El maravilloso mundo de los relés de reactancia de inducción

En la figura se muestra la forma más simple de relé de reactancia de tipo inducción electromagnética ( taza de inducción ). La corriente es la variable operativa. Crea flujo en los polos superior, inferior y derecho. El flujo del polo derecho está desfasado con el cambio en las barras inferior y superior debido al devanado secundario cerrado por un circuito desfasador y colocado en el polo derecho. El flujo de polarización y el flujo del polo derecho interactúan para producir el par de operación K ₁ EU ² . La interacción entre el polo izquierdo y el cambio de polarización crea el par de retención. El circuito de ajuste del ángulo de fase está conectado en serie con la bobina de voltaje.

Un relé de reactancia mide la reactancia de la línea en la ubicación del relé. El rendimiento de este relé de reactancia de tipo inducción no se ve afectado por la resistencia del arco durante la ocurrencia de una falla. En caso de falla, el relé mide la reactancia de la línea desde la ubicación del relé hasta el punto de falla.

Principios fundamentales

Los relés de reactancia de inducción están diseñados para responder a variables operativas específicas en un sistema de energía, generalmente corriente o voltaje. Se basan en la interacción entre campos magnéticos y corrientes eléctricas y utilizan el fenómeno de la inducción electromagnética. Esta interacción crea pares que determinan la respuesta del relé.

Configuración estructural

En una configuración simplificada llamada "copa de inducción", el relé consta de los polos superior, inferior y derecho. El devanado primario normalmente está conectado al circuito mientras que el devanado secundario, cerrado por una carrera de desfase, se coloca en el polo derecho. Este devanado secundario introduce un cambio de fase, provocando que el flujo en el polo derecho esté desfasado con el cambio en las barras superior e inferior.

Generación de par de funcionamiento

La diferencia de fase entre los flujos magnéticos es la clave para el funcionamiento del relé. Cuando la corriente fluye a través del devanado primario, crea flujos magnéticos en todos los polos. La interacción entre el flujo del polo derecho y el flujo de polarización da como resultado un par de operación llamado K1I^2, donde I representa la corriente que fluye a través del devanado primario. Este par sirve como fuerza impulsora para la reacción del relé.

Mecanismo de retención

Aunque el par de operación inicia la respuesta del relé ante una falla o condición anormal, un mecanismo de retención proporciona estabilidad durante el funcionamiento normal. La interacción entre el polo izquierdo y el flujo polarizador crea un par restrictivo. Este par neutraliza el par de operación y evita disparos innecesarios cuando se opera dentro de parámetros aceptables.

Ajuste del ángulo de fase

Para adaptar la respuesta del relé a requisitos de protección específicos, se introduce un circuito de ajuste del ángulo de fase. Este circuito está conectado en serie con la bobina de voltaje y permite ajustes a las características de sensibilidad y respuesta del relé. Al cambiar el ángulo de fase, el comportamiento del relé se puede ajustar para detectar fallas y minimizar con precisión los disparos falsos.

La curva característica de funcionamiento del relé en el diagrama RX es una línea recta paralela al eje X como se indica a continuación en la figura.

El par de funcionamiento se genera mediante la corriente y el par de retención se genera mediante el elemento de dirección de corriente-tensión. El relé de reactancia también se puede utilizar como relé de sobrecorriente con limitación de dirección. El elemento direccional está dispuesto para desarrollar un par negativo máximo cuando la corriente retrasa su voltaje alrededor de 90 ^Ó. Cuando el efecto de control del resorte es K _3, el par T viene dado por:

T = K ₁ I ² –K ₂ VI sen Φ – K ₃ donde sen Φ = Cos (90 – Φ)

Como el valor de K ₃ es muy pequeño, puede despreciarse.

T = K ₁ I ² –K ₂ VI sen Φ.

VIsinΦ indica el número de voltamperios reactivos.

Al inicio de la operación del relé

K ₁ I ² =K ₂ VIsenΦ

K ₁ I =K ₂ V SinΦ

(V/I) = K ₁ /K ₂ senΦ

Z senΦ = K ₁ /K ₂ = X = constante

El par de operación es mayor que el par de retención para la operación del relé. En otras palabras: el par de retención debe ser menor que el par activo.

es decir, K ₂ VIsinΦ < K ₁ EU ²

K ₂ VsinΦ < K ₁ UE

V/I senΦ < K ₁ /K ₂ < K, una constante

X < K, ya que X = Z senΦ y Z = V/I

El relé de reactancia se activa cuando el valor de reactancia medido es menor que el valor K especificado o previsto.

La unidad impulsora utilizada con el relé de reactancia no es la misma que la utilizada con el relé de impedancia porque el relé de reactancia se dispara en condiciones de carga normales cuando el factor de potencia de la carga es igual a 1 o cercano a cero. Esto se debe a que el límite de voltamperios reactivos en o cerca del UPF es cercano a cero. Entonces necesitamos tener una unidad de dirección llamada Unidad Mho o Relé Mho con características circulares.

Los relés de reactancia también protegen corrientes de falla de línea corta inferiores a 20 kA. En este tipo de cables predomina el efecto de la resistencia a fallos o la resistencia al arco.

Entendiendo los ejes

La gráfica 2R-X tiene dos ejes principales: el eje horizontal representa la parte real de la impedancia (R) mientras que el eje vertical es la parte reactiva de la impedancia (X) . Cada punto del diagrama corresponde a una combinación específica de resistencia y reactancia en el sistema.

Zona de relevo y propiedades.

En el diagrama 2R-X, la operación del relé se divide en zonas correspondientes a diferentes fallas y condiciones de operación. Estas zonas ayudan a clasificar el comportamiento del relé y comprender cómo reacciona ante diferentes situaciones:

• Esta es el área donde se activará el relé en caso de falla. Está definido por la configuración y las propiedades del relé. Si la impedancia del circuito defectuoso está dentro de este rango, el relé inicia una acción protectora.
• Esta zona representa el área donde el relé no funciona. Los valores de impedancia en esta zona normalmente están fuera de los ajustes de sensibilidad del relé. Garantiza que el relé permanezca estable y no se dispare en condiciones normales de funcionamiento.

Aplicación y análisis

Los ingenieros utilizan el gráfico 2R-X para analizar la respuesta del relé a diversas condiciones de falla. Al trazar la impedancia del circuito defectuoso en el diagrama, pueden determinar si el relé se disparará o permanecerá inactivo. Este análisis ayuda a configurar adecuadamente los parámetros del relé para el nivel deseado de protección y selectividad.

Consideraciones

• Coordinación: El diagrama 2R-X es crucial para coordinar los relés dentro de una red. Garantiza que los relés más cercanos a la falla funcionen, mientras que los relés más alejados permanecen inactivos.
• Análisis de errores: el diagrama permite a los ingenieros examinar las condiciones de falla e identificar problemas potenciales en la red que podrían afectar el rendimiento del relé.
• Cambios en el sistema: a medida que cambia la configuración de la red, es posible que sea necesario ajustar el diagrama 2R-X para reflejar las nuevas condiciones y mantener una coordinación de protección adecuada.

Para proteger la primera, segunda y tercera zona de la línea de transmisión se utilizan relés de reactancia como los de ^1ª y 2ª ^Zona . La unidad de dirección, un relé de arranque MHO, funciona como un relé de protección ^{de aproximadamente} 3 zonas.

La unidad direccional utilizada con el relé de reactancia, es decir, el arrancador MHO, tiene una característica circular por el motivo que se explica a continuación:

Cargas de alto factor de potencia

En condiciones normales con cargas de alto factor de potencia, la reactancia medida por el relé puede caer por debajo del valor establecido. Esta situación puede dar lugar a un desencadenante falso si no se da la respuesta adecuada.

Segmentación de zonas

Para garantizar que el relé funcione de forma precisa y selectiva, se debe controlar su funcionamiento. Esto se logra limitando el rango del relé en el diagrama RX (Reactancia-Resistencia).

Vigilancia general y 3ª zona

En condiciones normales, con carga de factor de potencia alto, la reactancia medida por el relé puede ser inferior a su ajuste. P1 y P2 en el diagrama están en las zonas 1 y 2, respectivamente. Para evitar falsos disparos en estas condiciones, el relé de reactancia debe ser monitoreado por una unidad de detección de fallas (unidad de arranque o arrancador), que limita su rango en el diagrama RX. Por tanto, su característica debe ser circular. La unidad formadora detecta errores y también sirve como unidad de 3 zonas ^aproximadas .

Comprender la necesidad de precisión

Las cargas de alto factor de potencia son comunes en los sistemas de energía. Sin embargo, estas cargas pueden distorsionar las mediciones de reactancia de un relé, lo que podría provocar disparos falsos. El relé de reactancia, que está destinado a responder a ciertos niveles de impedancia, puede desencadenar medidas de protección inexactas en tales escenarios.

Beneficios

La combinación de relé de reactancia y arrancador MHO ofrece notables ventajas:

• Evitar falsos disparos: El arrancador MHO garantiza la estabilidad del sistema y evita perturbaciones no deseadas, evitando falsos disparos del relé debido al alto factor de potencia.
• Protección uniforme: el arrancador circular MHO tiene en cuenta elementos reactivos y resistivos, lo que garantiza una protección uniforme en un espectro de condiciones de falla. Esta característica mejora la confiabilidad general de la detección de errores.
• Cobertura extendida: El arrancador MHO no solo elimina los disparos falsos, sino que también es una unidad de tercera zona. Esta cobertura protectora ampliada añade una capa adicional de seguridad a la red eléctrica.

Conclusión

Al final de nuestro viaje por el fascinante mundo de los relés de reactancia de inducción, nos encontramos en la interfaz entre tradición e innovación, donde la elegancia de los principios electromagnéticos se une a la tecnología de vanguardia. Estos relés, que actúan como guardianes de la estabilidad en las redes eléctricas, ilustran la sinergia armoniosa entre la teoría científica y la aplicación práctica.