Protección por RTD 38 y 49: cojinetes y devanados

Respuesta corta

La protección por RTD mide la temperatura real de los devanados y de los cojinetes de un motor o un generador con sensores de resistencia, normalmente Pt100, y da alarma o disparo cuando un valor supera su umbral. Cubre la función 38 (protección de cojinetes) y la parte medida de la 49 (térmica de la máquina), y corrige la imagen térmica calculada con la corriente. En IEC 61850 se asocia al nodo STMP.

Qué protege la protección por RTD

Un RTD (detector de temperatura por resistencia) es un sensor cuya resistencia cambia con la temperatura. Instalado dentro de la máquina, permite al relé medir el calor real donde se produce el daño:

Devanados del estator. El aislamiento envejece más rápido cuanto más caliente trabaja. Un sobrecalentamiento sostenido acorta la vida del motor o del generador.
Cojinetes. Un cojinete que pierde lubricación o se desgasta se calienta antes de fallar. Detectarlo a tiempo evita que el eje se dañe.
Aire de refrigeración, aceite y ambiente, como referencias para el modelo térmico.

En IEEE C37.2 el número 38 es el dispositivo de protección de cojinetes: opera por temperatura excesiva del cojinete u otras condiciones mecánicas anormales que terminarían en su falla. El 49 es el relé térmico de la máquina o del transformador. Los RTD del estator alimentan la parte medida de la 49; la parte calculada con la corriente se explica en sobrecarga térmica 49.

No es una protección contra fallas eléctricas: reacciona a una condición anormal que se desarrolla en minutos u horas.

Dónde se aplica

Equipo	BT	MT	AT	Comentario
Motores de inducción y síncronos	En motores grandes; en los pequeños es más común el termistor PTC	Sí, en estator y cojinetes	No aplica	Aplicación principal
Generadores	Grupos de emergencia grandes	Sí	Sí, con bornes en MT y transformador elevador a AT	Estator, cojinetes y aire de refrigeración
Bombas, ventiladores y compresores accionados	Según el equipo	Sí, en los cojinetes de la máquina accionada	No aplica	El relé del motor puede vigilar también los de la carga
Transformadores	No aplica	Indicadores propios	Indicadores propios	Se tratan con la función 26 y los indicadores de temperatura

En transformadores, la temperatura del aceite y la imagen térmica del devanado tienen sus propios indicadores, descritos en indicadores de temperatura del transformador y en protecciones mecánicas 63 y 26.

Principio de medida

El sensor más usado es el Pt100 de IEC 60751: platino con 100 Ω a 0 °C y una resistencia que crece casi en línea recta con la temperatura. Algunos relés aceptan también sensores de níquel o de cobre; el tipo se selecciona en el relé.

Conexión a tres hilos. El relé mide la resistencia del cableado con el tercer hilo y la descuenta, suponiendo que los conductores son iguales. Con dos hilos, la resistencia del cable se suma a la del sensor y aparece como temperatura.
Módulo de RTD. Las entradas pueden estar en el propio relé o en un módulo externo cerca del motor, conectado al relé por fibra óptica, lo que acorta el cableado de los sensores.
Grupos. El relé agrupa los RTD por ubicación: estator, cojinetes, ambiente y otros. Es habitual encontrar dos RTD por fase en el estator y uno por cojinete.

La característica

Cada RTD o grupo tiene dos umbrales de temperatura, cada uno con su retardo:

Alarma, por encima de la temperatura normal de trabajo.
Disparo, por debajo del límite de la clase térmica del aislamiento o del cojinete.

Se dibuja en el plano temperatura contra tiempo: la lectura sube, cruza la alarma y, si sigue subiendo, cruza el disparo.

Votación. Para el disparo se puede exigir que dos o más RTD del grupo superen el umbral. Así un sensor defectuoso no saca el motor.

Falla de sensor. Una lectura de circuito abierto (resistencia muy alta) o de cortocircuito (muy baja) se declara falla del RTD: da alarma y saca ese sensor de la protección.

Corrección de la imagen térmica. El relé compara la temperatura del estator más caliente con la que calcula su modelo de la 49 y usa la mayor. Si la refrigeración falla, el RTD lo ve aunque la corriente sea normal. Con el RTD de ambiente, algunos relés ajustan además los límites térmicos.

Criterios de ajuste

Estator: según la clase térmica del aislamiento (IEC 60034-1) y los datos del fabricante del motor, con la temperatura de trabajo real como referencia para la alarma.
Cojinetes: según el tipo de cojinete y el lubricante, con los valores del fabricante de la máquina.
Retardos: cortos frente a la constante térmica de la máquina, suficientes para filtrar ruido.
Votación: en los grupos con varios sensores, para el disparo.
Tipo de sensor igual al instalado.

Interacción con otras funciones

49: la temperatura medida corrige la imagen térmica calculada con la corriente.
66 y bloqueo de rearranque: una imagen térmica alta, corregida por los RTD, retrasa el siguiente arranque.
Rotor bloqueado 51LR y arranque prolongado 48: los RTD del estator responden lento y no protegen el rotor durante el arranque; para eso están la 48 y la 51LR.
Vibración (39): la supervisión de vibración es otra función, con otros sensores; ambas avisan del mismo daño en el cojinete por caminos distintos.
Salidas: las alarmas van al sistema de control del proceso; el disparo, al contactor o al interruptor del motor.

Cómo la implementa cada fabricante

ABB Relion 615: el REM615 mide los RTD con el nodo XRGGIO130 y usa la protección analógica multipropósito MAPGAPC para los umbrales de temperatura.
SEL: relés de motor con entradas de RTD internas o con módulos externos conectados por fibra; modela la información térmica con un nodo propio.
GE Vernova (Multilin), Siemens SIPROTEC y Schneider (MiCOM, Easergy): entradas de RTD en el relé o en unidades externas, con grupos, votación y corrección de la imagen térmica.

Las diferencias prácticas están en el número de entradas, los tipos de sensor admitidos, cómo se agrupan y votan y cómo entra la temperatura en el modelo de la 49.

Nodo lógico IEC 61850

IEC 61850-7-4 tiene el nodo STMP, de supervisión de temperatura. Se crea una instancia por cada sensor (representado por el nodo TTMP) y publica la temperatura (Tmp), la alarma (Alm) y el disparo (Trip), con sus umbrales. La imagen térmica de la 49 se modela con PTTR.

En la práctica, muchos fabricantes usan nodos genéricos o propios para las entradas de RTD. Antes de integrar las señales en un sistema de control conviene revisar el modelo de datos del relé. El disparo sigue la cadena hacia PTRC y el interruptor (XCBR).

Cómo se prueba

En general se verifica:

La lectura de cada entrada, simulando el sensor con una resistencia conocida y comparando con la tabla de IEC 60751.
Los umbrales de alarma y disparo y sus retardos.
La votación: que un solo RTD alto dé alarma y no disparo.
La detección de sensor abierto y en cortocircuito.
La corrección de la imagen térmica de la 49.

En sitio, con el motor frío después de una parada larga, todos los RTD deben leer una temperatura parecida a la del ambiente. Las pruebas del relé las hacemos con inyección secundaria y las del motor en pruebas a motores.

Errores típicos

Tipo de sensor mal seleccionado en el relé: la lectura queda desplazada en todo el rango.
Conexión a dos hilos con cables largos, que suma temperatura falsa.
Cables de RTD junto a cables de potencia o con la pantalla mal puesta a tierra: lecturas ruidosas.
Disparo por un solo RTD sin votación, que saca el motor por un sensor dañado.
Falla de sensor configurada como disparo.
Umbrales copiados de otra máquina, sin revisar la clase térmica ni el tipo de cojinete.
RTD de ambiente al sol o cerca de una fuente de calor.

Configuramos su relé de motor

¿Su relé muestra temperaturas raras o dispara por un RTD? Revisamos de forma remota la configuración de los sensores, los grupos, la votación y la corrección térmica. Díganos la marca y el modelo en configuración remota de relés o escríbanos.

Guías relacionadas

Referencias

IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations (dispositivos 38, 39 y 49).
IEEE C37.96, Guide for AC Motor Protection.
IEEE C37.102, Guide for AC Generator Protection.
IEC 60751, Industrial platinum resistance thermometers and platinum temperature sensors.
IEC 60034-1, máquinas eléctricas rotativas: clases térmicas y límites de temperatura.
IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes: nodos STMP, TTMP y PTTR.
ABB, REM615 Application Manual: entradas de RTD y protección analógica multipropósito.

Preguntas frecuentes

¿Por qué se usa votación entre RTD para el disparo?

Porque un sensor o un cable dañado puede dar una lectura falsa alta. Con votación, el relé exige que dos o más RTD del mismo grupo superen el umbral de disparo antes de abrir el interruptor. Un solo RTD alto da alarma, no disparo.

¿Qué pasa si se abre el cable de un RTD?

El relé lee una resistencia muy alta, que corresponde a una temperatura imposible, y lo declara como falla de sensor. Esa lectura no debe disparar: el relé da alarma y deja ese RTD fuera de la protección hasta que se repare.

¿La 49 por corriente no basta para proteger el motor?

La 49 calcula el calentamiento a partir de la corriente y supone una refrigeración normal. Si la ventilación se obstruye, el filtro se tapa o la temperatura ambiente sube, el motor se calienta más de lo que la corriente indica. Los RTD del estator miden ese calor real y corrigen el modelo.