Sobretensión de neutro 59N (3V0): qué es y cómo funciona

Respuesta corta

La 59N mide la tensión residual (3V0) y opera cuando supera un ajuste durante un tiempo. Detecta fallas a tierra donde la corriente es muy pequeña, como en redes de neutro aislado o generadores puestos a tierra por alta impedancia, aunque por sí sola no indica en qué circuito está la falla.

Qué es la protección 59N (sobretensión residual)

La 59N es una protección de sobretensión que mide la tensión residual o de neutro, es decir, la suma fasorial de las tres tensiones fase a tierra (3V0). En un sistema sano y equilibrado esa suma es casi cero. Cuando una fase hace contacto con tierra, el neutro se desplaza y aparece una tensión residual importante.

En ANSI/IEEE C37.2 corresponde al número 59 con el sufijo N (neutro). En IEC 61850 se modela, en la mayoría de los relés, con el mismo nodo lógico de sobretensión PTOV, aplicado a la magnitud residual. En la literatura IEC es común verla como «U0>» o «UN>». En generadores se usa a veces la designación 59GN o 64G.

Su ventaja es que no depende de la corriente de falla. Por eso sirve justo donde esa corriente es muy pequeña y las protecciones de sobrecorriente no la ven.

Dónde se aplica

Redes de media tensión con neutro aislado o puesta a tierra por alta impedancia, comunes en industria y en algunos sistemas de distribución. Detecta la falla a tierra, generalmente como alarma, porque la red puede seguir operando un tiempo con una fase a tierra.
Generadores puestos a tierra por alta impedancia, con transformador de distribución y resistencia en el neutro. La 59N mide la tensión en esa resistencia y protege el estator contra fallas a tierra. IEEE C37.102 la describe como la protección básica de falla a tierra del estator en este esquema.
Barras y transformadores con devanado en delta, donde no hay una fuente de corriente de secuencia cero.
Respaldo de la protección de tierra de los alimentadores en subestaciones.
Plantas solares con transformadores de bloque en delta del lado de la red, donde se necesita detectar fallas a tierra en el lado de alta tensión.

Para entender de dónde sale la tensión residual, vea la guía de corriente de secuencia cero.

Cómo funciona

El relé puede obtener la tensión residual de dos formas:

Medida directa desde un PT en delta abierta (o «delta rota»), cuyos tres secundarios se conectan en serie. La tensión en sus terminales es proporcional a 3V0.
Calculada a partir de las tres tensiones fase a tierra, que deben venir de PT conectados en estrella con neutro a tierra.

En generadores se mide la tensión en la resistencia del neutro, a través del transformador de puesta a tierra.

La característica es casi siempre de tiempo definido, con una o dos etapas. Algunos relés ofrecen curva inversa. Muchos permiten filtrar solo la componente fundamental, lo que es necesario en generadores, porque en condiciones normales aparece tensión de tercer armónico en el neutro.

En un generador, la tensión en el neutro durante una falla a tierra es proporcional a la distancia de la falla al neutro. Una falla en bornes produce la tensión completa de fase; una falla cerca del neutro produce muy poca. Por eso la 59N cubre la mayor parte del devanado y deja sin cubrir una franja cercana al neutro, cuyo tamaño depende del ajuste. Esa franja se protege con funciones de tercer armónico o con inyección de tensión subarmónica, según el fabricante.

Criterios de ajuste

Arranque: por encima de la tensión residual que existe en operación normal (desbalance de capacitancias, asimetrías de los PT, armónicos) y por debajo de la que produce la falla más lejana o de mayor resistencia que se quiere detectar.
Tiempo: en generadores, coordinado con las protecciones de tierra del sistema conectado, porque una falla a tierra en el lado de alta tensión del transformador elevador puede transferir algo de tensión residual por la capacitancia entre devanados. En redes aisladas, coordinado con las protecciones selectivas de los alimentadores.
Alarma o disparo: en redes aisladas suele ser alarma con disparo diferido; en generadores, disparo.
Relación del PT: en delta abierta la tensión secundaria depende de la relación de cada PT; un error en ese dato es frecuente.

Estos valores salen del estudio de coordinación de protecciones y de los datos de capacitancia de la red o del generador.

Cómo la implementa cada fabricante

Siemens SIPROTEC (DIGSI) la ofrece como sobretensión de tensión residual o de neutro, con elección entre magnitud medida o calculada.
SEL (AcSELerator QuickSet) diferencia entre elementos de secuencia cero calculada y elementos de neutro medido, sobre todo en relés de generador.
Relion (Hitachi Energy 670/650; ABB 615/620) (PCM600) la incluye como función de sobretensión residual de varias etapas.
GE Vernova (Multilin, EnerVista) la ofrece como sobretensión de neutro o auxiliar según la entrada usada.
Schneider MiCOM/Easergy (MiCOM S1 o Easergy Studio) la incluye como desplazamiento de tensión de neutro.

La gran diferencia está en la fuente de la medida (entrada dedicada o calculada) y en cómo el relé escala la tensión de la delta abierta. Un ajuste correcto en una marca puede ser tres veces más alto o más bajo en otra si no se revisa ese escalado.

Por qué dispara o bloquea

Fusible fundido de un PT cuando 3V0 se calcula: la tensión de esa fase desaparece y aparece una tensión residual grande. Debe existir supervisión de fusibles que bloquee la función.
Ferrorresonancia en PT inductivos conectados a una red aislada, típicamente después de una maniobra o al despejarse una falla a tierra. Se previene con una resistencia de amortiguamiento en la delta abierta, según indique el fabricante del PT.
Desbalance capacitivo en redes de cables largos o con filtros, que eleva la tensión residual normal.
Tercer armónico en generadores, si el filtro de fundamental no está activo.
Polaridad o conexión errada de la delta abierta: un secundario invertido produce tensión residual permanente.
Fallas a tierra intermitentes en cables, que producen arranques repetidos sin llegar al tiempo de disparo.

Lo primero que debe revisar es el registro de las tres tensiones de fase. En redes aisladas o puestas a tierra por alta impedancia, si una cae a cero y las otras dos no suben, el problema está en el circuito de tensión y no en la red. En una red sólidamente puesta a tierra una falla franca a tierra produce esa misma imagen: compare con la corriente 3I0; si hubo 3I0, fue una falla real.

Primera lectura de un disparo o una alarma de la 59N

¿Qué muestran las tres tensiones de fase?
- Una cae a cero y las otras no suben¿Cómo está puesta a tierra la red?
  - Aislada o por alta impedanciaProblema del circuito de tensión, como el fusible de un PT con 3V0 calculada
  - Sólidamente puesta a tierraCompare con la corriente 3I0; si hubo 3I0, fue una falla a tierra real; si no, revise el circuito de tensión
- Una cae y las otras subenFalla a tierra en la red, con el neutro desplazado
- 3V0 permanente sin fallaPolaridad o conexión de la delta abierta, desbalance capacitivo o tercer armónico sin filtrar

Cómo se prueba

Con inyección secundaria, por ejemplo con un Omicron CMC 356, se verifica:

Arranque, reposición y tiempo de cada etapa, inyectando directamente en la entrada residual o desbalanceando las tres tensiones de fase si la magnitud es calculada.
La respuesta al tercer armónico, si el relé debe ignorarlo.
El bloqueo por falla de fusible.
La coherencia entre la tensión calculada y la medida, cuando el relé tiene ambas.

En la puesta en servicio conviene verificar la polaridad de los PT y la conexión de la delta abierta. La guía de verificación de polaridad en transformadores de voltaje explica cómo hacerlo.

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Guías relacionadas

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 C37.101, Guide for Generator Ground Protection.
IEC 60255-127, Functional requirements for over/under voltage protection.
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 aparece tensión residual y alarma 59N sin que haya falla a tierra?

Las causas habituales son un fusible fundido del transformador de tensión cuando 3V0 se calcula, la ferrorresonancia en PT de redes aisladas y el desbalance natural de capacitancias. Revise primero si las tres tensiones de fase son coherentes y si hubo una maniobra justo antes.

¿La 59N me dice cuál alimentador tiene la falla?

No. Toda la red conectada galvánicamente ve la misma tensión residual. Para seleccionar el circuito se usa una protección direccional de tierra (67N) o de corriente residual sensible en cada alimentador.

¿Qué parte del estator protege la 59N de un generador?

Protege la mayor parte del devanado desde los bornes hacia el neutro. Cerca del neutro la tensión de falla es baja y la 59N no la ve; esa zona se cubre con otra función, por ejemplo una basada en el tercer armónico o en inyección.