La protección de sobreexcitación (ANSI 24) vigila la relación entre tensión y frecuencia (V/Hz), que es proporcional al flujo magnético en el núcleo de transformadores y generadores. Cuando esa relación supera lo que el núcleo soporta, el hierro se satura, aparecen flujos de dispersión y calentamiento localizado, y la función alarma o dispara con un tiempo que depende de cuánto se excede el límite.
Qué es la protección 24 (sobreexcitación o V/Hz)
En un transformador o en un generador, el flujo magnético del núcleo es proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la frecuencia. Por eso la magnitud que interesa no es la tensión sola, sino la relación V/Hz. Si la tensión sube con frecuencia nominal, o si la frecuencia baja con tensión nominal, el flujo aumenta. Pasado cierto punto el núcleo se satura, la corriente de excitación crece mucho, el flujo se escapa hacia piezas estructurales que no están laminadas y se producen calentamientos que dañan el aislamiento en minutos.
La función 24 calcula V/Hz en por unidad de los valores nominales y actúa cuando se supera el umbral.
- ANSI/IEEE C37.2: función 24, relé de volts por hertz.
- IEC 61850: nodo lógico PVPH (protección de volts por hertz).
- IEC 60617: símbolo U/f>.
Dónde se aplica
- Generadores y transformadores elevadores, donde es una protección casi obligatoria. Las guías de protección de generadores la tratan como básica.
- Transformadores de potencia de subestación, sobre todo los conectados a redes que pueden quedar con sobretensión tras un rechazo de carga o en una isla.
- Plantas solares y eólicas con transformador elevador, cuando la red o el control de la planta puede llevar la tensión arriba.
- Industria con generación propia que arranca y se sincroniza con frecuencia.
Cómo funciona
El relé mide una tensión (de fase o de línea, según la conexión), calcula la frecuencia y obtiene la relación:
V/Hz (pu) = (V medida / V nominal) / (f medida / f nominal)
Con ese valor aplica dos tipos de elementos:
- Tiempo definido: uno o dos escalones, normalmente uno de alarma y otro de disparo.
- Tiempo inverso: una curva en la que el tiempo de disparo disminuye a medida que la sobreexcitación aumenta. Algunos relés traen curvas predefinidas y otros permiten una curva por puntos que reproduce la curva de capacidad del fabricante del equipo.
Muchos relés incluyen un modelo térmico con memoria: si la condición se repite, el tiempo acumulado cuenta y el relé dispara antes. El tiempo de reposición de esa memoria también se ajusta.
La sobreexcitación se relaciona con la protección diferencial de transformador 87T: la corriente de excitación de un núcleo sobreexcitado tiene un contenido alto de quinto armónico, y la 87T suele usarlo para bloquearse y no confundir esa condición con una falla interna. Para entender cómo se comporta la corriente de excitación conviene revisar la prueba de corriente de excitación en transformadores.
Criterios de ajuste
Los valores salen de la capacidad declarada por el fabricante del equipo, no de un número genérico:
- Curva de capacidad V/Hz del fabricante del transformador y del generador. Cuando un generador alimenta su transformador elevador, se ajusta con la curva más restrictiva de los dos, referida a una misma base.
- Base de tensión: debe coincidir con la tensión nominal del equipo protegido, que no siempre es la tensión nominal del sistema. Si el transformador tiene tomas, hay que decidir qué toma se usa como referencia.
- Alarma por debajo del disparo, para que el operador o el regulador corrijan antes de perder la unidad.
- Coordinación con el regulador automático de tensión (AVR) y con su limitador V/Hz: el limitador debe actuar primero y la 24 queda como respaldo.
- Transformador de tensión que alimenta la función y comportamiento ante pérdida de potencial.
Las normas de transformadores y generadores establecen la capacidad mínima para operar por encima de la tensión nominal en condiciones definidas; los valores aplicables dependen de la norma de fabricación y del dato de placa. Los ajustes finales se confirman en el estudio de coordinación.
Cómo la implementa cada fabricante
- Siemens SIPROTEC (7UT para transformadores, 7UM para generadores) con DIGSI: elementos de tiempo definido y una característica térmica configurable.
- SEL (por ejemplo SEL-300G, SEL-700G, SEL-487E) con AcSELerator QuickSet: escalones de tiempo definido y curvas inversas, incluida una curva definida por el usuario en algunos modelos.
- Relion: Hitachi Energy (RET670, REG670) y ABB (RET615), con PCM600: la función se agrega como bloque y su curva se elige entre predefinidas o una tabla de puntos.
- GE Vernova (Multilin T60, G60, 845) con EnerVista: elementos V/Hz con curvas y lógica de reposición propia.
- MiCOM P34x y P64x (Easergy MiCOM de Schneider Electric y MiCOM Agile de GE Vernova) con Easergy Studio o MiCOM S1 Agile: escalones con características seleccionables.
Lo que cambia entre marcas es cómo se define la base, si la tensión es de fase o de línea, la forma de las curvas y cómo se comporta la memoria térmica. Un mismo ajuste en por unidad puede dar tiempos distintos en dos marcas.
Por qué dispara o bloquea
Causas de operación que vemos con frecuencia:
- Arranque o parada de generadores con el regulador en automático y la máquina por debajo de la velocidad nominal.
- Rechazo de carga que eleva la tensión antes de que el regulador responda.
- Falla del regulador de tensión o pérdida de su señal de realimentación, que lo lleva a excitación máxima.
- Operación con una toma inadecuada del transformador o tensión de red alta por condiciones de baja carga.
- Islas eléctricas donde la frecuencia cae y la tensión se mantiene.
Causas de disparos indebidos o de mediciones raras:
- Base de tensión mal ingresada o confusión entre tensión de fase y de línea.
- Relación del transformador de tensión equivocada.
- Memoria térmica que no se repuso entre dos eventos seguidos.
Lo primero es revisar en el registro la tensión y la frecuencia en el momento del disparo y compararlas con la base configurada.
Cómo se prueba
Con inyección secundaria y un equipo como el Omicron CMC 356 se varía la tensión, la frecuencia o ambas para recorrer la característica. En general se verifica:
- El umbral de arranque en V/Hz, variando tensión con frecuencia nominal y frecuencia con tensión nominal.
- Los tiempos de operación de los escalones definidos y varios puntos de la curva inversa.
- La memoria térmica y su tiempo de reposición.
- La alarma, el disparo y su asignación a las salidas correctas.
En generadores conviene confirmar que el limitador V/Hz del regulador actúa antes que el relé. Más contexto en el generador síncrono y sus protecciones.
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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 C37.91, Guide for Protecting Power Transformers.
- IEEE C57.12.00, General Requirements for Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers.
- IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes.
- J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.
Preguntas frecuentes
¿Por qué disparó la 24 durante el arranque del generador?
Si el regulador de tensión lleva la máquina a tensión nominal mientras la velocidad todavía es baja, la relación V/Hz sube por encima del límite aunque la tensión parezca normal. Revise la rampa de excitación, el límite V/Hz del regulador y la frecuencia registrada en el evento.
¿La 24 y el bloqueo por quinto armónico de la 87T son lo mismo?
No. El bloqueo por quinto armónico evita que la diferencial dispare por la corriente de excitación de un transformador sobreexcitado. La 24 es la función que protege el núcleo y decide si esa condición dura demasiado.
¿Por qué la 24 mide un valor de V/Hz distinto al que calculé?
Lo más común es que el valor base del relé no coincida con la tensión nominal del equipo protegido, o que el relé use tensión de fase a fase cuando usted calculó con fase a neutro, o al revés. Confirme la base, el tipo de tensión medida y la relación del transformador de tensión.