La unidad direccional homopolar (67N) mide la corriente residual 3I0 y solo dispara si la falla a tierra está en la dirección ajustada. Decide comparando el ángulo entre 3I0 y una magnitud de polarización, normalmente 3V0, con un ángulo característico que depende de cómo está puesto a tierra el neutro.
Qué es la protección 67N (unidad direccional homopolar)
La unidad direccional homopolar es una sobrecorriente de tierra que, además de medir cuánta corriente residual circula, decide hacia dónde está la falla. Solo dispara si la falla a tierra está en la dirección ajustada, normalmente hacia la línea o el alimentador que protege, y se abstiene si la falla está detrás del relé.
En IEEE C37.2 es el dispositivo 67N: 67 es la sobrecorriente direccional y N indica que opera con la corriente residual. En IEC 61850 la función se modela con el nodo lógico de sobrecorriente PTOC junto con el elemento direccional RDIR; para la variante sensible en redes con neutro aislado o compensado existe el nodo PSDE.
Dónde se aplica
- Anillos, redes malladas y líneas en paralelo, donde la corriente de tierra puede atravesar el relé en ambos sentidos.
- Redes con varias fuentes de secuencia cero, es decir, con transformadores puestos a tierra en ambos extremos, incluidas las conexiones de plantas solares y de autogeneración.
- Redes de media tensión con neutro aislado o compensado (bobina Petersen), donde los alimentadores sanos aportan corriente capacitiva y un 51N no direccional podría dispararlos.
- Teleprotección de tierra en alta y extra alta tensión, como complemento de la distancia para fallas resistivas, en esquemas de comparación direccional.
Cómo funciona
La corriente de operación
La 67N opera con la corriente residual 3I0 = Ia + Ib + Ic, calculada por el relé, obtenida por conexión residual de los tres CT o medida con un CT toroidal. El concepto está en corriente de secuencia cero.
La polarización
Para saber la dirección, el relé compara 3I0 con una referencia que no cambie con la ubicación de la falla:
- Tensión residual 3V0, de un transformador de tensión en delta abierta o calculada a partir de las tres tensiones. Es la más común.
- Corriente de neutro de un transformador puesto a tierra, que siempre circula en el mismo sentido para fallas a tierra.
- Secuencia negativa (V2, I2), útil cuando 3V0 es muy pequeña o cuando hay acoplamiento mutuo de secuencia cero entre líneas paralelas.
- Polarización dual, que usa la referencia disponible.
La decisión
El relé compara el ángulo entre 3I0 y la magnitud de polarización con un ángulo característico (llamado RCA o MTA según el fabricante). Si la corriente cae dentro de la zona hacia adelante, supera el arranque y la condición dura el tiempo ajustado, dispara.
El ángulo depende de la puesta a tierra del neutro
| Neutro | Corriente de falla a tierra | Criterio usual |
|---|---|---|
| Sólido o efectivo | Inductiva | Ángulo próximo al de la impedancia de secuencia cero de la fuente |
| Por resistencia | Casi resistiva | Cercano a 0° |
| Aislado | Capacitiva y pequeña | Componente reactiva (criterio «sen φ») |
| Compensado | Componente activa muy pequeña | Componente activa («cos φ»), métodos transitorios o de admitancia |
La tabla es orientativa: la convención de signos (V0 o −V0, adelanto o atraso) cambia entre fabricantes.
Criterios de ajuste
Los valores salen del estudio de protecciones. Los criterios generales son:
- Arranque de 3I0 por encima del desbalance normal y del error residual de los CT, y por debajo de la falla a tierra mínima. Con neutro aislado o compensado suele hacer falta CT toroidal y una función sensible.
- Tensión mínima de polarización: por debajo de ella el relé no decide la dirección. Con fuente fuerte y falla lejana puede convenir polarizar por corriente o por secuencia negativa.
- Ángulo característico y ancho de zona, según la puesta a tierra del neutro.
- Tiempo o curva, coordinados con los demás relés de tierra según los criterios de ajuste de protecciones.
- Comportamiento ante falla de fusible del transformador de tensión: la pérdida de una tensión crea una 3V0 falsa, así que la 67N se bloquea o pasa a no direccional según el estudio.
Cómo la implementa cada fabricante
Todas las marcas ofrecen 67N, pero difieren en las opciones de polarización, la forma de la zona, la convención del ángulo y el nombre de los ajustes. Siemens SIPROTEC se configura con DIGSI, SEL con AcSELerator QuickSet, Relion (670/650: Hitachi Energy; 615/620: ABB) con PCM600, GE Vernova (Multilin) con EnerVista y Schneider MiCOM y Easergy con su propio software. Algunas marcas tienen además elementos específicos para redes compensadas, basados en transitorios o en admitancia. Por la diferencia de convenciones, el ángulo característico nunca se copia de una marca a otra sin revisar el manual.
Por qué dispara o se bloquea
| Síntoma | Causa típica | Qué revisar primero |
|---|---|---|
| Dispara con fallas externas y no con internas | Polaridad invertida de los CT o de la delta abierta | Polaridad en la puesta en servicio |
| Disparo sin falla a tierra | 3V0 falsa por fusible del transformador de tensión abierto junto con 3I0 de desbalance por encima del arranque | Supervisión de fusibles y arranque de 3I0 |
| No decide la dirección en fallas lejanas | 3V0 por debajo del umbral mínimo | Polarización por corriente o secuencia negativa |
| Operación incorrecta en líneas paralelas | Acoplamiento mutuo de secuencia cero | Polarización por secuencia negativa |
| No detecta fallas en red compensada | Criterio «sen φ» en lugar de «cos φ», o arranque alto | Método según el neutro |
Conviene recordar que la 67N ayuda con fallas resistivas, pero no es una protección de fallas de alta impedancia: un conductor caído sobre suelo seco necesita algoritmos específicos.
Cómo se prueba
Con inyección secundaria se simulan fallas a tierra hacia adelante y hacia atrás: se verifican el arranque de 3I0 y la tensión mínima de polarización, se barre el ángulo para hallar los límites de la zona, se mide el tiempo y se confirma que no dispara hacia atrás. En la puesta en servicio, lo decisivo es confirmar la polaridad de los CT y de la delta abierta, porque una polaridad invertida hace que la 67N funcione al revés. Lo hacemos como servicio de inyección secundaria.
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Referencias
- IEEE Std C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations.
- IEC 61850-7-4, nodos lógicos PTOC, RDIR y PSDE.
- IEC 60255-151, Functional requirements for over/under current protection.
- J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications, CRC Press.
Preguntas frecuentes
¿Cuándo se necesita una 67N en lugar de una 51N?
En anillos, redes malladas o líneas en paralelo, con varias fuentes de secuencia cero y con neutro aislado o compensado, donde los alimentadores sanos aportan corriente capacitiva y un 51N no direccional podría dispararlos.
¿Se puede copiar el ángulo característico entre marcas de relés?
No. La convención de signos cambia entre fabricantes, así que el ángulo siempre se ajusta con la convención del manual del relé.
¿Qué pasa si la polaridad de la delta abierta está invertida?
La 67N dispara para fallas externas y se bloquea para las internas. Por eso en la puesta en servicio se confirma la polaridad de los CT y de la delta abierta.