Errores comunes al actualizar los sistemas de protección

Introducción

La mejora de los esquemas de protección de las subestaciones de media tensión es una de las actividades de puesta en servicio técnicamente más exigentes de la ingeniería de sistemas eléctricos, y una de las que con más frecuencia se ejecutan de forma incorrecta. Se sustituye el relé, se recalculan los ajustes, se supera la prueba de puesta en servicio y la subestación vuelve al servicio. Tres meses después, se produce una avería y la protección no funciona correctamente. La investigación revela que el relé estaba perfectamente especificado y correctamente ajustado, pero los transformadores de corriente que lo alimentan nunca se reevaluaron para comprobar su compatibilidad con el nuevo esquema de protección, y los errores de medición que causaron el fallo de la protección estaban presentes desde el primer día de funcionamiento del esquema actualizado.

La respuesta directa es la siguiente: los errores más comunes y con mayores consecuencias en las actualizaciones de los esquemas de protección no son errores de ajuste de los relés, sino errores de medición de los TC que se producen porque los ingenieros tratan la instalación de TC existente como una entrada fija y verificada del nuevo esquema de protección en lugar de como un componente que debe volver a evaluarse, probarse y confirmarse en función de los requisitos de medición, las características de carga y las demandas de rendimiento transitorio del nuevo relé, que casi siempre son diferentes de las del relé que se sustituye.

Para ingenieros de protección de subestaciones, directores de proyectos de actualización de media tensión y equipos de puesta en servicio de seguridad crítica responsables de las actualizaciones de esquemas de protección, esta guía identifica todos los errores significativos de medición de TC que se producen durante las actualizaciones de esquemas de protección y proporciona la metodología de ingeniería para evitarlos.

Índice

• ¿Por qué son incompatibles los TC existentes cuando se actualizan los sistemas de protección?
• ¿Cuáles son los errores de medición de TC más peligrosos durante las actualizaciones de los esquemas de protección?
• ¿Cómo reevaluar correctamente las especificaciones de los TC para actualizar los esquemas de protección de media tensión?
• ¿Cómo llevar a cabo una verificación segura de las mediciones de TC durante los proyectos de actualización del esquema de protección en tensión?
• Preguntas frecuentes sobre los errores de medición del TC en las actualizaciones del sistema de protección

¿Por qué son incompatibles los TC existentes cuando se actualizan los sistemas de protección?

La suposición de que los TC existentes siguen siendo totalmente compatibles con un nuevo relé de protección es el error fundamental de la mayoría de los proyectos de actualización de esquemas de protección. Parece razonable: la relación del TC no ha cambiado, la corriente primaria no ha variado y el TC ha superado su última prueba de mantenimiento. Lo que ha cambiado es el relé, y el relé define el entorno de medida en el que debe operar el TC.

Cada relé de protección presenta una carga específica para el circuito secundario del TC. Cada relé de protección tiene unos requisitos específicos de rendimiento transitorio que determinan el factor limitador de precisión (ALF) del TC necesario para un funcionamiento correcto en condiciones de falta. Cada relé de protección tiene un algoritmo de medida específico - RMS, fasor de frecuencia fundamental o detección de pico - que interactúa de forma diferente con la distorsión de la forma de onda secundaria del TC. Cuando cambia el relé, estos tres parámetros cambian simultáneamente, y es posible que el TC existente no satisfaga ninguno de ellos.

Parámetros técnicos clave que cambian cuando se sustituye un relé de protección:

• Carga secundaria (VA)¹: Los relés de protección numéricos modernos presentan cargas de 0,025-0,1 VA a 1 A secundario, de diez a cuarenta veces inferiores a la carga de 1-5 VA de los relés electromecánicos a los que sustituyen; esta drástica reducción de la carga cambia el punto de funcionamiento del TC en su curva de excitación y puede provocar un comportamiento inesperado del TC en condiciones de fallo.
• Factor límite de precisión (ALF)² requisito: La especificación de rendimiento transitorio del nuevo relé define el ALF mínimo del TC requerido para un funcionamiento correcto durante la corriente de fallo máxima; si el ALF del TC existente en la carga del nuevo relé es inferior al requerido, el TC se saturará antes de que el relé pueda tomar una decisión de protección correcta.
• ALF efectivo a nueva carga: ALF_efectivo = ALF_valorado × (Rct + Rburden_valorado) / (Rct + Rburden_actual); reducir la carga del relé de 5 VA a 0,1 VA aumenta drásticamente el ALF efectivo, lo que parece beneficioso pero puede hacer que el TC funcione en una región inesperada de su característica de excitación.
• Compatibilidad del algoritmo de medición: Los relés electromecánicos responden al valor eficaz de la forma de onda de la corriente secundaria, incluidos todos los armónicos y el desplazamiento de CC; los relés numéricos extraen el fasor de frecuencia fundamental mediante filtrado de Fourier: la forma de onda secundaria del TC en condiciones de fallo debe ser compatible con el algoritmo de filtrado específico del relé.
• Normas aplicables: IEC 61869-2³ (precisión del TC y ALF), IEC 60255-151 (requisitos del relé de protección contra sobreintensidades), protección diferencial del transformador⁴ requisitos (IEC 60255-187-1)

El cálculo del ALF efectivo revela una consecuencia crítica y contraintuitiva de la sustitución de los relés electromecánicos de alta carga por relés numéricos de baja carga:

$ALF_{efectivo} = ALF_{clasificado} \veces \frac {R_{CT}} + R_{burden,rated}}{R_{CT}} + R_{burden,actual}} + R_{burden,actual}}$

Para un TC de capacidad 5P20 con Rct = 2 Ω y carga nominal = 15 VA (15 Ω a 1 A):

• Con relé electromecánico original a 5 VA (5 Ω): ALF_efectivo = 20 × (2+15)/(2+5) = 48.6
• Con nuevo relé numérico a 0,1 VA (0,1 Ω): ALF_efectivo = 20 × (2+15)/(2+0,1) = 161.9

El TC que funcionaba a ALF 48,6 con el relé antiguo, ahora funciona a ALF 161,9 con el relé nuevo, muy por encima del punto de inflexión de su curva de excitación en condiciones de fallo, en una región en la que el comportamiento transitorio del TC es impredecible y en la que la forma de onda secundaria puede contener una distorsión significativa que el filtro de Fourier del relé numérico no puede procesar correctamente.

¿Cuáles son los errores de medición de TC más peligrosos durante las actualizaciones de los esquemas de protección?

Los errores de medición del TC en la actualización del esquema de protección se dividen en dos categorías: errores de especificación cometidos durante la fase de diseño que crean incompatibilidad antes de que comience la instalación, y errores de puesta en servicio cometidos durante la ejecución de la actualización que introducen errores en un sistema que, por lo demás, está correctamente especificado.

Error de especificación 1: aceptar el TC existente sin reevaluar el ALF en la nueva carga

El error de especificación más común y más peligroso. El ingeniero de protección especifica el nuevo relé, calcula los nuevos ajustes del relé y observa que la relación del TI existente no ha cambiado, entonces acepta el TI existente sin recalcular su ALF efectivo en la carga del nuevo relé.

La consecuencia: el TC funciona en un punto de su característica de excitación muy diferente con el nuevo relé que con el antiguo. En el caso del relé numérico de baja carga descrito anteriormente, el TI puede funcionar tan por encima de su punto de inflexión durante las condiciones de fallo que la forma de onda de la corriente secundaria está muy distorsionada, con grandes componentes de desplazamiento de CC y contenido armónico del que el filtro de Fourier del relé numérico no puede extraer correctamente el fasor fundamental. El relé no funciona, funciona con una temporización incorrecta o funciona con el componente de forma de onda distorsionado en lugar de con la corriente de falta de frecuencia fundamental.

Error de especificación 2: Desajuste de los núcleos de TC entre las funciones de protección

Los TC de media tensión suelen contener varios núcleos: núcleos separados para las funciones de protección y medición y, a veces, núcleos separados para diferentes funciones de protección. Durante una actualización del esquema de protección, es habitual reasignar los núcleos de los TC, por ejemplo, utilizando un núcleo dedicado anteriormente a la protección contra sobreintensidades para la nueva función de protección diferencial.

El error de reasignación de núcleos: la protección diferencial requiere núcleos de TC adaptados con errores de relación y desplazamientos de fase idénticos en ambos lados del equipo protegido. Utilizar un núcleo previamente optimizado para la protección contra sobreintensidades -con un ALF más alto y una característica de excitación diferente- en un lado de un esquema diferencial mientras se utiliza un núcleo de medida estándar en el otro lado crea una corriente diferencial permanente en condiciones de carga normales que el relé debe contener o malinterpretar como un fallo interno.

Error de especificación 3: Ignorar el historial de remanencia del TC durante la actualización

Un TC que ha estado en servicio durante varios años en una subestación con un historial de fallos ha acumulado flujo remanente en su núcleo. El flujo remanente desplaza el punto de funcionamiento del TC en su curva B-H, aumentando la corriente magnetizante, incrementando el error de relación y reduciendo el FAL efectivo por debajo del valor nominal.

Durante la actualización de un esquema de protección, nunca se evalúa el estado del flujo remanente del TC existente, ya que el procedimiento estándar de puesta en servicio para la sustitución de un relé no incluye la desmagnetización del TC ni la verificación de la precisión de la relación. El nuevo relé se pone en servicio con un TC que puede estar funcionando a 60-70% de su ALF nominal debido a la remanencia acumulada, una condición que hará que el TC se sature antes de lo que espera el algoritmo de protección del nuevo relé.

Error de especificación 4: Cálculo incorrecto de la carga secundaria para el nuevo tendido de cables

Las actualizaciones del esquema de protección suelen implicar la reubicación del relé de protección: de un panel local adyacente a la aparamenta a un panel de protección centralizado en una sala de control remota, o de un relé montado en panel a un relé numérico montado en bastidor con diferentes ubicaciones de terminales. Cada reubicación cambia la longitud del cable secundario y, por tanto, la resistencia del circuito secundario, lo que cambia la carga secundaria total y, por tanto, el ALF efectivo.

Comparación: Errores de medición del TC según la gravedad de las consecuencias

Tipo de error	Método de detección	Consecuencia si no se detecta	Gravedad
El ALF no se recalcula con la nueva carga	Análisis de la curva de excitación	Saturación del TC durante el fallo - fallo de protección	Crítica
Reasignación de núcleo por diferencial	Inyección primaria5 prueba de equilibrio	Corriente diferencial permanente - funcionamiento incorrecto	Crítica
Remanencia no evaluada	Prueba de relación + desmagnetización	ALF efectivo reducido - operación retrasada	Alta
Carga no recalculada para el nuevo cable	Medición secundaria de la carga	Reducción de ALF - saturación a menor corriente de fallo	Alta
Polaridad no verificada tras la actualización	Prueba de polaridad de inyección primaria	Fallo del relé direccional - decisión de disparo incorrecta	Crítica
Relación CT no confirmada tras el cambio de toma	Medición de ratios	Error de ajuste de sobrecorriente/subcorriente - captador incorrecto	Alta

Caso práctico - Mejora de la subestación de media tensión de 33 kV, Cementera, Norte de África:
Un ingeniero de protección de una planta cementera se puso en contacto con Bepto Electric después de que una avería en las barras causara daños catastróficos en un cuadro de distribución de 33 kV, daños que deberían haber sido limitados por el relé de protección de barras que se había instalado seis meses antes como parte de una actualización del sistema de protección. La investigación posterior a la avería reveló que el relé de protección de barras no había funcionado durante la avería. El proyecto de actualización había sustituido los relés de sobreintensidad electromecánicos originales por un moderno relé de protección de barras numérico, pero no había recalculado el ALF efectivo de los TC existentes con la carga de 0,08 VA del nuevo relé. Los TC existentes, con un valor nominal de 5P20 y un Rct de 3 Ω, tenían un ALF efectivo de 187 con la carga del nuevo relé, muy por encima del punto de inflexión. Durante la avería en la barra colectora, la forma de onda secundaria del TI estaba muy distorsionada con grandes componentes de desplazamiento de CC que el filtro de Fourier del relé numérico no podía procesar dentro de su ventana de tiempo de funcionamiento. El relé no pudo extraer un fasor de frecuencia fundamental válido antes de que su temporizador de vigilancia interno reiniciara el ciclo de medición. La sustitución del TC por unidades especificadas para aplicaciones de relé numérico de baja carga - con un ALF controlado de 30 a la carga secundaria real - resolvió el fallo de protección. El ingeniero de protección declaró: “Actualizamos el relé a la tecnología más moderna disponible y acabamos con un rendimiento de protección peor que el de los relés electromecánicos que sustituimos. El TC era el problema, y nunca lo miramos porque la relación no había cambiado”.”

¿Cómo reevaluar correctamente las especificaciones de los TC para actualizar los esquemas de protección de media tensión?

Una reevaluación correcta del TC para actualizar el esquema de protección requiere una metodología estructurada en cuatro pasos que trate el TC existente como un componente no verificado hasta que se demuestre su compatibilidad con el nuevo esquema de protección.

Paso 1: Definir los nuevos requisitos de medición de relés

Antes de evaluar el TC existente, caracterice completamente los requisitos de interfaz del TC del nuevo relé:

• Carga secundaria a corriente nominal: Obtenga de la especificación técnica del fabricante del relé - no la carga nominal del relé, sino la impedancia de entrada real a la corriente nominal secundaria del TC; los relés numéricos modernos presentan 0,025-0,1 VA a 1 A, no los 1-5 VA indicados como carga nominal.
• Clase de precisión CT requerida: Confirme si el nuevo relé requiere TC de clase P (5P o 10P) o de clase PX (definidos por la tensión en el punto de inflexión y la corriente magnetizante): muchos relés modernos de protección diferencial y de distancia especifican requisitos de clase PX que los TC de clase P existentes pueden no satisfacer.
• Factor de dimensionamiento transitorio (Ktd): Para los relés con requisitos de funcionamiento transitorio especificados, obtenga el Ktd requerido de la especificación del relé; éste define la capacidad transitoria mínima del TC necesaria para el funcionamiento correcto del relé durante los primeros ciclos de la corriente de defecto.
• Algoritmo de medición: Confirme si el relé utiliza la medición RMS, la extracción del fasor de frecuencia fundamental o la detección de picos: cada algoritmo tiene una sensibilidad diferente a la distorsión de la forma de onda secundaria del TC en condiciones de fallo.

Paso 2: Recalcular el ALF efectivo con la nueva carga secundaria

Aplicar la fórmula ALF efectiva para cada TC existente en el esquema de protección actualizado:

$ALF_{efectivo} = ALF_{clasificado} \veces \frac {R_{CT}} + R_{burden,rated}}{R_{CT}} + R_{burden,actual}} + R_{burden,actual}}$

Dónde:

• $R_{burden,actual}$ = impedancia de entrada del relé + resistencia del cable secundario (ambos conductores) + cualquier otra impedancia en serie del circuito secundario
• Comparar ALF_efectivo con el ALF requerido del nuevo relé: si ALF_efectivo supera el valor requerido en más de 3×, el TC puede funcionar en una región impredecible durante las condiciones de fallo; si ALF_efectivo es inferior al valor requerido, el TC se saturará antes de que el relé pueda tomar una decisión de protección correcta.

Paso 3: Verificar la asignación del núcleo del TC para cada función de protección

• Asignar los núcleos CT existentes a las nuevas funciones de protección: Documentar qué núcleo de TC físico está conectado a cada entrada de relé de protección en el esquema actualizado.
• Verificar que la clase de precisión del núcleo coincide con la función de protección: Núcleos de protección (5P, 10P, Clase PX) para relés de protección; núcleos de medición (Clase 0,5, Clase 1) para contadores de ingresos; no utilice nunca un núcleo de medición para una función de protección en un esquema actualizado.
• Verificar la coincidencia del núcleo del TC diferencial: Para la protección diferencial de transformadores o barras colectoras, confirme que los núcleos de los TC de ambos lados del equipo protegido tienen errores de relación y desplazamientos de fase coincidentes: obtenga certificados de prueba de fábrica para ambos TC y compárelos.

Paso 4: Evaluar el estado del TC y la remanencia

• Revisar el historial de eventos de fallo: Obtenga los registros de eventos del relé de protección de los últimos 3-5 años; identifique todos los eventos de falla en los que la corriente primaria del TC excedió 50% de la corriente nominal de corta duración - cada evento de este tipo es un evento potencial de acumulación de remanencia.
• Realice la prueba de la curva de excitación: Comparar la curva de excitación medida con el certificado de prueba de fábrica; un punto de inflexión desplazado o un aumento de la corriente magnetizante en el punto de inflexión confirma la acumulación de flujo remanente.
• Realizar la desmagnetización si se confirma la remanencia: Desmagnetizar antes de la verificación de la precisión de la relación: los resultados de la prueba de relación en un TC afectado por remanencia no son representativos del verdadero rendimiento de la clase de precisión del TC.
• Realice la verificación de la precisión de la relación después de la desmagnetización: Confirmar que el error de relación y el desplazamiento de fase están dentro de los límites de la clase de precisión antes de aceptar el TC para el esquema de protección actualizado.

Escenarios de aplicación

• Actualización de relés de sobreintensidad electromecánicos a numéricos: Recalcular el ALF efectivo con la nueva carga de relé; verificar que el ALF_efectivo está entre 2-5× ALF requerido; evaluar el historial de remanencia; verificación obligatoria de la polaridad de la inyección primaria.
• Adición de protección diferencial del transformador a una instalación de TC existente: Verificar la compatibilidad de la clase PX del núcleo del TC; realizar la prueba de inyección primaria de equilibrio del circuito diferencial; confirmar los errores de relación de correspondencia en los pares de TC de AT y BT.
• Mejora de la protección de distancia en el alimentador de transmisión: Verificar la tensión del punto de inflexión de la Clase PX con la especificación del relé; recalcular la carga secundaria, incluido el nuevo tendido de cables al panel del relé remoto; confirmar el cumplimiento del Ktd.
• Protección de barras: Verificar que todos los núcleos de TC de barras colectoras tienen características coincidentes; calcular el factor de estabilidad para condiciones de fallo pasante; verificación obligatoria de la estabilidad de la inyección primaria antes de la energización.

¿Cómo llevar a cabo una verificación segura de las mediciones de TC durante los proyectos de actualización del esquema de protección en tensión?

Pasos de verificación de la medición segura del TC

1. Cortocircuitar los circuitos secundarios del TC antes de cualquier desconexión del relé: Antes de desconectar cualquier circuito secundario del TC del relé existente, aplique enlaces de cortocircuito en los terminales secundarios del TC o en el bloque de terminales de prueba - El circuito abierto secundario del TC bajo corriente primaria crea alta tensión letal; el cortocircuito debe preceder a cualquier desconexión de los terminales del relé.
2. Verifique la integridad del enlace de cortocircuito bajo carga: Después de aplicar los eslabones de cortocircuito, confirme que la corriente secundaria fluye a través del eslabón de cortocircuito utilizando una pinza amperimétrica: un eslabón de cortocircuito que parece conectado pero tiene un contacto suelto es un peligro latente de circuito abierto.
3. Realice la verificación de relación y polaridad antes de la conexión del relé: Con el nuevo relé instalado pero aún no conectado al circuito secundario del TC, realice la verificación de la relación de inyección primaria y la polaridad: confirme que el TC suministra la corriente secundaria correcta en la dirección correcta antes de conectarlo al nuevo relé.
4. Verificar la carga secundaria con el nuevo relé conectado: Mida la carga total del circuito secundario con el nuevo relé conectado; compárela con la carga nominal del TC; confirme que el cálculo del ALF efectivo es coherente con la carga medida.
5. Realice la prueba de protección funcional antes de retirar los enlaces de cortocircuito: Con el nuevo relé conectado y el circuito secundario del TC completo, realice la prueba funcional de inyección secundaria del relé: confirme el funcionamiento correcto, la temporización correcta y el funcionamiento correcto de los contactos de salida antes de retirar los eslabones de cortocircuito del circuito primario y volver al servicio.

Errores comunes de seguridad durante la actualización de los sistemas de protección

• Retirar los enlaces de cortocircuito secundarios del TC antes de completar la reconexión del relé: El error de puesta en marcha más peligroso: incluso un breve periodo con el secundario del TC abierto mientras fluye la corriente primaria crea un riesgo de alta tensión en el terminal abierto; mantenga los enlaces en cortocircuito hasta que se verifique que todo el circuito secundario es continuo.
• Realizar la prueba de inyección secundaria sin verificar la continuidad del circuito secundario del TC: La inyección secundaria comprueba el relé de forma aislada; no proporciona información sobre la integridad del circuito secundario del TC; un resultado positivo de la inyección secundaria no autoriza la eliminación de los enlaces de cortocircuito secundarios del TC sin la verificación de la inyección primaria.
• Omitir la verificación de la polaridad después de actualizar el esquema de protección: Cualquier modificación del circuito secundario del TC (nuevo cable, nuevo bloque de terminales, nueva asignación de terminales del relé) crea la posibilidad de inversión de polaridad; la polaridad debe volver a verificarse mediante inyección primaria después de cada modificación del esquema de protección, y no asumirse a partir del registro de puesta en servicio anterior.
• Activación del esquema de protección actualizado sin una prueba de fallo por etapas: Cuando las condiciones de funcionamiento de la red lo permitan, una prueba de fallo por etapas (crear deliberadamente una condición de fallo en el circuito protegido bajo condiciones controladas) es el único método que verifica el esquema de protección completo, incluido el rendimiento del TC en condiciones reales de corriente de fallo.

Conclusión

Las actualizaciones de los esquemas de protección crean incompatibilidades en la medición de los TC que son invisibles para las pruebas de los relés, invisibles para los procedimientos estándar de puesta en servicio e invisibles para la inspección de la placa de características, pero totalmente visibles para que el sistema de protección no funcione correctamente cuando la subestación experimenta su primera falta real después de la actualización. Los errores que causan estos fallos son constantes, predecibles y totalmente evitables: no recalcular el ALF efectivo en la carga del nuevo relé, no reevaluar las asignaciones del núcleo del TC para las nuevas funciones de protección, no evaluar y corregir la remanencia del TC acumulada durante años de servicio, y no volver a verificar la precisión de la polaridad y la relación después de las modificaciones del circuito secundario. En las actualizaciones de esquemas de protección de media tensión, el TC no es un componente pasivo que pueda heredarse del esquema anterior sin reevaluación: es un dispositivo de medida activo cuya compatibilidad con el nuevo relé debe probarse mediante cálculos, pruebas y verificación de inyección primaria antes de confiar en que el esquema de protección actualizado proteja la subestación y al personal que trabaja en ella.

Preguntas frecuentes sobre los errores de medición del TC en las actualizaciones del sistema de protección

1. Análisis detallado de la resistencia total en los circuitos secundarios de protección. ↩

2. Parámetros técnicos que definen el rendimiento del TC en condiciones de fallo. ↩

3. Norma internacional oficial para la precisión y el rendimiento de los transformadores de corriente. ↩

4. Guía completa de adaptación de núcleos de TC para esquemas diferenciales. ↩

5. Normas de seguridad industrial para verificar la integridad del esquema de protección. ↩