La protección 49 estima la temperatura de un equipo a partir de la corriente que circula por él, con un modelo térmico que tiene memoria. Dispara cuando el calentamiento calculado llega al límite, no cuando la corriente pasa un umbral. Protege motores, transformadores, cables y generadores contra sobrecargas que la sobrecorriente 51 dejaría pasar.
Qué es la protección 49 (sobrecarga térmica)
En IEEE C37.2 el número 49 es el relé térmico de máquina o de transformador: opera cuando la temperatura de un equipo supera un valor predeterminado. En IEC 61850 corresponde al nodo lógico PTTR (sobrecarga térmica). Los requisitos funcionales de los relés térmicos eléctricos están en IEC 60255-149.
Hay dos formas de implementar la 49:
- Por medición directa de temperatura, con detectores RTD en los devanados o con el indicador de temperatura de devanado de un transformador.
- Por imagen térmica: el relé no mide temperatura, la calcula con la corriente y un modelo del equipo. Es la forma más usada en relés numéricos y la que trata este artículo.
La diferencia con una sobrecorriente temporizada es la memoria. La 49 acumula el calor que entra y lo deja salir con la constante de tiempo del equipo. Un motor que viene caliente tolera menos sobrecarga que uno frío, y el relé lo sabe.
Una sobrecarga es corriente por encima de la nominal por un camino sano: no hay falla, pero el equipo se calienta. Su daño es acumulativo, porque el calor envejece el aislamiento. Por eso la pregunta que responde la 49 no es «¿cuánta corriente hay?», sino «¿qué tan caliente está el equipo?».
Por qué no disparar ante toda sobrecarga
Los picos de demanda, las transferencias de carga y la reconexión de carga fría tras una interrupción larga son parte de la operación normal. Un transformador de potencia soporta por un tiempo corrientes mayores que la nominal si su punto caliente no supera los límites de su guía de carga. Disparar antes deja usuarios sin servicio sin proteger nada.
La sobrecarga sí consume vida útil. Según IEC 60076-7, para papel no mejorado térmicamente la tasa de envejecimiento relativo se duplica aproximadamente por cada 6 K por encima de 98 °C de punto caliente; IEEE C57.91 toma 110 °C como referencia para papel mejorado térmicamente. Esas guías permiten decidir cuánta sobrecarga temporal se acepta y por cuánto tiempo, a cambio de qué pérdida de vida. Esa decisión es de la empresa dueña del equipo, y la 49 es la herramienta que la hace cumplir.
Tampoco deben provocar disparo por sobrecarga la corriente de energización (inrush) de un transformador, el arranque de un motor ni la carga fría, que muchos relés manejan con una lógica de arranque en frío.
La 49 frente a la 51 como protección de sobrecarga
| Función | Cómo actúa | Limitación |
|---|---|---|
| Imagen térmica (49) | Calcula la temperatura con la corriente y una constante de tiempo; recuerda la carga previa | Requiere la constante de tiempo y la corriente admisible del equipo |
| Sobrecorriente temporizada (51) con arranque bajo | Curva tiempo-corriente fija | Sin memoria térmica: trata igual al equipo frío y al caliente |
| Temperatura medida (26 de aceite, 49 de devanado) | Indicadores de temperatura del transformador | Depende de su calibración |
| Fusibles e interruptores de baja tensión | Elemento térmico propio | Poca flexibilidad |
La sobrecorriente 51 se usa como sobrecarga cuando el relé no tiene imagen térmica, en alimentadores donde el límite es el cable o como respaldo de la 49. Funciona, pero con un compromiso: si su arranque está cerca de la corriente admisible, dispara en picos normales; si está lejos, deja pasar sobrecargas largas que calientan el equipo. En transformadores, la medición directa de temperatura de aceite y devanado complementa a la imagen térmica y revela lo que el modelo no ve, como una falla de la refrigeración.
Dónde se aplica
- Motores de media tensión y de baja tensión en industria: es la aplicación principal. Incluye bloqueo de rearranque hasta que el motor se enfríe.
- Transformadores de potencia: protección o alarma por sobrecarga, complementaria a los indicadores de temperatura de aceite y devanado.
- Cables de potencia: alimentadores de media tensión donde la capacidad del cable es el límite.
- Generadores: sobrecarga del estátor.
- Reactores y bancos de condensadores.
Cómo funciona
El modelo más simple trata al equipo como un cuerpo homogéneo que se calienta con I² y se enfría hacia el ambiente con una constante de tiempo τ. El estado térmico θ se expresa en porcentaje: 100 % corresponde a la temperatura que alcanza el equipo con la corriente máxima permanente.
Con corriente constante, el tiempo de disparo que define IEC 60255-149 sigue la forma:
t = τ · ln[(I² − Ip²) / (I² − (k · IB)²)]
donde I es la corriente actual, Ip la corriente de carga previa (que representa el estado caliente), IB la corriente base y k el factor de sobrecarga permanente. Con Ip = 0 se obtiene la curva en frío; con Ip igual a la carga previa, la curva en caliente.
Sobre esa base cada relé agrega lo que necesita el equipo:
- Dos constantes de tiempo (cobre y hierro, o devanado y aceite) para seguir mejor el calentamiento de un transformador o un motor.
- Constante de enfriamiento distinta con el motor parado, porque sin ventilación se enfría más lento.
- Efecto de la secuencia negativa en motores: la corriente desbalanceada calienta más el rotor y se pondera en el modelo.
- Compensación por temperatura ambiente, medida con un RTD o ajustada fija.
- Alarma antes del disparo y bloqueo de rearranque en motores.
La medición puede usar el valor eficaz verdadero, que incluye armónicos, o solo la fundamental. Para calentamiento lo correcto es el valor eficaz.
Criterios de ajuste
- Corriente base: la corriente nominal del equipo en secundario, no la del CT. Es el error más común.
- Factor k: la sobrecarga permanente que el equipo admite según su placa, su factor de servicio o su capacidad de carga.
- Constantes de tiempo: del fabricante del motor, del transformador o del cable. Para transformadores, IEC 60076-7 e IEEE C57.91 tratan la carga y el calentamiento; para cables, la capacidad depende de la instalación.
- Temperatura ambiente de diseño y real.
- Coordinación con la curva de arranque del motor y con la 51, para que la 49 no opere en un arranque normal. Se define en el estudio de coordinación.
Las constantes de tiempo y los factores no son universales: salen de los datos del equipo y del manual del relé.
Cómo la implementa cada fabricante
- Siemens SIPROTEC ofrece protección de sobrecarga térmica para equipos generales y modelos específicos para motores y transformadores; se ajusta en DIGSI.
- SEL incluye modelos térmicos en relés de motor, alimentador y transformador, algunos con modelo propio de motor; se parametrizan en AcSELerator QuickSet.
- Relion (Hitachi Energy 670/650; ABB 615/620) separa bloques térmicos para alimentadores, motores y transformadores en PCM600.
- GE Vernova (Multilin) usa en sus relés de motor un modelo térmico con curvas propias y factor de desbalance; se ajusta en EnerVista.
- Schneider MiCOM / Easergy ofrece la imagen térmica con una o dos constantes; se configura en MiCOM S1 o Easergy Studio.
Cambian la base del porcentaje térmico, el número de constantes, la forma de reiniciar la memoria y si el modelo considera la secuencia negativa o el ambiente. El mismo motor necesita ajustes distintos en dos marcas.
Por qué dispara o bloquea
- Sobrecarga real: proceso trabado, bomba en mala condición, transformador cargado por encima de su capacidad.
- Corriente base mal ajustada: tomar la corriente del CT en lugar de la del equipo deja la 49 demasiado sensible o inútil.
- Constante de tiempo corta: dispara en arranques largos o en picos normales de carga.
- Memoria térmica alta tras arranques repetidos, después de un disparo o después de las pruebas.
- Desbalance de tensión: en motores con ponderación de secuencia negativa, el estado térmico sube más rápido.
- Armónicos en cargas con variadores, cuando el modelo usa valor eficaz y los ajustes no lo consideraron.
- Pérdida de ventilación en transformadores con ventilación forzada, que el modelo no refleja si no recibe la señal.
Qué revisar primero: el estado térmico registrado antes del evento, la corriente de carga real, la corriente base y la constante de tiempo ajustadas.
Cómo se prueba
Por inyección secundaria con un equipo de prueba de relés.
Se verifica:
- El tiempo de disparo con varias corrientes, partiendo del estado frío, y su comparación con la curva teórica del ajuste.
- El comportamiento en caliente: se inyecta una carga previa hasta estabilizar y luego la sobrecarga.
- El umbral de alarma y el bloqueo de rearranque.
- El enfriamiento: la caída del estado térmico al quitar la corriente.
Las pruebas son largas, porque las constantes de tiempo pueden ser de muchos minutos. Al terminar se reinicia la memoria térmica antes de devolver el relé al servicio.
¿Su relé disparó por la 49?
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Referencias
- IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations.
- IEC 60255-149, relés térmicos eléctricos: requisitos funcionales.
- IEC 61850-7-4, nodos lógicos (PTTR).
- IEEE C37.96, Guide for AC Motor Protection.
- IEEE C37.91, Guide for Protecting Power Transformers.
- IEC 60076-7 e IEEE C57.91, guías de carga de transformadores sumergidos en aceite.
- J. Lewis Blackburn y Thomas J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.
Preguntas frecuentes
¿Por qué la 49 disparó con una corriente menor que la del disparo anterior?
Porque el modelo térmico tiene memoria. Si el equipo venía caliente por una carga previa, el relé necesita menos tiempo para llegar al límite. Se revisa el estado térmico registrado antes del evento.
¿La 49 reemplaza a la protección 51?
No. La 51 protege contra cortocircuitos y coordina con otras protecciones; la 49 protege contra el calentamiento por sobrecarga sostenida. Se usan juntas, cada una para su fenómeno.
¿Por qué después de las pruebas el motor no quiso arrancar?
Es frecuente que la inyección deje la memoria térmica del relé alta y el bloqueo de rearranque activo. Antes de devolver el relé al servicio se reinicia el estado térmico según el procedimiento del fabricante.