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En los sistemas de distribución eléctrica de media tensión (MT), los relés de protección son la primera línea de defensa contra fallos eléctricos, daños en los equipos y riesgos para el personal. Para diseñar, poner en servicio y mantener sistemas eléctricos fiables, es fundamental comprender cómo se enclavan y comunican estos relés mediante mapas lógicos de disparo.
A lo largo de mis 18 años de experiencia en la puesta en servicio de equipos de conmutación de MT en plantas petroquímicas, centros de datos y subestaciones eléctricas, he sido testigo directo de cómo los esquemas de relés mal coordinados pueden provocar fallos catastróficos. Por el contrario, los mapas lógicos de disparo correctamente diseñados han ahorrado millones de dólares en equipos y, lo que es más importante, han evitado lesiones.
En este artículo se examinan en profundidad las funciones más comunes de los relés de protección (números de dispositivo ANSI 50, 51, 50N, 51N, 27, 59 y 86) y se explica cómo se enclavan en las arquitecturas de los cuadros de MT. Tanto si es un ingeniero de protección que diseña nuevos sistemas como si es un técnico de campo que soluciona problemas en instalaciones existentes, esta guía le servirá como referencia práctica para comprender la coordinación lógica de disparo de los relés.
Antes de sumergirnos en los esquemas de enclavamiento, debemos establecer una comprensión clara de cada función del relé. La norma ANSI/IEEE C37.2 define números de dispositivo que se han convertido en el lenguaje universal de la ingeniería de protección.
Dispositivo 50 (sobreintensidad instantánea) actúa sin retardo intencionado cuando la corriente supera un umbral predeterminado. Los ajustes típicos de captación oscilan entre 6 y 10 veces la corriente a plena carga para la protección de transformadores y entre 1,5 y 2 veces para aplicaciones de motores. El elemento instantáneo proporciona un despeje de fallos de alta velocidad para fallos cercanos donde el potencial de daño es mayor.
Dispositivo 51 (Sobreintensidad horaria) introduce una característica tiempo-corriente inversa, que permite a los dispositivos aguas abajo despejar los fallos antes de que actúen los relés aguas arriba. Esta coordinación se consigue mediante curvas normalizadas (IEC extremadamente inversa, muy inversa, inversa estándar, o IEEE moderadamente inversa, muy inversa, extremadamente inversa).
Dispositivo 50N (sobreintensidad instantánea de tierra) detecta las faltas a tierra mediante la medición de la corriente residual. En sistemas sólidamente conectados a tierra, los ajustes del captador suelen oscilar entre 10 y 20% de la capacidad nominal del TC de fase. En los sistemas conectados a tierra por resistencia, los ajustes deben coordinarse con la corriente de paso máxima de la resistencia de puesta a tierra del neutro.
Dispositivo 51N (Sobreintensidad de tierra por tiempo) proporciona una protección de falta a tierra coordinada en el tiempo, esencial en sistemas donde se requiere una coordinación selectiva entre múltiples dispositivos de falta a tierra.
Dispositivo 27 (Subtensión) protege contra las caídas de tensión y la pérdida de suministro, normalmente ajustado entre 80-90% de la tensión nominal con retardos de 1-10 segundos dependiendo de la aplicación. Esta función es fundamental para proteger el motor y evitar el rearranque automático en condiciones degradadas.
Dispositivo 59 (Sobretensión) protege contra condiciones de sobretensión sostenida que pueden dañar el aislamiento y los equipos conectados. Los ajustes suelen oscilar entre 110-120% de tensión nominal.
Dispositivo 86 (Relé de bloqueo) es un dispositivo de rearme manual accionado eléctricamente que mantiene los disyuntores en su posición de disparo hasta que un operador reconoce manualmente la condición de fallo. Esta función es fundamental para garantizar que se investigan los fallos antes de volver a conectar la alimentación.
El mapa lógico de disparo define cómo se conectan las salidas de los relés de protección a las bobinas de disparo de los disyuntores, los relés de bloqueo y los sistemas auxiliares. Los paneles de MT modernos emplean tres arquitecturas de disparo principales:
En aplicaciones sencillas, los contactos de disparo del relé individual se conectan directamente a la bobina de disparo del disyuntor. Aunque económico, este enfoque carece de las ventajas de la indicación de fallo consolidada y requiere contactos auxiliares separados para cada relé para bloquear el reenganche automático.
Los esquemas más sofisticados encaminan todas las salidas de relé de protección a través de un relé de bloqueo 86. Esta configuración ofrece varias ventajas:
Los relés numéricos modernos implementan internamente la lógica de disparo mediante puertas lógicas programables. Los contactos de salida del relé pueden configurarse para representar elementos de protección individuales o funciones de disparo combinadas.
[Figura 1: Diagrama de bloques de la lógica de disparo que muestra la interconexión entre los elementos 50/51, 50N/51N, 27, 59 que alimentan al relé de bloqueo 86 con rutas paralelas a la bobina de disparo del interruptor, indicación de estado e interfaces SCADA/DCS].
La interacción entre las funciones de protección sigue unos principios establecidos que garantizan tanto la fiabilidad (funcionamiento cuando es necesario) como la seguridad (no funcionamiento en falso).
Las funciones 50/51 y 50N/51N deben coordinarse en tiempo y magnitud. Consideremos una configuración típica:
Para un alimentador de MT de 2000 A con TI de 2000:5:
- 51 pastilla: 1,2 × FLA = 2400A (secundario 6A)
- 51 dial de tiempo: 0.5 en curva muy inversa
- 50 pastillas: 8 × FLA = 16.000A (40A secundario)
- Pastilla 51N: 0,5A secundario (200A primario, 10% CT nominal)
- 51N dial de tiempo: 0.3 en curva muy inversa
- Pastilla 50N: secundario 2A (primario 800A)
Los elementos de falta a tierra se ajustan con mayor sensibilidad porque las faltas a tierra suelen implicar magnitudes menores que las faltas de fase, aunque son igual de peligrosas.
La protección contra subtensión (27) y sobretensión (59) a menudo se entrelaza con las funciones de sobrecorriente para mejorar la seguridad del esquema:
Sobrecorriente de restricción de tensión (51V) reduce el umbral de captación a medida que disminuye la tensión, mejorando la sensibilidad a fallos remotos en los que la caída de tensión es significativa pero el aumento de corriente es modesto.
Sobreintensidad controlada por tensión activa el elemento de sobreintensidad sólo cuando la tensión cae por debajo de un umbral, proporcionando protección de reserva para aplicaciones de generador.
El dispositivo 86 recibe entradas de todas las funciones de protección y proporciona salidas a:
- Bobina de disparo primaria (vía 52a)
- Bobina de respaldo (si está equipada)
- Contacto de bloqueo de circuito cerrado (52Y)
- Alarma SCADA/DCS
- Anunciación local
[Figura 2: Diagrama de cableado detallado del relé de bloqueo 86 que muestra múltiples contactos de entrada (50, 51, 50N, 51N, 27, 59), contactos de salida a bobina de disparo, bloqueo de cierre y circuitos de indicación, con mecanismo de bandera de destino].
Conseguir una coordinación selectiva requiere un análisis sistemático de las características de tiempo-corriente en todo el sistema de protección.
El intervalo mínimo de tiempo de coordinación (CTI) entre dispositivos ascendentes y descendentes debe tener en cuenta:
- Tiempo de despeje del interruptor (normalmente 3-5 ciclos para interruptores de MT)
- Sobrecarrera del relé (2-4 ciclos para los electromecánicos, despreciable para los numéricos)
- Margen de seguridad (5-10 ciclos)
La práctica del sector establece un CTI de 0,2-0,4 segundos entre dispositivos sucesivos. La fórmula es:
CTI = Tiempo del interruptor + Sobrecarrera del relé + Margen de seguridad
Para combinaciones modernas de relé numérico y disyuntor de vacío:
CTI = 0,08s + 0,00s + 0,12s = 0,20s mínimo
La función 50 presenta retos de coordinación porque opera sin retardo temporal intencionado. Dos enfoques garantizan la selectividad:
Enclavamiento selectivo de zona (ZSI): Los relés aguas abajo envían señales de bloqueo a los dispositivos aguas arriba cuando detectan fallos en su zona. El relé aguas arriba retrasa el funcionamiento durante un breve intervalo (normalmente 50-100 ms) a menos que no reciba ninguna señal de bloqueo, lo que indica un fallo en el bus.
Coordinación instantánea de recogida: Ajuste el elemento 50 aguas arriba por encima de la corriente de paso máxima del dispositivo aguas abajo, asegurándose de que sólo los fallos aguas abajo causan el funcionamiento de los 50 aguas arriba.
El alimentador de 13,8 kV de una fábrica alimenta un transformador de 3000 kVA. El esquema de protección incluye:
Protección primaria:
- 51: Pickup 125A, Muy Inverso, TD 3.0
- 50: Captador 4000A (2× transformador de irrupción)
- 51N: Pickup 15A, Muy Inverso, TD 2.0
- 50N: Captador 200A
Enclavamiento:
Todos los elementos se disparan a través del 86T (bloqueo del transformador), que dispara el disyuntor del alimentador de 13,8 kV y bloquea el secundario principal de 480V. El elemento 27 (ajustado a 85%, retardo de 2,0 s) dispara el secundario principal de 480 V de forma independiente para evitar el bloqueo del motor durante los huecos de tensión.
Un disyuntor de enlace de barras de 34,5 kV protege contra fallos de barras y proporciona protección de reserva:
Implementación del enclavamiento selectivo de zona:
- Los relés de línea envían señales de bloqueo ZSI al relé de enlace de bus
- Bus tie 51: Pickup 2000A, Muy Inversa, TD 5.0
- Bus tie 50: Pickup 8000A, retardado 100ms sin bloque ZSI
- Bus tie 50N: Pickup 400A, retardado 100ms sin bloque ZSI
Cuando se produce un fallo en el alimentador, el relé del alimentador envía una señal de bloqueo mientras funciona para despejar el fallo. Si no existe ninguna señal de bloqueo (fallo de bus), el enlace de bus se dispara instantáneamente.
[Figura 3: Esquema de enclavamiento selectivo de zona que muestra las vías de comunicación entre los relés de línea y el relé de enlace de barras, con diagramas de temporización que ilustran el funcionamiento coordinado para fallos de línea y de barras].
Una puesta en servicio adecuada valida que el mapa lógico de disparo funciona según lo previsto.
Según la experiencia sobre el terreno, los problemas más frecuentes son:
[Figura 4: Configuración de prueba de la lógica de disparo que muestra las conexiones del equipo de prueba de inyección secundaria al relé, las entradas de la señal de bloqueo simulada y las conexiones del osciloscopio para la verificación de la temporización].
Los esquemas de protección contemporáneos aprovechan las capacidades numéricas de los relés para mejorar su funcionalidad.
Los relés modernos permiten crear ecuaciones lógicas personalizadas:
DISPARO = (50 O 51 O 50N O 51N O 27 O 59) Y NO BLOQUEO
Donde BLOCK puede ser una entrada de modo de mantenimiento o permisivo externo.
La mensajería IEC 61850 GOOSE permite el enclavamiento de alta velocidad sin conexiones cableadas. Entre las aplicaciones típicas se incluyen:
Los relés numéricos capturan oscilografía y registros de eventos cruciales para el análisis posterior a la avería. Estos datos validan el funcionamiento de la lógica de disparo e identifican cualquier fallo de coordinación.
Los sistemas de relés requieren un mantenimiento continuo para garantizar su fiabilidad durante toda su vida útil.
Basado en NFPA 70B y en la práctica industrial:
Mantener registros precisos que incluyan:
- Configuración original de los relés y estudio de coordinación
- Diagramas de cableado as-built
- Resultados de las pruebas y datos de tendencias
- Historial de revisiones del firmware de los relés numéricos
- Análisis del registro de sucesos de cualquier operación
Las funciones 50 (instantánea) y 51 (sobreintensidad temporizada) desempeñan papeles complementarios. El elemento 51 proporciona protección coordinada con retardos de tiempo que permiten a los dispositivos aguas abajo despejar las faltas primero, manteniendo la selectividad. El elemento 50 proporciona protección de alta velocidad para faltas graves cerca de la ubicación del relé, donde el potencial de daños es mayor y la coordinación con dispositivos aguas abajo no es posible o necesaria. Juntos, proporcionan una cobertura completa: funcionamiento selectivo para averías remotas y funcionamiento rápido para averías cercanas.
Utilice un relé de bloqueo 86 cuando se dé alguna de estas condiciones: (1) varios dispositivos de protección protegen el mismo equipo y se desea una indicación de fallo consolidada, (2) el reenganche automático debe bloquearse hasta que se complete la investigación del fallo, (3) el esquema de protección requiere una interfaz de operador clara para el reconocimiento del fallo, o (4) los requisitos reglamentarios exigen la funcionalidad de rearme manual. El disparo directo es apropiado para aplicaciones sencillas y no críticas en las que la reconexión automática es aceptable y el coste de instalación es una preocupación primordial.
El CTI adecuado depende de las tecnologías de relés y disyuntores empleadas. Para relés numéricos modernos con disyuntores de vacío, 0,20-0,25 segundos suele ser adecuado. En el caso de relés electromecánicos, utilice 0,30-0,40 segundos para tener en cuenta la sobrecarrera del relé. Para estudios de coordinación en serie en los que intervengan ambas tecnologías, utilice el valor mayor. Compruebe siempre la idoneidad del CTI en varios niveles de corriente, especialmente en la corriente de falta máxima, donde las curvas pueden converger.
No. La ZSI mejora la coordinación temporal pero no la sustituye. El esquema debe mantener la selectividad aunque falle la comunicación ZSI. Considere la ZSI como una mejora del rendimiento que permite un funcionamiento más rápido del relé aguas arriba para las faltas de barras, manteniendo al mismo tiempo la capacidad de protección de reserva. Diseñe siempre el esquema de coordinación base para que funcione correctamente sin ZSI y, a continuación, añada ZSI para mejorar el rendimiento en lugares de fallo específicos.
En los sistemas conectados a tierra por resistencia, la corriente máxima de defecto a tierra está limitada por la resistencia de puesta a tierra del neutro (NGR). Ajuste el captador 51N a 10-25% de la corriente nominal de la NGR para garantizar la sensibilidad a las faltas de alta resistencia, manteniendo al mismo tiempo la seguridad contra condiciones de carga desequilibrada. El captador 50N debe ajustarse a 50-80% de la corriente máxima de falta a tierra. La coordinación temporal es menos crítica que en los sistemas sólidamente conectados a tierra porque todas las faltas a tierra producen magnitudes de corriente similares independientemente de la ubicación, pero la coordinación selectiva 51N sigue siendo necesaria si hay varios dispositivos en serie.
Las causas más comunes son: (1) ajustes de temporización demasiado cortos para atravesar transitorios de tensión normales durante el arranque del motor o la conmutación de la carga, (2) ajustes de captación demasiado altos en relación con las variaciones normales de tensión, (3) cálculos inadecuados de la carga del TT que provocan errores de medición de la tensión, (4) falta de coordinación con reguladores de tensión o cambiadores de tomas aguas arriba y (5) cableado secundario inadecuado del TT que introduce caídas de tensión. Las soluciones típicas implican retardos de 2-5 segundos y ajustes de captación de tensión nominal 80-85%, aunque las aplicaciones específicas pueden requerir valores diferentes.
Los relés numéricos pueden implementar funciones de bloqueo lógico internamente, manteniendo un estado de disparo enclavado que requiere un restablecimiento manual a través de la HMI del relé o de la interfaz de comunicación. Sin embargo, los dispositivos 86 externos siguen siendo los preferidos para aplicaciones críticas porque proporcionan: (1) bloqueo cableado y a prueba de fallos del circuito de cierre del interruptor, (2) indicadores de objetivo visibles que no requieren la interrogación del relé, (3) una acción de restablecimiento manual definitiva que obliga al reconocimiento del operador, e (4) independencia de la disponibilidad de la fuente de alimentación del relé. Muchas instalaciones utilizan ambos: el bloqueo lógico interno para la protección de primera línea con 86 dispositivos externos como respaldo y cumplimiento de la normativa.
Un diseño eficaz de la lógica de disparo del relé en cuadros de MT requiere la integración sistemática de múltiples funciones de protección en un esquema coordinado. Los principios fundamentales incluyen:
La inversión en una lógica de disparo de relés correctamente diseñada y puesta en servicio resulta rentable gracias a la mejora de la protección de los equipos, la reducción del tiempo de inactividad y la mejora de la seguridad del personal. A medida que la tecnología de protección sigue evolucionando con la comunicación digital y el análisis avanzado, estos principios fundamentales de coordinación y enclavamiento siguen siendo esenciales para un funcionamiento fiable del sistema eléctrico.
Para recursos técnicos adicionales sobre relés de protección, el Comité de Relés y Control del Sistema Eléctrico (PSRCC) del IEEE mantiene normas y tutoriales completos en IEEE PSE PSRCC.
Enlaces internos sugeridos:
1. “Selección de TC y TT para aplicaciones de protección de MT”
2. “Metodología de estudio de coordinación para sistemas de distribución industrial”
3. “Mecanismos de funcionamiento y mantenimiento de los interruptores automáticos de MT”
4. “Análisis del riesgo de relámpago de arco y coordinación de la protección”
5. “La comunicación IEC 61850 en los sistemas de protección modernos”
