La protección diferencial de motor (ANSI 87M, nodo lógico PDIF en IEC 61850) compara la corriente que entra por los terminales de cada fase con la que sale por el lado del neutro. Una diferencia indica una falla en el devanado del estator o en los cables entre los CT, y el relé dispara el interruptor o contactor en pocos ciclos. Se usa en motores grandes o críticos de media tensión que tienen accesibles los dos extremos de cada fase.
Qué es la protección 87M (diferencial de motor)
En un motor de media tensión con los seis terminales accesibles, cada fase del estator tiene un extremo de línea y un extremo de neutro. Sin falla, la corriente que entra por uno sale por el otro, también durante el arranque. La protección diferencial de motor mide ambos extremos con transformadores de corriente (CT) y dispara si aparece una diferencia: esa corriente se está yendo a una falla en el devanado o en los cables dentro de la zona.
Se identifica así:
- ANSI/IEEE C37.2: 87, con el sufijo M por costumbre (87M).
- IEC 61850: nodo lógico PDIF.
La 87M despeja fallas internas en pocos ciclos y con sensibilidad alta, sin tener que esperar a que la sobrecorriente distinga entre una falla y la corriente de arranque. Eso limita el daño al hierro del estator, que es lo más costoso de reparar.
Dónde se aplica
- Motores de inducción y síncronos de media tensión en industria: bombas, compresores, ventiladores, molinos y trituradoras.
- Motores críticos de plantas de generación (bombas de alimentación, ventiladores de tiro) y de estaciones de bombeo.
- Motores donde la falla entre fases tiene una corriente cercana a la de arranque, y la sobrecorriente 50/51 no logra separarlas con buena sensibilidad.
La guía IEEE C37.96 trata cuándo se justifica según el tamaño, el tipo de sistema de puesta a tierra y la criticidad del motor. La decisión final es del usuario y de su filosofía de protección. La protección completa de un motor se resume en motor de inducción y sus protecciones.
Cómo funciona
Hay dos esquemas habituales:
Diferencial porcentual. Usa seis CT, tres del lado de línea (a menudo en la celda) y tres del lado del neutro (en la caja de bornes del motor). El relé calcula por fase una corriente diferencial, como suma fasorial de ambos extremos, y una corriente de restricción proporcional a la corriente pasante. Dispara cuando la diferencial supera una característica con umbral y pendiente. La restricción da estabilidad durante el arranque, cuando la corriente es varias veces la nominal y lleva una componente de corriente continua que puede saturar los CT de forma desigual.
Diferencial autobalanceada (self-balancing o de flujo compensado). Usa un CT toroidal por fase, instalado en el motor, por el que pasan los dos extremos del devanado en sentidos opuestos. Sin falla, los flujos se cancelan y el secundario no entrega corriente. Con falla, la diferencia aparece directamente en el secundario y la detecta un elemento de sobrecorriente instantáneo. Como los dos conductores pasan por el mismo núcleo, no hay error de relación entre CT, y el ajuste puede ser muy sensible. Su zona solo cubre el devanado, no el cable desde la celda.
| Aspecto | Diferencial porcentual | Diferencial autobalanceada |
|---|---|---|
| Transformadores de corriente | Seis CT: tres del lado de línea, a menudo en la celda, y tres del lado del neutro | Un CT toroidal por fase, por el que pasan los dos extremos del devanado |
| Medición | Diferencial y restricción por fase, con umbral y pendiente | Sobrecorriente instantánea sobre la corriente del secundario |
| Errores de CT | La restricción da estabilidad en el arranque ante la saturación desigual | No hay error de relación entre CT; el ajuste puede ser muy sensible |
| Zona | Entre los CT del lado de línea y los del neutro | Solo el devanado, no el cable desde la celda |
En ambos casos, el disparo abre el interruptor o el contactor del motor. Con contactores, el disparo debe coordinarse con su capacidad de interrupción.
Criterios de ajuste
- Corriente nominal y de arranque del motor, y el tiempo de arranque, de la hoja de datos y de mediciones reales.
- Relación, clase y carga de los CT de línea y de neutro. Para el esquema porcentual conviene que ambos juegos sean iguales y que soporten la corriente de arranque sin saturarse de forma desigual (IEEE C37.110).
- Falla mínima a detectar, según el sistema de puesta a tierra.
- Pendiente y umbral según la recomendación del fabricante y la experiencia en arranques del mismo motor.
- Interrupción con contactor: evitar que se ordene abrir corrientes superiores a su capacidad, coordinando con fusibles o con el interruptor aguas arriba.
Los valores concretos se definen en el estudio de coordinación de protecciones.
Cómo la implementa cada fabricante
- Siemens SIPROTEC (DIGSI) incluye la diferencial en relés de motor con entradas de corriente para ambos lados, o se resuelve con un relé diferencial dedicado.
- SEL (AcSELerator QuickSet) ofrece la diferencial porcentual y la opción de autobalanceo en relés de motor según el modelo y las entradas disponibles.
- ABB Relion (PCM600) la ofrece en ciertas variantes de sus relés de motor.
- GE Vernova (Multilin, EnerVista) la incluye en sus relés de motor con el juego adicional de entradas de corriente.
- Schneider MiCOM/Easergy la integra en modelos de motor de gama alta.
La diferencia práctica está en qué modelo tiene las seis entradas de corriente, cómo se define la restricción, si el esquema autobalanceado se ajusta como una diferencial o como una sobrecorriente, y cómo se integra con la lógica de arranque. Confirmar la referencia exacta del relé es el primer paso.
Por qué dispara o bloquea
- Disparo en el arranque: saturación desigual de los CT de distinta clase o carga, cables secundarios muy largos hacia la caja de bornes del motor o restricción insuficiente.
- Disparo con el motor en marcha: polaridad invertida en un juego de CT, fases cruzadas entre la celda y el motor o relación mal cargada. Con el motor en carga, la diferencial medida debe ser casi nula.
- Disparo real por falla interna: humedad, contaminación o envejecimiento del aislamiento. Antes de volver a arrancar hay que medir el aislamiento del devanado.
- Disparo del esquema autobalanceado: CT toroidal mal instalado (con un solo conductor o con la pantalla del cable mal tratada).
- Circuito de CT abierto después de un mantenimiento en la caja de bornes.
Lo primero es descargar el registro oscilográfico del evento y comparar fase por fase las corrientes de ambos lados.
Cómo se prueba
Con inyección secundaria, con una maleta como la Omicron CMC 356, se verifica en general el umbral, la característica porcentual en todas las fases, la estabilidad con corriente pasante semejante a la de arranque, los tiempos y el disparo real al interruptor o contactor. En el esquema autobalanceado se inyecta corriente primaria por el toroide para confirmar la relación y la operación. En la puesta en servicio se revisa la diferencial con el motor arrancando y en carga.
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Referencias
- IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms and Contact Designations.
- IEEE C37.96, Guide for AC Motor Protection.
- IEC 60255-187-1, Functional requirements for differential protection (motores, generadores y transformadores).
- IEC 61850-7-4, modelos de nodos lógicos (PDIF).
- IEEE C37.110-2023, Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes.
- J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.
Preguntas frecuentes
¿Por qué disparó la 87M durante el arranque del motor?
Lo más común es que los CT de línea y de neutro se saturaran de forma desigual por la componente de corriente continua de la corriente de arranque. También ocurre con CT de distinta clase o carga, polaridad invertida o una restricción insuficiente para la corriente de arranque.
¿Qué es la diferencial autobalanceada de un motor?
Es un esquema con un CT toroidal por fase por el que pasan los dos extremos del devanado, en sentidos opuestos. El CT solo entrega corriente si hay diferencia, lo que permite un ajuste muy sensible con un relé de sobrecorriente.
¿La 87M reemplaza a la 50/51 del motor?
No. La 87M solo ve fallas dentro de su zona. La sobrecorriente, la sobrecarga térmica, el desbalance y la falla a tierra siguen siendo necesarias para el resto de condiciones.