Trabajo de Investigación Relevadores

I.- Introducción Los relevadores se utilizan para los sistemas eléctricos de potencia, los cuales tienen como característica principal en México el manejo de un voltaje de 120 Vrms en adelante. Un sistema eléctrico de potencia cuenta con tres aspectos fundamentales que se deben de tomar siempre en cuenta para su correcto funcionamiento, los cuales son: 1.- El funcionamiento normal: Es cuando se lleva a cabo el funcionamiento del equipo sin ningún tipo de falla, es el caso ideal y óptimo de funcionamiento para cualquier sistema. 2.- Previsión de una falla eléctrica: Es cualquier tipo de implementación y/o precaución que se lleva a cabo con el fin de prevenir cualquier falla en el sistema eléctrico. 3.- Reducción de los efectos de la falla eléctrica: Es la prevención a futuro para la reducción de problemas en los sistemas eléctricos de potencia cuando una falla eléctrica puede perjudicar al sistema, no es necesariamente implementar una solución cuando esta falla ya hubiera ocurrido, siempre es con el propósito de prevención. En estos tres puntos entra el relevador como un elemento fundamental para protección de sistemas eléctricos de potencia, su función consiste principalmente en el retiro rápido del servicio de cualquier elemento de un sistema de potencia, cuando hay un cortocircuito o cuando este funciona de manera anormal. También es utilizado para controlar circuitos de alta potencia por medio de circuitos de baja potencia, por ejemplo como los que son regidos por la tecnología TTL, pero finalmente es un recurso en este caso también de protección. Para la protección por relevadores es recomendable tener una protección primaria que consiste en la protección de cada elemento del sistema de potencia, esto para poder deshabilitar los elementos que estén funcionando incorrectamente o que tengan fallas en su sistema de alimentación. Además se debe de contar con una protección de respaldo para que se tenga un mayor control de errores y ayude a la prevención de fallos mayores, generalmente la protección de respaldo se enfoca a la protección por cortocircuitos, ya que si la protección primaria llegara a fallar por un cortocircuito (que es muy común), el respaldo se encargará de dicha protección. Gracias a sus características es muy fácil detectar en donde hubo la o las fallas y el tipo de falla origen, esto ayuda de forma considerable al mantenimiento y reparación de los sistemas eléctricos de potencia, pero a todo esto ¿Qué es un relevador?, un relevador es un sistema de protección que actúa como circuito cerrado cuando el voltaje de entrada al sistema es el correcto y no tiene anomalías, pero actúa como circuito abierto cuando ocurre una falla en la línea de alimentación dejando aislados todos los elementos antes de que sufran algún daño.

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Ejemplo de Protección Primaria

En la imagen anterior se puede observar un ejemplo muy claro de lo que es un sistema eléctrico de potencia con una protección primaria; en este caso el relevador esta representado por un rectángulo que protege cada elemento del sistema, a su vez, hay una conexión con sistemas de alta tensión con sistemas de baja tensión gracias a estos relevadores.

Ejemplo de Protección de Respaldo

Suponiendo que se tiene una estación K que representa un circuito o un elemento de un sistema eléctrico de potencia se puede representar una protección de respaldo enseguida de la protección primaria, como se muestra en la imagen de ejemplo de protección de respaldo, la etapa de protección A, B y E son la protección primaria, mientras que la etapa C, D y F representan la protección de respaldo. Si ocurre un fallo en A es soportado por C o si ocurre un fallo con B será soportado por D para así tener una protección óptima. 3

Para poder implementar el uso de relevadores en cualquier sistema se debe de considerar la sensibilidad, la selectividad y la velocidad del mismo. En el caso de la sensibilidad se refiere a que un relevador debe de ser lo suficientemente sensible para que funcione de forma segura y en el momento adecuado, también debe de tener selectividad en cuanto a qué situaciones debe de ser capaz de funcionar rápidamente y cuales debe de descartar por no ser problema para el sistema, pero lo más importante es considerar por sobre todas las cosas la velocidad en la que opera el relevador, por que dependiendo para qué se utilizará, es la velocidad que se requiere para su funcionamiento. Otro aspecto a tratar para el uso de un relevador es saber las características de los aparatos o circuitos a proteger, se debe de considerar su estabilidad y si estos no tienen la suficiente corriente o el suficiente voltaje para activar el relevador no tiene caso utilizarlo, la confiabilidad de usar un relé o no dependerá de igual forma en su simplicidad o robustez y el factor económico con el que se cuente para su implementación y mantenimiento. Factores que influyen mucho es principalmente la consideración de que si una falla puede extenderse a otros equipos, el tiempo en el que el equipo a proteger estará fuera de servicio a causa de una falla, el costo que se tendrá que hacer para la reparación y la pérdida que se producirá al estar el sistema fuera de servicio, todo esto para llevar a cabo un análisis de costo-beneficio, para poder determinar las ventajas y desventajas de los mismos. Un relevador siempre estará inactivo, hasta que ocurra una falla y/o se estimule, lo que conlleva ahorro de energía pero a la vez una revisión periódica para descartar posibles errores de funcionamiento por el tiempo de uso. A consecuencia esto trae la necesidad de realizar manuales por parte principalmente de las empresas generadoras de electricidad, los cuales tienen una serie de pasos a seguir para la revisión y mantenimiento de los mismos, pero también de los relevadores permitidos para su reposición. Cuando varios fallos ocurren el sistema de potencia por relevadores generalmente actúa de esta forma:

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Este gráfico nos muestra la relación de potencia con respecto al tiempo, si se observa detalladamente se puede concluir que soporta mucha potencia, aún cuando existen múltiples fallas, esto permite que el sistema siga funcionando de manera síncrona con los demás elementos sin ningún problema extra durante unos cuantos segundos, si se exceden estos segundos el sistema se complica ya que la capacidad de soporte de un relevador es rebasado por la falla. En el caso de un fallo con la fase y tierra se mantiene constante si colapsar, lo mismo sucede con una falla de fase a fase. En el caso de que suceda una falla de doble tierra o una falla trifásica sólo se contará con unos cuantos segundos para que el relevador no pueda soportar la falla y se recorra a los demás elementos del sistema eléctrico de potencia. Estas características descritas anteriormente se basan en un sistema alimentado con una línea de alimentación que cuenta con un Neutro, una Fase y una tierra física, que se utiliza más m ás comúnmente en un sistema de este tipo. La manera de representar el estado de un relevador es como se indica en la figura:

En donde la “a” representa un circuito abierto y la “b” un circuito cerrado, si el sistema de operación del relevador se encuentra siempre como circuito abierto hasta que se estimule se le denomina normalmente abierto, por lo contrario si el relevador permanece como circuito cerrado se le nombra como normalmente cerrado. Si se configura en serie se tendrá una AND lógica y si se configura en paralelo se tendrá una OR lógica, esto quiere decir que se pueden realizar operaciones lógicas utilizando relevadores, lo cual sirve para poder implementar un sistema de protección de respaldo. A

A 0 0 1 1

B

B 0 1 0 1

Z

Z 0 0 0 1

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A Z B A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Z 0 1 1 1

II.- Tipos de Relé Se cuenta con varios tipos de relé, pero para su mejor distinción es mejor clasificarlos conforme a su principio de funcionamiento, por ejemplo, existen relevadores electromagnéticos que responden a un estímulo electromagnético el cual hace una atracción de uno u otro lado para que gire el mecanismo y abra o cierre el circuito.

Ejemplos de relevadores electromagnéticos

Otro tipo de relevadores son los relevadores semiconductores; se llaman así porque hacen referencia a sus componentes base que se caracterizan por ser semiconductores rectificadores que convierten la señal alterna en directa.

Ejemplos de relevadores semiconductores

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También hay relevadores considerados electrónicos que funcionan por medio de corriente directa, pero estos son una variación de los relevadores semiconductores pero con conexiones de baja con alta potencia.

Ejemplos de relevadores electrónicos

Hay en el mercado relevadores que trabajan con corriente alterna, y otros con corriente directa; también se clasifican en cuanto al tiempo de reacción, existen los relevadores llamados instantáneos o “high speed” (gran velocidad), los cuales operan en un tiempo mínimo aproximado de 0.1 segundo, mientras que hay otro tipo que se puede ajustar el tiempo de espera para su reacción.

III.- Características de Funcionamiento Los relevadores electromagnéticos se dividen en dos variantes, diferenciados por su principio de funcionamiento, existen los relevadores que se rigen por la atracción electromagnética, esto quiere decir que por medio de un solenoide, que es en donde se crea la fuerza electromagnética, se mueve un switch que es el que se encarga de mantener el circuito normalmente abierto o normalmente cerrado. El otro caso es por medio de inducción electromagnética, este principio también rige a los motores, que es el que mueve al rotor por medio de bobinas que generan el campo electromagnético. Para cualquier tipo de relevador las características se rigen por una ecuación general, la cual se va adaptando según sea el principio de funcionamiento y las características mismas del relevador a usar, la ecuación es:

En donde: I = Corriente del sistema, V = Voltaje del sistema, θ = Ángulo de fase (característica del relevador), ϕ = Ángulo de fase entre el voltaje y la corriente, K = Constante de torque

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Relevador de atracción electromagnética simple

Relevador que puede soportar el manejo de corriente alterna y corriente directa, es el más sencillo de todos, y tiene un equivalente de relevador estático (semiconductor). Su principio de operación es:

ó

En donde: F = Fuerza neta I = Valor de la corriente en rms K1 = Constante de torque K2 = Contrafuerza (fricción) Equivalente

El cambio del relevador de un estado a otro esta dado por la diferencia de corriente, en la siguiente figura se muestra una gráfica polar del comportamiento de la corriente para este relevador.

Cuando la corriente aumenta, el estado cambia, si la corriente disminuye no influye en el comportamiento, si la corriente está equilibrada por la constante de torque K1 y la contrafuerza K2 se torna a su estado inactivo inicial. Relevador de atracción electromagnética simple de baja potencia

Consta de hacer girar una vara metálica por medio de una estructura polarizada, se puede manipular a través de corriente alterna y corriente directa. Su principio de funcionamiento es:

ó

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En donde: F = Fuerza neta V = Valor del voltaje en Vrms K’ = Constante de torque K’’ = Contrafuerza (fricción) Equivalente

El cambio del relevador de un estado a otro esta dado por la diferencia de voltaje, en la siguiente figura se muestra una gráfica polar del comportamiento del voltaje para este relevador.

Cuando el voltaje disminuye, el estado cambia, si el voltaje aumenta no influye en el comportamiento, si el voltaje está equilibrado por la constante de torque K’ y la contrafuerza K’’ se torna a su estado inactivo inicial. Relevador direccional electromagnético

Funciona con corriente alterna y corriente directa. Consta de una vara movible que se magnetiza por medio de un alambre que se encuentra enrollado alrededor, que es manipulada por una estructura que también también se polariza de la misma forma, debido a sus características su estado será abierto hasta que se estimule la polarización. Su principio de operación es:

ó

En donde: F = Fuerza neta K1 = Constante de Torque K2 = Contrafuerza (fricción) Ip = La magnitud de corriente en la estructura polarizada Ia = La magnitud de corriente en la vara

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Para poder estimular este tipo de relevadores se tiene que invertir la polaridad de la vara, esto se logra manipulando la entrada que viene del cable que enrolla la vara de forma tal que cambie su polarización. Generalmente se utiliza para corriente directa ya que requiere de un rectificador para la corriente alterna. Relevador de inducción electromagnética simple

Debido a su naturaleza los relevadores por inducción sólo se usan para circuitos de corriente alterna, además se tienen dos circuitos diferentes para la manipulación del relevador, si se requiere sacar el torque que dará al ser estimulado se cuenta con la ecuación: La fórmula general del torque está dada por:

Por lo tanto para este caso se obtiene: voltaje se obtiene que:

ó si el relevador actúa por medio de una fuente de

En donde: T = Torque I = la corriente total de los dos circuitos en rms V = Es el voltaje aplicado en Vrms K1 = Constante de Torque K2 = Contrafuerza (fricción)

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Existe una excepción en cuanto al funcionamiento de este relevador, ya que como es muy básico también puede ser utilizado con corriente directa, su característica más importante es que es muy rápido la velocidad de cambio entre un estado y otro. Como se rige por el principio de los motores, dependiendo de la frecuencia es como se comportará, si su frecuencia es mínima se tardará más en responder, y viceversa, hay que considerar que si se tiene un nivel muy alto de frecuencia el relevador no funcionará ya que su rotor sólo vibrará. Relevador de inducción direccional

Este relevador se controla con dos fuentes diferentes, por tal motivo se cuenta con la siguiente ecuación: En donde: I1, I2 = El valor rms de las corrientes θ = Ángulo de fase del rotor producido por I1 e I2

Existen tres tipos de relevadores que son de inducción direccional: Relevadores de corriente - corriente

Ecuación: En donde:

ó

K1 = Constante de torque K2 = Contrafuerza (fricción) ϕ = Ángulo de fase entre corriente – corriente t = Ángulo máximo de torque

Relevadores de corriente - voltaje

Ecuación: En donde: V = Es el voltaje Vrms

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Gráficas polares del comportamiento conforme a la corriente y la impedancia respectivamente.

Equivalente

Relevadores de voltaje - voltaje

Ecuación: En donde:

T = K1V1V2 sen (θ - T) – K2

V1, V2 = Valor Vrms de los voltajes

Hay que tener cuidado en aplicar la correcta frecuencia a estos tipos de relevadores, ya que si se sobrepasa tendremos sólo una vibración constante, debido a su estructura se tiene una fuerza mayor para el movimiento del torque y que este se rija por ángulo ángulo de movimiento dependiendo de los valores de voltajes o corrientes según sea el caso. Relevadores regidos por la reactancia

Se le llama así porque depende de un capacitor, una característica destacada es que funciona con corriente directa y alterna, su fórmula es: En donde: K = Constante de torque I = Corriente con valor rms ϕ = Ángulo de fase entre voltaje – corriente θ = Ángulo de fase del rotor producido por la corriente

Es una modalidad diferente de los descritos anteriormente, ya que también es un relevador direccional, sólo que aquí se tiene un ángulo fijo de 90°en el ángulo de fase del rotor. 12

Equivalente

Gráficas polares del comportamiento conforme a la corriente y la impedancia respectivamente.

Relevador de impedancia direccional

También tiene un capacitor que influye en el funcionamiento del relevador electromagnético, maneja voltajes y corriente directa y alterna; su ecuación general es: El ángulo está fijo f ijo a 75°, sus gráficas gráfica s polares de comportamiento comportam iento son:

Equivalente

En el circuito equivalente se puede observar más claramente porque se le llama relevador de impedancia direccional, y el motivo es porque cuenta con dos resistencias y con la impedancia del inductor.

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Relevador de impedancia

Es el último de los relevadores simples, los demás tienden a ser la unión de dos o más de los anteriores; este relevador maneja corriente directa y alterna, su ecuación es: En donde: K = Constante de torque K’ = contrafuerza (fricción) I = Corriente del sistema V = Voltaje Vrms

La corriente polariza la estructura, mientras que el voltaje polariza el rotor, enseguida se muestran las gráficas polares:

Equivalente

La impedancia se obtiene de la resistencia de cada dispositivo y el inductor Trip que se muestra en la figura anterior.

Ejemplo de un relevador comercial actual de última generación

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IV.- Normas (Standard) Para la mayoría de los circuitos existen normas preestablecidas por organizaciones sin fines de lucro que permiten no sólo tener sistemas compatibles alrededor del mundo, sino también facilitan, optimizan y aseguran que los recursos con los que contemos funcionen de forma correcta, eficaz y eficientemente. Los relevadores como ya se ha dicho antes se utilizan para la protección de sistemas eléctricos de potencia, por lo tanto se necesita de una regulación por medio de manuales abiertos al público en general, en donde se establezcan los principios fundamentales, las normas a seguir y circuitos sugeridos para la implementación de cualquier tipo de relevador. La organización que se encarga de esta regulación a nivel internacional es la IEEE (Power Engineering Society), sus siglas significan Instituto de Ingenieros de Eléctrica y Electrónica. De entre sus manuales existen los estándares C37.95-2002 que es la guía para la protección por relevadores de acometidas, y el C37.91-2000 que es la guía para la protección por relevadores para transformadores de potencia, estos manuales son del año 2000 y 2003, hasta esta fecha no han sufrido modificaciones. En México se toma en cuenta estos estándares, pero la CFE (Comisión Federal de Electricidad) ha hecho su propio manual que explica como usar los relevadores en los sistemas eléctricos de potencia, esto fue debido a que no todos los relevadores son usados por esta empresa, de hecho tienen un documento que enlista los relevadores que se pueden usar y sus equivalentes llamada “Listado de Relevadores de Protección Aprobados” firmada en el 2006. Esta lista tiene un catálogo de relevadores delimitada por la marca, el modelo, la función ANSI, tensión en Kv, el tipo de protección para el cual están aprobados, y funciones adicionales. Los tipos de tensión y los tipos de aprobación de acuerdo a su función los catalogan de la siguiente manera:

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V.- Fabricantes y Aplicaciones Existen muchos fabricantes de relevadores, como listado se pueden decir los más comunes: 1.- ABB 2.- AREVA 3.- BASLER 4.- BECKWITH 5.- GE 6.- S & C 7.- SEL 8.- SIEMENS 9.- TEAM ARTECHE 10.- ZIV El más común en electrónica es el Sun Hold, ya que soporta la tecnología TTL y CMOS. Este relevador tiene una forma cuadrangular y es pequeño, de hecho es uno de los más pequeños que hay, para esto es necesario saber existen diferentes tipos de encapsulados dependiendo del fabricante, por ejemplo la empresa PRMA fabrica relevadores como si fueran circuitos integrados.

Ejemplos de encapsulado de relevadores

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Las aplicaciones de un relevador son muy extensas, como se necesita siempre la protección de los equipos, siempre estarán presentes, la aplicación más común es en la conexión entre un circuito de baja potencia a uno de alta potencia. La aplicación más compleja se lleva a cabo con los PLC (Control lógico programable), el cual consiste en un arreglo de relevadores los cuales permiten, a través de un programa grabado en una memoria, realizar una serie de secuencias en tiempos definidos, estas secuencias salen a través de puertos de salida, pero también el programa es capaz de reconocer señales entrantes para la continuación o cambio de secuencias. Los PLC cuentan con una interfaz que facilita al usuario programar la acción a realizar, e inclusive estas memorias tienen la facilidad de reescribir información para así poder reprogramar de nuevo al PLC. Los relevadores que intervienen en el PLC son los que soportan una corriente alterna, ya que un PLC sirve para controlar sistemas eléctricos de potencia cuyo voltaje es el voltaje de 120 - 240 Vrms de la línea de alimentación. Otra aplicación poco común es el desarrollo de sistemas didácticos para el aprendizaje de sistemas de protección a través de relevadores, los cuales consisten en consolas grandes en las cuales se cuenta con cada uno de los tipos de relevador.

Ejemplo de sistema didáctico por relevadores

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VI.- Conclusión Los relevadores son una tecnología fundamental para la interacción de circuitos de baja y alta potencia, como lo hemos dicho anteriormente, son necesarios para la protección de los sistemas eléctricos de potencia y para el control y automatización de los mismos. Un relevador tiene semejanza con otros dispositivos de protección, por ejemplo si se compara con un optoacoplador se concluye que ambos su función principal es mantener al circuito separado del daño que puede ocurrirle, así también sirve un fusible o un contactor, pero la gran diferencia consiste en que el relevador puede cambiar de un estado a otro cuando se desee, teniendo como consecuencia la localización fácil del problema y la rápida recuperación del sistema, pero no sólo eso, sino que también es capaz de ahorrar una cantidad impresionante de energía ya que se activará si y sólo si existe un estímulo que lo haga funcionar, también es muy económico tanto su mantenimiento como su implementación y existe en una gran cantidad de tipos y características. Hoy en día los relevadores han ido aumentando en cuanto a su mejor desempeño y a su capacidad de respuesta, también se han desarrollado relevadores para casos específicos que pueden soportar hasta 100 amperes o más, y están hechos de dos aleaciones de metal que soportan tal cantidad de corriente. Por tal motivo hay que tener bien en claro a la hora de diseñar un sistema de protección con qué tipo de relevador se trabajará, marcar sus ventajas, desventajas, costos y capacidades. Para el control digital de circuitos es muy útil, ya que por medio de circuitos basados en tecnologías TTL y CMOS principalmente se puede interactuar con circuitos de potencia sin ningún problema, además cumple con una parte fundamental en el control digital que es la etapa de protección, esta etapa siempre debe de estar presente para poder asegurar y mantener en óptimas condiciones nuestro sistema de control.

Relevador SIEMENS 100 A

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VII.- Bibliografía 1.- C. Russell Mason. El Arte y la Ciencia de la Protección por Relevadores. Compañía Editorial Continental. México. 1979 2.- Ing. Agapito Mendoza Romero. Protección por Relevadores a Sistemas de Potencia. IPN. México. 1998 3.- B. Ravindranath y M. Chander. Basic Principles of Protective Relays. Edit. Limusa. México. 1980 4.- A. R. van C. Warrington. Protective Relays Their Theory and Practice. Volume Two. Edit. Chapman and Hall. U.S.A. 1978 5.- IEEE Std C37.91-2000, IEEE Guide for Protective Relay Applications to Power Transformers. 6.- IEEE Std C37.95-2002, IEEE Guide for Protective Relaying of Utility Consumer Interconnections 7.- CFE. Listado de Relevadores de Protección Aprobados.

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