Básicamente, un relé ó equipo de protección consiste en un dispositivo de procesado de una información y una serie de contactos. El dispositivo de procesado toma la información de los transformadores de medida y, después de procesarla, transmite el resultado a través de sus contactos. Cuando estos cierran completan el circuito de disparo de uno o varios interruptores, actúan sobre una señalización o alarma y también, en el caso de protecciones digitales, pueden ser utilizados para actuar sobre las lógicas de otras funciones de protección y control situados en zonas adyacentes ó en lugares remotos. Los contactos que completan los circuitos de disparo cortan las fuentes de energía, aislando el elemento o la parte de instalación en falta de todas las corrientes de alimentación. Los relés incluyen, normalmente, elementos indicadores que permiten visualizar la operación.
Los relés pueden ser clasificados siguiendo distintos criterios, pero nosotros vamos a hacer una clasificación inicial muy general en tres grandes grupos:
• Unidades electromagnéticas • Unidades de electrónica analógica • Unidades de electrónica digital También pueden ser clasificados como:
• Relés de medida, que están previstos como elementos sensibles cuyo funcionamiento depende con una cierta precisión, del valor de la magnitud eléctrica de accionamiento.
• Relés de todo o nada, que están previstos para que actuen dentro de un campo de operación de una amplitud considerable, no teniendo excesiva importancia la exactitud del valor de accionamiento.
Tanto los relés de medida como los de todo o nada pueden a su vez ser instantáneos ó temporizados. Los relés clasificados como de todo o nada se utilizan generalmente en funciones auxiliares de los relés de medida, por lo que reciben el nombre genérico de relés auxiliares.
Existe otra posible clasificación atendiendo a las magnitudes eléctricas de operación, es decir, por: • La intensidad o la tensión (unidades de Intensidad o de Tensión)
• El producto intensidad x tensión (unidades de Potencia, Direccionales ...) • El cociente de dos intensidades (unidades Diferenciales de porcentaje) • El cociente de V/I (unidades de Impedancia, Reactancia, Mho ....) • La frecuencia (unidades de Frecuencia)
Por último, por su utilización según los principios de operación, pudiendo funcionar en: • Corriente alterna
• Corriente contínua
A la hora de definir ó seleccionar los relés, es muy importante tener presentes las caractrísticas siguientes: • El calibre, bien sea la intensidad, tensión y/o frecuencia para el que ha sido dimensionado • El valor de operación
• El valor de reposición en %, que se expresa por R = 100 x Vr/Vop, siendo Vr el valor de reposición y Vop el de operación.
• El consumo, expresado por los valores nominales de la intensidad y la tensión • El poder de apertura y de cierre de sus contactos
• El tiempo de operación y el de reposición
Por el poco uso en los SEP excluimos en esta exposición los relés basados en principios tales como:
• Electrodinámicos - Acción ejercida por el campo de un electroimán sobre un circuito móvil recorrido por una corriente
• Magnetoeléctricos - Acción ejercida por un campo producido por un imán sobre un cuadro móvil recorrido por una corriente
• Térmicos - Actuación a través de la variación de las características físicas de alargamiento de determinados metales en función de la temperatura y también, por la variación sensible de la resistencia eléctrica con la temperatura, en resistencias no lineales (resistores)
La descripción de las unidades electromagnéticas y estáticas de electrónica convencional que vamos a hacer seguidamente la hemos considerado interesante, por existir aún un gran parque de relés y equipos de protección constituidos por unidades fabricadas con estas tecnologias y, también, porque los electromagnéticos se utlizan actualmente con gran profusión, como elementos de entrada, salida y funciones auxiliares en las protecciones digitales.
05-1 Unidades electromagnéticas
Pretendemos hacer una descripción lo más somera posible, extendiendonos algo más en aquellas unidades basadas en las tecnologias mencionadas y que han precedido a las actuales de tecnologia digital, bien por ser de utilización actual ó por ser los más numerosos del parque existente de relés y equipos de protección.
De acuerdo con las estructuras constructivas, los relés electromagnéticos más usuales podemos clasificarlos en cuatro tipos que denominaremos de :
• Armadura Basculante • Succión
• Disco de Inducción • Copa de Inducción
Los dos primeros tipos, el de armadura basculante y el de succión son de atracción magnética. En ambos casos, la armadura es atraida contra la cara de un núcleo electromagnético ó hacia el interior de una bobina. Los principios en que se basan se aplican para magnitudes eléctricas de corriente alterna y de corriente continua. En los otros dos tipos de unidades básicas electromagnéticas, disco y copa de inducción, el principio de actuación en ambos es el mismo, produciéndose el par por inducción magnética en un rotor móvil, de la misma forma que se produce en los motores de inducción de fase partida. Por lo tanto, este último principio es solo aplicable a magnitudes de corriente alterna.
PIEZA POLAR BOBINA
RESORTE
a) Unidad de armadura basculante
BASTIDOR CONTACTOS
e
PALETA
Fig. 19 - Estructura básica de un relé de armadura basculante
05-1-1 Unidad de armadura basculante
Este tipo de relé de estructura basculante que mostramos en la Fig. 19 es de construcción muy sencilla, pues consiste en un bastidor de fleje de acero magnético soportando un núcleo sobre el que va una bobina. Sobre el bastidor pivota una paleta que es atraida magnéticamente contra la cara plana del núcleo polar cuando la bobina es atravesada por la corriente de operación. La paleta arrastra solidariamente unos contactos móviles que tocan los fijos en la posición de operado. Un muelle antagonista mantiene la paleta en su posición abierta hasta que se cumplan ciertas condiciones de actuación impuestas a la unidad.
En la Fig. 20 podemos observar un croquis con una variante de este tipo de unidad básica, donde figura un detalle del sistema de arrastre de contactos en una unidad denominada de tipo telefónico y que es muy usual y se fabrica profusamente en tamaños pequeños, denominados microrrelés.
Contactos
Lámina flexible
Bobina Núcleo
Estructura de contactos del tipo telefónico Bobina e
e
Fig. 20 - Detalle de los contactos tipo telefónico
Vamos a reseñar a continuación las ventajas , inconvenientes y aplicaciones más usuales de los relés fabricados con este tipo de estructura electromagnética de armadura basculante.
Ventajas.
• Pueden utilizarse tanto en C.C. como en C.A. • Son de construcción muy simple y robusta • Se pueden lograr altas velocidades de operación • Su coste es bajo
• Pueden ser de autorreposición o de reposición manual • Pueden disponer múltiples contactos
• Buena presión de contactos Desventajas
• Bajo valor de reposición (sobre todo en C:C.) • Poca precisión en respuesta y en caida
• Solamente responde ante una sola magnitud eléctrica (Intensidad o Tensión) Aplicaciones más usuales
• Como auxiliar multiplicador de contactos de un relé de medida
• Como auxiliar de relés de medida para disponer de contactos robustos (Amperios de corte) • Para utilizar como de reposición manual y evitar reconexiones no deseadas
• Pueden diseñarse para introducir una pequeña demora voluntaria • Como aislamiento entre circuitos
Las unidades de CA llevan en los extremos de las piezas polares unos anillos de cobre, para evitar que se produzca vibraciones por efecto de los pases por cero del flujo.
05-1-2 Unidad de succión
La estructura de succión consiste en un núcleo o barrita cilíndrica de acero magnético que es axialmente atraida al interior de un solenoide cuando es recorrida por una corriente. Solidariamente unidos a este núcleo van los contactos móviles, que en su recorrido de operación, tocan a los contactos fijos cerrando y completando de esta forma un circuito eléctrico. En la Fig. 21 se muestra un croquis de este tipo de unidad básica y vamos a señalar, igualmente, las ventajas y desventajas de este tipo de unidades.
Bobina Bastidor Vástago Contactos e b) Unidad de succión
Fig. 21 - Estructura básica del relé de Succión
Ventajas
• Pueden ser utilizadas en C.C. y en C.A. • Son de construcción simple y robusta • Tienen alta velocidad de operación • Sus estructuras son de bajo coste
• Se pueden disponer con un diseño de alto valor de reposición (Entre el 85-90 %) Desventajas
• Par con vibraciones, sobre todo en C.A.
• No puede utilizarse permanentemente en posición de operado
• Respuesta más baja con ondas con contenido de componente continua que con onda simétrica de c.a. • No permite un control direccional sobre la misma estructura
• Responde solamente a una magnitud eléctrica, bien sea intensidad o tensión
05-2 Otros relés auxiliares
No es objeto de esta publicación hacer una enumeración exhaustiva de las estructuras utilizadas en funciones auxiliares, pero de entre ellas, vamos a reseñar el relé biestable y el relé de lengüetas, conocido como relé reed, que los hemos representado en la Fig. 22.
En el relé biestable de polarización magnética de la Fig. 22 (a), se introduce el efecto de un imán permanente en el circuito magnético. Al aplicar una corriente continua de una determinada polaridad en los extremos de una bobina, la armadura móvil basculará al lado que le corresponde (sentido de repulsión del imán), cerrando el contacto que estaba abierto y abriendo aquel que permanecía cerrado, quedando en esta posición hasta que no reciba un impulso de tensión para que opere en sentido contrario. En este tipo de relés es preciso que haya una garantía absoluta de que la armadura no se quede en una posición intermedia, sino que siempre bascule a una u otra posición, donde uno de los contactos quede cerrado y el otro abierto. Se han utilizado y se utilizan aún en las grandes subestaciones para configurar las posiciones de los interruptores y seccionadores, reflejando sus posiciones de abierto o cerrado, es decir, configurando en todo momento la subestación.
El relé denominado relé reed de la Fig. 22 (b), consiste en un par de lengüetas que constituyen un contacto normalmente abierto que se halla en el interior de una ampolla de vidrio donde se ha hecho el vacío. Sobre la ampolla va una bobina que al aplicarle la tensión eléctrica adecuada, cierra por acción electromagnética el contacto de lengüetas. Se caracterizan por su pequeño consumo, utilizándose como aislamiento galvánico de circuitos electrónicos y, también, como relés de salida de las unidades de medida en los relés y funciones de protección.
S N S + - BOBINA CONTACTO CONTACTO + - BOBINA AMPOLLA DE VIDRIO CONTACTOS a) Unidad biestable b ) Relé "reed" IMÁN PERMANENTE
Fig. 22 - Estructuras básicas de un relé biestable y de un relé “Reed”
05-3 Unidades de inducción
Las unidades de inducción que vamos a describir a continuación han sido las más utilizadas en los relés de protección y son aún de bastante actualidad, sobre todo, por el gran parque de relés que existe con estos tipos de unidades. Por ello y a título de ejemplo, vamos a exponer de forma sencilla el principio de operación que es el de un motor de fase partida. Debido a su principio de funcionamiento, no pueden ser utilizados en corriente continua.
La fuerza de actuación se desarrolla en un elemento móvil que puede consistir en un disco u otra forma de rotor, de material no magnético (cobre ó aluminio), pero conductor eléctrico, donde se producen acciones electrodinámicas entre los flujos y las corrientes inducidas en el rotor, como pueden apreciarse en la Fig. 23 que mostramos a continuación.
Se trata de dos flujos alternos paralelos y desfasados incidentes sobre una parte de un rotor que inducen unas corrientes sobre el mismo, produciéndose unas fuerzas electromagnéticas entre un flujo y las corrientes inducidas por el otro y viceversa. La resultante de ambas fuerzas origina un par de giro sobre el rotor.
Sean φ1=φ10sen tω , φ2=φ20sen
(
ω θt+)
siendo θ el ángulo en adelanto de φ2 sobre φ1.Consideremos, sin gran error, que la parte de rotor donde se inducen las corrientes tiene una autoinducción despreciable y por lo tanto, que las intensidades inducidas están en fase con sus tensiones respectivas, con lo que obtendremos las expresiones siguientes:
i d dt t φ1 φ ωφ ω 1 10 = = cos i d
(
)
dt t φ= φ2 =ωφ20cosω θ+F F2 1 φ φ1 2 φ φ i 1 2 i TROZO DE ROTOR
Fig. 23 - Par producido en una unidad de inducción
En la fig. 23 hemos puesto las fuerzas F1 y F2 en oposición obteniendo: F = F2 - F1 = φ2 1i −φ1 2i
(
)
(
)
[
]
F=ω φ φ2 ωt+θ ωt− ωt ωt+θ =ω φ φ θ 10 20 2 10 20sen cos sen cos sen
De esta expresión del par de actuación F, deducimos las siguientes conclusiones: • La fuerza es constante para cualquier instante, es decir independiente del tiempo.
• Al ser el par constante, a pesar de ser alternos los flujos φ1 y φ2 incidentes en el rotor, la fuerza es
positiva y libre de vibraciones. El par está influenciado por el cuadrado de la frecuencia.
• La fuerza F está aplicada en el punto donde el flujo más adelantado atraviesa la porción del rotor y su dirección es hacia el punto donde atraviesa el flujo más retrasado, que en este caso es de φ2 hacia φ1.
• Cualquiera que sea el sentido de la intensidad la dirección de giro del disco será la misma.
Esta fuerza F es la que producirá el par de giro en el rotor. Podemos sintetizar señalando que "Dos flujos
alternos desfasados y paralelos al atravesar una parte de un rotor de material no magnético pero conductor eléctrico, producen una fuerza de sentido del flujo más adelantado hacia el más retrasado" . Esta fuerza o par
será máximo cuando el desfase entre ambos flujos sea de 90º, dependiendo la dirección de la fuerza, de la identificación de cúal de los flujos es el más adelantado.
05-3-1 Unidad de disco de inducción
La unidad de disco de inducción consiste en un disco metálico de cobre o de aluminio que puede girar entre los polos de un elemento electromagnético. Estas unidades se basan en el principio descrito anteriormente de los efectos mutuos entre campos magnéticos y las corrientes eléctricas inducidas por ellos. Como hemos señalado ya, cuando dos flujos magnéticos paralelos y desfasados entre sí inciden perpendicularmente en un disco de metal no magnético, se desarrolla una fuerza dirigida del flujo adelantado hacia el retrasado, generando un par de giro en el disco. Uno de los flujos es el generado por la magnitud eléctrica que se aplica al elemento electromagnético que forma parte de la unidad y, el otro flujo, el producido mediante unos aros de cortocircuito colocados asimétricamente en una parte de núcleo electromagnético o por unas bobinas en corto que sustituyen estos aros. Estos aros en cortocircuito y las bobinas se denominan aros y bobinas de sombra. Las bobinas de sombra, a través del contacto de un elemento direccional, van a permitir que una unidad de sobreintensidad del tipo de disco de inducción se convierta en una unidad de sobreintensidad direccional, de la que hablaremos con más amplitud en el capítulo relacionado con las funciones de protección.
ROTOR BOBINA NUCLEO MAGNÉTICO AROS DE CORTOCIRCUITO SENTIDO DE GIRO
Detalle del desdoblamiento del flujo por la acción de los aros de cortocircuito ROTOR
AROS DE CORTO
a) Estructura de la unidad de inducción
Φ Φ Φ Φ Φ Φ 1 2 1 2 Φ Φ Φ Φ Φ1 Φ 2 1 2
Fig. 24 - Estructuras básicas de las unidades de disco de inducción
En la Fig. 24 se muestran estas unidades básicas. La unidad de inducción clásica convencional representada en a) figura con unos aros de sombra, pero estos pueden ser sustituidos, como hemos señalado antes, por unas bobinas que permitan intercalar los contactos de una unidad direccional. La unidad de tipo vatimétrico representada en b) sustituye los aros o bobinas de sombra, por unas bobinas donde se crea el flujo paralelo. En ambos casos, si es que los aros han sido reemplazados por bobinas, no actuará la unidad mientras estas bobinas no se hallen cortocircuitadas, por no existir el flujo desfasado sobre el rotor.
Sobre el eje del disco y solidario al mismo, va dispuesto un contacto móvil que al operar es arrastrado por él en su giro hasta hacer contacto con uno fijo.
Vamos repetir una vez más que estas unidades de disco de inducción son las más numerosas del parque existente de relés fabricados con las tecnologías electromagnéticas precedentes y exponemos a continuación sus ventajas y sus desventajas.
• Pueden obtenerse varias curvas características diferentes.
• Pueden operar por la acción de una sola magnitud, suma o resta de dos magnitudes y por el seno del ángulo que forman estas dos magnitudes.
• Pueden permanecer permanentemente en posición de operado. • Son de alto valor de reposición.
• Permiten control direccional.
• Mayor mantenimioento debido a la tendencia al desajuste. Desventajas
• No pueden ser utilizados en C.C. • Alto valor del tiempo de reposición
• Valor de operación afectado por la variación de frecuencia • Mayor mantenimioento debido a la tendencia al desajuste. 05-3-2 Unidad de copa de inducción
La unidad de copa inducción se basa también en el mismo principio descrito para las unidades de disco de inducción y consiste en un cilindro metálico, normalmente de aluminio, que termina en forma de copa. Esta copa metálica gira en un entrehierro anular que se forma entre el elemento electromagnético situado en la parte exterior de la unidad y un núcleo magnético fijo central. En sus configuraciones actuales la copa de inducción está formada por cuatro u ocho polos salientes, distribuidos simétricamente alrededor de la circunferencia externa de la copa. En la Fig. 25 se muestra esquemáticamente una unidad básica de cuatro polos salientes. Los órganos de giro de esta unidad son de muy pequeña inercia y por lo tanto muy sensibles, precisando muy poca energía eléctrica para su operación. Solidario al eje del rotor va dispuesto un contacto móvil que al hacer el giro en su operación, hace contacto con uno fijo.
NUCLEO MAGNETICO ROTOR NUCLEO FIJO NUCLEO MAGNÉTICO NUCLEO FIJO ROTOR ROTOR EJE COPA
Fig. 25 - Unidad básica de copa de inducción
Han sido utilizadas con gran profusión en las unidades direccionales y en las unidades de distancia, constituyendo características de reactancia, de admitancia (Mho) y de impedancia. Más adelante, describimos este tipo de unidades eléctricamente.
También estas unidades son aún muy numerosas en el parque existente y a continuación, vamos a señalar sus ventajas y desventajas.
Ventajas
• Gran velocidad de actuación.
• Pueden operar por la acción de una sola magnitud eléctrica, por la suma o por la diferencia de dos magnitudes y por el producto y el seno del ángulo de fase de dos magnitudes.
• Pueden permanecer indefinidamente en posición de operado. • Son de alto valor de reposición.
• Permiten un control direccional.
• Su operación es independiente de la forma de onda. • Característica muy estable.
• Tiempo bajo de reposición. • Construcción muy robusta. Desventajas
• Solamente se pueden utilizar en C.A.
• En golpes fuertes de operación pueden rebotar los contactos. • La actuación está influenciada por las variaciones de la frecuencia. • Mayor mantenimiento debido a la tendencia al desajuste
Las estructuras electromagnéticas de copa de inducción, tanto de cuatro como de ocho polos, se han utilizado como hemos indicado anteriormente, con gran profusión en las denominadas Unidades Ohmicas que a título de ejemplo vamos a describir y representar sus diferentes características sobre el diagrama R-X .
Las unidades así denominadas permiten incluir en sus estructuras, bobinas alimentadas por las magnitudes eléctricas de intensidad y tensión, respondiendo a las magnitudes citadas y al ángulo de desfase entre ellas.
El principio sobre el que se basan estas unidades es el mismo que se ha descrito para el rotor de inducción, es decir, la incidencia sobre un elemento móvil no magnético pero conductor eléctrico, de dos flujos paralelos y desfasados y cuyas acciones electromagnéticas entre los flujos y las corrientes inducidas por los mismos, van a crear una fuerza y, por lo tanto, un par de giro.
Como hemos señalado, vamos a representar estas unidades sobre el diagrama R-X, donde las abscisas representarán las R y las ordenadas las X. Estos diagramas son de gran utilidad para representar sobre ellos las características de operación de las diferentes funciones de protección, superponiendo los diferentes parámetros de las líneas a proteger.
Estas unidades óhmicas que responden a las tres magnitudes antes mencionadas E , I y el desfase θ entre