relé (ABC en vez de ACB o al revés) o dos fases de CT intercambiadas. El relé interpreta la secuencia positiva como negativa. Se revisa el ajuste de rotación y la medición de I1 e I2 en el relé.

¿Qué es la constante K en la protección 46 de un generador?

Es la capacidad del rotor para soportar corriente de secuencia negativa, expresada como I2² por tiempo. La define el fabricante del generador según las normas de máquinas, y la característica del relé se ajusta por debajo de ese límite.

¿Sirve la 46 para detectar un conductor roto en una línea?

Sí. Con un conductor abierto la corriente de fase puede bajar en vez de subir, pero la relación I2/I1 crece. Muchos relés tienen un elemento de conductor roto basado en esa relación.