La diferencial de alta impedancia conecta en paralelo los transformadores de corriente de todas las fronteras de una zona y mide la tensión que aparece en ese punto común con un relé de alta impedancia. Ante una falla externa, aunque un CT se sature, la tensión queda por debajo del ajuste; ante una falla interna, la corriente diferencial solo puede circular por el relé y la tensión sube hasta dispararlo. Se usa en barras, falla a tierra restringida, reactores y motores, y exige CT de la misma relación y de clase PX.
Qué protege la diferencial de alta impedancia
Es una forma de construir la protección diferencial 87 pensada para un problema concreto: la saturación del transformador de corriente (CT) durante una falla externa. En una barra con muchas bahías, la falla externa en un circuito hace que toda la corriente de las demás bahías pase por un solo CT, que puede saturarse. Con una diferencial simple, esa saturación aparece como corriente diferencial falsa.
El esquema de alta impedancia protege barras, devanados de transformador en falla a tierra restringida, reactores en derivación y motores grandes contra fallas internas, con disparo rápido y sin disparos por saturación ante fallas externas.
- ANSI/IEEE C37.2: 87, con la letra del equipo (87B, 87N, 87M).
- IEC 61850: nodo lógico PDIF.
- IEC 60617: el símbolo de relé diferencial; en planos suele acompañarse de la resistencia estabilizadora y el varistor.
Dónde se aplica
| Equipo | BT | MT | AT y EAT | Industria | Comentario |
|---|---|---|---|---|---|
| Barras | No | Celdas con CT dedicados | Clásica en barras sencillas e interruptor y medio | Subestaciones de planta | Difícil en doble barra, por la conmutación de CT |
| Falla a tierra restringida (87N) | No | Sí | Sí | Transformadores de planta | Fases y neutro del mismo devanado |
| Reactores en derivación | No | Poco común | Sí | No aplica | Fases y neutro del reactor |
| Motores | No | Motores grandes, con CT de autobalance o por fase | No aplica | Sí | Alternativa a la 87M porcentual |
| Generadores | No | Generadores medianos | Poco común | Cogeneración | Hoy domina la porcentual |
| Transformador completo (87T) | No | No | No | No | Las relaciones y el grupo vectorial la impiden |
Principio de medida
Los CT de todas las fronteras de la zona, de la misma relación, se conectan en paralelo en un punto común. Entre los dos conductores de ese punto va el relé, que es un elemento de tensión, en serie con una resistencia estabilizadora. En paralelo se instala un varistor, una resistencia no lineal que limita la tensión.
Falla externa. La corriente entra por un CT y sale por otro; en el punto común se cancela y el relé casi no ve tensión. Si el CT de la bahía en falla se satura del todo, su impedancia de magnetización cae y se comporta como su resistencia de devanado más la del cableado. Los CT sanos empujan su corriente a través de ese camino, y la tensión en el punto común queda limitada a esa corriente por esa resistencia. El ajuste del relé se fija por encima de esa tensión, así que no dispara.
Falla interna. Todas las corrientes van hacia la zona y no tienen por dónde volver salvo por el relé. Como el relé tiene alta impedancia, la tensión sube hasta superar el ajuste y dispara. El varistor recorta la tensión para que no alcance valores peligrosos.
Esta es la razón de su estabilidad: no depende de algoritmos ni de detectores de saturación, sino de cómo se reparte la corriente en el circuito.
La característica
La característica es de tensión, no de pendiente:
- Tensión de ajuste: mayor que la tensión máxima que puede aparecer en el relé con falla externa y un CT saturado. Esa tensión depende de la falla externa máxima, de la resistencia del devanado del CT y de la del cableado más largo.
- Sensibilidad primaria: la corriente de falla interna mínima que hace operar el relé. Incluye la corriente del relé y la de magnetización de todos los CT a la tensión de ajuste, y, si hay, la del varistor. Por eso, a más bahías, menos sensibilidad.
- Tensión de codo de los CT: debe ser claramente mayor que la tensión de ajuste, para que los CT sanos puedan llevar la corriente de falla interna hasta el relé.
Criterios de ajuste
Los criterios generales, sin valores de proyecto:
- La tensión de ajuste se calcula con la falla externa máxima y el peor CT saturado, con un margen de seguridad.
- La tensión de codo de los CT se compara con la de ajuste, según la recomendación del fabricante del relé.
- La sensibilidad primaria se verifica contra la falla interna mínima, en especial en falla a tierra con neutros aterrizados por impedancia.
- El varistor se elige según la tensión máxima de falla interna.
IEEE C37.234 describe la aplicación en barras e IEEE C37.110 los requisitos de los CT. La carga del CT es una herramienta gratuita que ayuda a estimar la resistencia del lazo.
Interacción con otras funciones
- Supervisión del circuito de CT: un CT abierto en servicio deja una corriente de carga sin camino de retorno y aparece tensión en el relé. Se usa un elemento de supervisión sensible que alarma y, en barras, cortocircuita el bus de CT.
- Zona de chequeo: en barras, a veces se agrega una zona global que debe confirmar el disparo.
- Relé de bloqueo 86: el disparo va a todas las bahías de la zona a través del 86.
- Falla de interruptor 50BF: arranca con el disparo de la zona.
Cómo la implementa cada fabricante
- Siemens: relés de alta impedancia y unidades de resistencia y varistor externos, además de la diferencial porcentual en SIPROTEC.
- SEL: elementos de alta impedancia en relés de barras y de transformador, con resistencia interna o externa según el modelo.
- Hitachi Energy y ABB Relion (PCM600): función de diferencial de alta impedancia en las series 670 y 650, con unidades de resistencia y varistor.
- GE Vernova Multilin: relés de alta impedancia y elementos dentro de los multifunción.
- Schneider MiCOM: funciones de alta impedancia para falla a tierra restringida y barras.
Nodo lógico IEC 61850
La función se modela con PDIF, igual que la porcentual. El nodo publica el arranque (Str) y la operación (Op), el disparo pasa por PTRC y llega por GOOSE o por salida física al XCBR de cada interruptor de la zona. La supervisión del circuito de CT suele publicarse como alarma separada.
Cómo se prueba
En general, con inyección secundaria y pruebas a los CT:
- La tensión de operación del relé y su tiempo.
- La curva de excitación y el punto de rodilla de cada CT, comparados con la tensión de ajuste. Lo describe pruebas de excitación en transformadores de corriente.
- La resistencia de los devanados de los CT y del cableado.
- La polaridad de todos los CT con inyección primaria.
- La sensibilidad primaria, inyectando en primario por cada bahía.
Errores típicos
- CT de relación o clase distinta en una de las bahías.
- Ajuste calculado con la resistencia del cableado más corto, no del más largo.
- Sensibilidad no verificada al añadir bahías nuevas a una barra existente.
- Varistor ausente o mal dimensionado.
- Usar CT compartidos con medida u otras protecciones, que alteran el circuito.
- Polaridad de un CT invertida, que aparece como falla interna con la primera corriente de carga.
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Guías relacionadas
- Diferencial de barras 87B
- Falla a tierra restringida 87N
- Diferencial de motor 87M
- Esquemas de protección de barras
- Pruebas de excitación en CT
Referencias
- IEEE C37.234-2021, Guide for Protective Relay Applications to Power System Buses: diferencial de barras de alta impedancia.
- IEEE C37.110-2023, Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes: requisitos de los CT.
- IEC 61869-2, Instrument transformers – Part 2: Additional requirements for current transformers: clase PX.
- IEC 60255-187-1, Functional requirements for differential protection.
- IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes: nodo PDIF.
Preguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre la diferencial de alta y de baja impedancia?
La de alta impedancia suma las corrientes en el cableado, con todos los CT en paralelo, y mide una tensión; su estabilidad ante la saturación viene del circuito. La de baja impedancia, o porcentual, recibe cada CT por separado y compara la diferencial contra una restricción calculada por el relé. La de alta impedancia exige CT dedicados e iguales; la porcentual acepta relaciones distintas.
¿Para qué sirve el varistor en una diferencial de alta impedancia?
Limita la tensión que aparece en los secundarios durante una falla interna severa. Sin él, la alta impedancia del relé haría que los CT desarrollaran tensiones de pico peligrosas para el aislamiento del cableado y del propio relé.
¿Se pueden usar CT de distinta relación en una diferencial de alta impedancia?
No es lo normal. El esquema supone que todos los CT tienen la misma relación y características parecidas, porque las corrientes se suman directamente en el cableado. Por eso se especifican CT dedicados, de la misma relación y clase PX o equivalente.