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Falla a tierra del estator al 100 % (64S): cómo funciona

ANSI 64SIEC 61850: PHIZ

Por qué la 59N no cubre el neutro del generador y cómo lo resuelve la tierra del estator al 100 %: tercer armónico (27TN) e inyección de baja frecuencia.

Por Shadai García, CEO e ingeniero de protecciones de Tiza Group.

a la red52GG3V0 bornesTPT59N · 27TN64Sfiltroinyección 20 HzV 3.er arm.neutrobornes59N (≈ 95 %)27TN / 20 Hzperfil normal del 3.er armónicola 59N cubre desde bornes27TN e inyección cubren el neutrofalla a tierra junto al neutrocae el 3.er armónico en el neutrola 59N no la ve; la 64S sí: disparoreposicióntraslape: entre las dos cubren el 100 %IEC 61850PHIZPTRCGOOSEXCBR© tizagrp.coma la red52GG3V0 bornesTPT59N · 27TN64Sfiltroinyección 20 HzV 3.er arm.neutrobornes59N (≈ 95 %)27TN / 20 Hzperfil normal del 3.er armónicola 59N cubre desde bornes27TN e inyección cubren el neutrofalla a tierra junto al neutrocae el 3.er armónico en el neutrola 59N no la ve; la 64S sí: disparoreposicióntraslape: entre las dos cubren el 100 %IEC 61850PHIZPTRCGOOSEXCBR© tizagrp.com
Tierra del estator al 100 % (64S): 59N, tercer armónico e inyección. Ubicación en el sistema, principio de funcionamiento e IEC 61850. Ilustrativo: los valores reales salen de la placa y del manual del fabricante.
Respuesta corta

En un generador aterrizado por alta impedancia, la sobretensión de neutro 59N detecta las fallas a tierra en la mayor parte del devanado del estator, pero no las que ocurren cerca del neutro, donde la tensión es casi nula. La protección de tierra del estator al 100 % (64S; en IEC 61850, nodo PHIZ) cubre ese extremo con el tercer armónico que genera la propia máquina o inyectando una señal de baja frecuencia, que además funciona con la máquina parada.

Qué protege la protección 64S

Los generadores conectados a la red por un transformador elevador suelen tener el neutro aterrizado por una impedancia alta: un transformador de distribución con una resistencia en el secundario o una resistencia directa. Así una falla a tierra del estator tiene una corriente de pocos amperios y no quema el hierro. La contracara es que esa falla es difícil de ver.

La sobretensión de neutro 59N mide la tensión en el neutro. Si la falla ocurre en los bornes, esa tensión es la de fase; si ocurre a mitad del devanado, la mitad; y si ocurre a pocos por ciento del neutro, es tan pequeña que queda bajo el umbral. Por eso a la 59N se la llama en la práctica protección al 95 %: deja sin cubrir una franja junto al neutro cuyo tamaño depende del ajuste.

La 64S protege ese extremo del neutro. Una falla ahí no hace daño por sí sola, pero si aparece otra falla a tierra en otra parte del devanado, la corriente ya no está limitada por la resistencia de neutro y el daño al estator es severo.

Dónde se aplica

GeneradorBTMTAT y EATIndustriaComentario
Unidad conectada por elevador, neutro de alta impedanciaNo aplicaSí, es el caso típicoUnidades grandesCogeneración grandeLa 59N más la 64S cubren todo el devanado
Generador conectado directo a barra de MTNoSíNo aplicaSíOtras fuentes de tierra limitan el uso del tercer armónico
Generador de BT sólidamente aterrizadoLa falla se ve con corrienteNoNoGrupos de respaldoNo se usa
Hidrogenerador grandeNoSíSíNoInyección habitual

Principio de medida

Tercer armónico. Todo generador produce algo de tensión de tercer armónico, repartida entre el neutro y los bornes por las capacitancias del devanado. Con la máquina sana hay tercer armónico en ambos extremos. Si ocurre una falla cerca del neutro, el tercer armónico del neutro cae a casi cero. Hay dos variantes:

  • Subtensión de tercer armónico en el neutro (27TN): opera cuando el tercer armónico del neutro cae bajo un umbral. Se supervisa con la potencia o la tensión, para no operar cuando la máquina genera poco tercer armónico.
  • Diferencial o relación de tercer armónico: compara el tercer armónico del neutro con el de los bornes. Una falla en un extremo desequilibra la relación.

Su límite es la dependencia de la carga y del diseño de la máquina.

Inyección de baja frecuencia. Se inyecta una tensión de baja frecuencia en el circuito de neutro, a través del transformador de puesta a tierra o de un PT en delta abierta en bornes. El relé mide la corriente resultante y calcula la resistencia a tierra del estator. Siemens, por ejemplo, usa 20 Hz con un generador externo y un filtro pasabanda, y GE Vernova ofrece un módulo de 20 Hz para sus relés de generador. Cubre el 100 % del devanado, no depende del tercer armónico y funciona con la máquina parada.

La inyección necesita equipo adicional: el generador de la señal, un filtro que deja pasar la baja frecuencia y bloquea la fundamental, y la medida de la corriente inyectada. Esos equipos se alimentan del sistema auxiliar y forman parte de la protección: si la inyección se detiene, el relé debe alarmar, porque el extremo del neutro queda otra vez sin vigilancia.

La característica

El perfil de tensión de tercer armónico a lo largo del devanado ayuda a entenderlo: es mínimo en algún punto intermedio y sube hacia el neutro y hacia los bornes. Sobre ese perfil se superponen dos zonas:

  • 59N: desde los bornes hasta cerca del neutro, donde la tensión fundamental ya no alcanza el umbral.
  • 27TN o inyección: el tramo junto al neutro, con traslape con la 59N.

Para la inyección, la característica es una resistencia: alarma a un valor intermedio y disparo a un valor bajo, con retardos.

Criterios de ajuste

  • Tercer armónico: medir el tercer armónico del neutro y de los bornes en todo el rango de potencia activa y reactiva antes de ajustar, y fijar el umbral y la supervisión con esos datos.
  • Inyección: umbrales de resistencia según la recomendación del fabricante y el aislamiento de la máquina, compensando la capacitancia del devanado y de las conexiones.
  • Traslape con la 59N verificado.
  • Alarma o disparo: en unidades conectadas por elevador, la tierra del estator suele disparar, como describe IEEE C37.101.

Interacción con otras funciones

  • 59N: cubre la mayor parte del devanado; la 64S completa el resto.
  • Supervisión de PT (60): el tercer armónico de bornes depende de los PT; un fusible abierto desequilibra la relación.
  • Energización inadvertida: la inyección vigila el estator con la máquina parada, cuando la 59N no tiene tensión.
  • Relé de bloqueo 86: el disparo va al 86 del generador.
  • Diferencial 87G: no ve fallas a tierra de baja corriente; las cubren la 59N y la 64S. Ver diferencial de generador 87G.

Cómo la implementa cada fabricante

  • Siemens SIPROTEC (DIGSI): tierra del estator al 100 % por inyección de 20 Hz con generador y filtro externos, además de la de tercer armónico.
  • SEL (AcSELerator QuickSet): elementos de tercer armónico en los relés de generador y opción de inyección según el modelo.
  • Hitachi Energy y ABB Relion (PCM600): el REG670 ofrece tierra del estator al 100 % por inyección y por tercer armónico.
  • GE Vernova Multilin (EnerVista): módulo de inyección de 20 Hz para sus relés de generador, además del tercer armónico.
  • Schneider MiCOM: tercer armónico e inyección de baja frecuencia en los relés de generador.

Nodo lógico IEC 61850

La función se modela con PHIZ o con el nodo que defina el fabricante. Publica el arranque, la alarma, la operación y, en la inyección, la resistencia medida. El disparo pasa por PTRC al XCBR y al 86 del generador. Llevar la resistencia medida al sistema de monitoreo permite seguir el aislamiento del estator en el tiempo.

Cómo se prueba

En general:

  • Tercer armónico: con inyección secundaria de tensiones con contenido armónico controlado, y medición real del tercer armónico con la máquina en varios puntos de carga.
  • Inyección: con la máquina parada, se conectan resistencias de valor conocido entre el neutro o los bornes y tierra, y se verifica la medida, la alarma y el disparo.
  • Traslape con la 59N y disparo real a través del 86.

Errores típicos

  • Ajustar el tercer armónico sin medirlo en todo el rango de carga.
  • Copiar el ajuste de otra máquina de diseño distinto.
  • Filtro o generador de inyección sin alimentación después de un mantenimiento.
  • No compensar la capacitancia de los cables de la inyección.
  • Dejar la 64S en alarma en una máquina cuyo propietario exige disparo.

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Guías relacionadas

Referencias

  • IEEE C37.101, Guide for Generator Ground Protection: 59N, tercer armónico e inyección.
  • IEEE C37.102-2023, Guide for AC Generator Protection.
  • IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations: número 64 y 27.
  • IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes: nodo PHIZ.
  • Siemens, documentación del generador de 20 Hz 7XT33 para la tierra del estator al 100 %.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre la protección de tierra del estator al 95 % y al 100 %?

La del 95 % es la sobretensión de neutro 59N: mide la tensión que aparece en el neutro y no ve las fallas muy cerca del neutro porque allí la tensión es casi cero. La del 100 % agrega un método que sí las ve, como el tercer armónico o la inyección de baja frecuencia, y juntas cubren todo el devanado.

¿Por qué la protección por tercer armónico depende de la carga?

Porque el tercer armónico que genera la máquina cambia con la potencia activa, la reactiva y la tensión, y también con el diseño del generador. Si con alguna condición de carga el tercer armónico es muy bajo, la función puede bloquearse o perder sensibilidad. Por eso se mide en todo el rango de operación antes de ajustarla.

¿La inyección de 20 Hz funciona con el generador parado?

Sí. La inyección no depende de la tensión que genera la máquina, así que detecta una falla a tierra del estator con la máquina detenida, en arranque o en parada. Es una de sus ventajas frente al tercer armónico.

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