Protección del sistema eléctrico

La protección del sistema eléctrico es un conjunto de técnicas y equipos de la red eléctrica que se utilizan para limitar los daños causados ​​por una falla eléctrica y salvaguardar otros componentes de la red, como generadores y líneas de transmisión . ^{[ 1 ]} El término también se utiliza para una rama de la ingeniería eléctrica que se ocupa de la protección. ^{[ 2 ]} Existe una superposición entre la protección del sistema eléctrico y las operaciones del sistema eléctrico , ya que los equipos de protección, al igual que otros equipos de conmutación , pueden utilizarse para las operaciones. ^{[ 3 ]}

Los dispositivos de protección se utilizan para proteger los sistemas eléctricos de fallas, detectándolas y tomando medidas (" disparo "). PM Anderson distingue entre los dispositivos reactivos , como los relés de protección , que "eliminan" una falla aislándola del resto del sistema, y ​​los dispositivos de salvaguarda , que abordan la fuente del peligro (por ejemplo, un sistema de refrigeración de emergencia del núcleo de un reactor nuclear). Como disciplina, la protección de sistemas eléctricos se ocupa principalmente de los dispositivos reactivos. ^{[ 4 ]}

La protección del sistema eléctrico se basa en pocos elementos básicos: ^{[ 5 ]}

• Un sensor realiza una medición (prueba) de un valor (por ejemplo, de la corriente eléctrica en una línea de transmisión);
• Un comparador verifica el resultado de la prueba con respecto a un umbral que el resultado no debería sobrepasar durante el funcionamiento normal (por ejemplo, el valor máximo de corriente aceptable al probar la condición de sobrecorriente ). La capacidad de identificar una condición anormal se denomina sensibilidad ; ^{[ 6 ]}
• un elemento de temporización ( retardo ) que comprueba la persistencia de la condición (por ejemplo, si un fallo ha sido eliminado por otro dispositivo de protección con un ajuste de retardo menor, este dispositivo no debería tomar ninguna medida);
• elemento de acción (normalmente apertura de circuito ).

Los dispositivos de protección incluyen, ^{[ 7 ]} bajo una etiqueta común de " aparamenta ": ^{[ 8 ]}

• Los fusibles son los dispositivos de protección más simples que combinan detección de sobrecorriente, retardo y acción en una sola parte fusible de apertura de circuito; ^{[ 9 ]}
• Los relés de protección detectan la falla e inician una orden de disparo o desconexión;
• Los interruptores automáticos de potencia utilizan comandos de relés y reconectadores automáticos para abrir/cerrar el circuito eléctrico . Los interruptores del sistema de protección se pueden abrir de forma segura bajo una corriente de falla ;
• Reconectadores y seccionadores .

La conexión de los dispositivos de protección a la red eléctrica generalmente requiere hardware adicional:

• Los transformadores de instrumentos , tanto de corriente como de tensión , se utilizan para aislar los dispositivos (principalmente de baja tensión) de los niveles de transmisión; ^{[ 10 ]}
• Las baterías eléctricas (con cargadores) garantizan el funcionamiento en caso de corte de energía ; ^{[ 11 ]}
• comunicaciones de datos para obtener la corriente y el voltaje en terminales remotos de una línea y para permitir el disparo remoto de equipos. ^{[ 12 ]}

Con excepción del interruptor, los componentes del dispositivo de protección se implementan frecuentemente de forma redundante . ^{[ 13 ]}

El objetivo de un esquema de protección es mantener estable el sistema eléctrico aislando únicamente los componentes que presentan fallas, mientras se mantiene en funcionamiento la mayor parte posible de la red, minimizando así la pérdida de carga . ^{[ 14 ]} Esta propiedad del sistema de protección se denomina selectividad . ^{[ 6 ]} Para lograr la selectividad, el sistema eléctrico se subdivide en zonas de protección , cada una de las cuales contiene un componente del sistema eléctrico ( generador , barra, transformador , línea de transmisión o distribución , motor ) que debe protegerse. Cada zona cuenta con su(s) propio(s) dispositivo(s) de protección y proporciona sensibilidad a las fallas dentro de sus límites. Si se produjera una falla en una zona determinada, se ejecutarían las acciones necesarias para aislar dicha zona del resto del sistema (todos los interruptores automáticos en una zona determinada con una falla se abrirían para aislar la falla). Los límites de las zonas se superponen para que ninguna parte de la red quede sin protección; las regiones superpuestas suelen rodear los interruptores automáticos con dos conjuntos de transformadores de medida y relés para cada interruptor. Las regiones de sensibilidad superpuestas tienen el inconveniente de que varios relés podrían dispararse cuando la falla se encuentra en el área superpuesta. ^{[ 15 ]} Por ejemplo, a menos que se tomen medidas especiales, un cortocircuito por encima del relé A, pero aún dentro de la zona azul en el diagrama, podría causar condiciones de sobrecorriente en los relés A, C y D y provocar su disparo, siendo los dos últimos disparos redundantes. Esto puede evitarse utilizando relés especializados ( de distancia o direccionales ) o coordinando las acciones de los relés mediante un canal de comunicación ("piloto"). En cualquier caso, las regiones superpuestas están diseñadas para ser lo más pequeñas posible, de modo que cuando ocurre una falla en una región superpuesta y las dos zonas que la abarcan están aisladas, el sector del sistema eléctrico. ^{[ 16 ]}

Las fallas se pueden clasificar por su nivel de permanencia que afecta la posibilidad de autorrecierre : ^{[ 19 ]}

• Una falla transitoria se elimina rápidamente una vez que se abre la línea (por ejemplo, una descarga disruptiva sobre un aislador en la torre de transmisión causada por un rayo). Un recierre rápido no hará que la falla reaparezca. Las fallas transitorias representan la gran mayoría de las fallas en las líneas de transmisión aéreas .
• Una falla semipermanente , como el contacto con un árbol , es una falla que podría eliminarse por sí sola si se le permite arder durante un corto tiempo (una rama de árbol podría quemarse). Las fallas semipermanentes ocurren con mayor frecuencia en las líneas de subtransmisión y distribución eléctrica ;
• Una avería permanente debe repararse. Casi todas las averías en el cable eléctrico subterráneo son permanentes.

Muchos componentes de la red eléctrica pueden presentar problemas internos. En estos dispositivos, las fallas se pueden clasificar en internas y externas . Como ejemplo de falla interna, un transformador podría desarrollar sobrepresión dentro de su recipiente de contención sin que la causa principal (por ejemplo, un sobrecalentamiento localizado) active ninguna otra alarma. Para el mismo transformador, una sobrecarga representaría una falla externa. ^{[ 20 ]}

Los relés se pueden clasificar según su sensibilidad a la ubicación de una falla:

• Un relé no direccional no proporciona información sobre en qué lado se encuentra la falla; esta es la forma más simple del relé de sobrecorriente . Por ejemplo, en un sistema radial de distribución de energía eléctrica , la corriente siempre fluye hacia los brazos de carga, por lo que no es necesario detectar su dirección, ya que una condición de sobrecorriente siempre indica un cortocircuito en el lado de la carga; ^{[ 21 ]}
• Un relé direccional compara la fase actual con la referencia y realiza una acción solo si la dirección de la falla coincide con la seleccionada; ^{[ 22 ]}
• Un relé diferencial compara los valores de las mediciones eléctricas en la entrada y la salida de un dispositivo protegido. Por ejemplo, en un transformador eléctrico , los valores de voltaje y corriente de entrada y salida están relacionados a través de la relación de transformación , y grandes desviaciones de esta constante indican una falla; ^{[ 23 ]}
• Un relé de distancia determina la distancia de la falla calculando la impedancia eléctrica de la línea vista por el relé, basándose en la corriente, el voltaje y la diferencia de fase observados entre ellos. El conocimiento de la distancia puede utilizarse para evitar disparos cuando la falla se encuentra en la zona incorrecta; ^{[ 22 ]}
• Un relé de protección piloto detecta las condiciones en el otro extremo de la línea a través de un canal de comunicación (piloto por cable, piloto portador, piloto por microondas y piloto por fibra óptica). ^{[ 24 ]}

En el siglo XXI, muchas pruebas para detectar anomalías se realizan mediante relés numéricos multifuncionales que utilizan ordenadores para los cálculos. Las mediciones individuales emplean identificadores crípticos de la lista de números de dispositivos ANSI , como "50" para el "Relé de sobrecorriente instantánea" o "87L" para el "Diferencial de corriente de línea segregada".

Históricamente, la industria energética pasó por varias generaciones de sensores y comparadores, conservando la terminología y algunos de los dispositivos:

• Los relés electromecánicos son los dispositivos más simples utilizados para la protección desde los inicios de la industria de la energía eléctrica. Por ejemplo, un relé de sobrecorriente de disco de inducción es un relé de sobrecorriente que utiliza un disco de inducción como sensor y elemento de temporización; ^{[ 25 ]}
• Los relés electrónicos , con comparadores y detectores de nivel, se introdujeron lentamente durante un largo período de tiempo a partir de la década de 1930. El proceso se aceleró con la llegada del transistor en la década de 1950. ^{[ 26 ]}
• Los relés digitales se propusieron en 1969, pero se generalizaron solo con la introducción del microprocesador a principios de la década de 1970. ^{[ 26 ]}

Los equipos de monitoreo de perturbaciones (DME) monitorean y registran datos del sistema relacionados con una falla . Los DME cumplen tres propósitos principales:

• validación del modelo,
• investigación de perturbaciones y
• evaluación del rendimiento de la protección del sistema. ^{[ 36 ]}

Los dispositivos DME incluyen: ^{[ 37 ]}

• Secuencia de registradores de eventos, que registran la respuesta del equipo al evento.
• Registradores de fallas, que registran datos reales de la forma de onda de los voltajes y corrientes primarias del sistema.
• Los registradores de perturbaciones dinámicas (DDR, por sus siglas en inglés) registran incidentes que muestran el comportamiento del sistema eléctrico durante eventos dinámicos como oscilaciones de baja frecuencia (0,1  Hz – 3  Hz) y excursiones anormales de frecuencia o voltaje.

Los ingenieros de protección definen la confiabilidad como la tendencia del sistema de protección a operar correctamente ante fallas dentro de la zona de protección. Definen la seguridad como la tendencia a no operar ante fallas fuera de la zona de protección. Tanto la confiabilidad como la seguridad son cuestiones de fiabilidad. El análisis de árbol de fallas es una herramienta que permite a un ingeniero de protección comparar la fiabilidad relativa de los esquemas de protección propuestos. Cuantificar la fiabilidad de la protección es importante para tomar las mejores decisiones sobre la mejora de un sistema de protección, gestionar las compensaciones entre confiabilidad y seguridad, y obtener los mejores resultados con el menor costo. Una comprensión cuantitativa es esencial en la competitiva industria de servicios públicos. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

• Fiabilidad: Los dispositivos deben funcionar de forma consistente ante fallos, incluso después de haber estado inactivos durante meses o años. Sin esta fiabilidad, los sistemas pueden sufrir daños costosos.
• Selectividad: Los dispositivos deben evitar activaciones falsas e injustificadas.
• Velocidad: Los dispositivos deben funcionar con rapidez para reducir los daños en los equipos y la duración de las fallas, con retrasos de tiempo intencionales muy precisos.
• Sensibilidad: Los dispositivos deben detectar incluso el más mínimo fallo y responder.
• Economía: Los dispositivos deben proporcionar la máxima protección al mínimo coste.
• Sencillez: Los dispositivos deben minimizar los circuitos y equipos de protección.

Fiabilidad: Confiabilidad frente a Seguridad

Existen dos aspectos clave para el funcionamiento fiable de los sistemas de protección: la fiabilidad y la seguridad. ^{[ 40 ]} La fiabilidad se refiere a la capacidad del sistema de protección para operar cuando se le solicita que elimine un elemento defectuoso del sistema eléctrico. La seguridad se refiere a la capacidad del sistema de protección para abstenerse de operar durante una falla externa. La elección del equilibrio adecuado entre seguridad y fiabilidad al diseñar el sistema de protección requiere criterio de ingeniería y varía según cada caso.

• Limitador de corriente de falla
• Analizador de redes (alimentación CA)
• Corriente de cortocircuito prevista
• Números de dispositivo ANSI

• Anderson, Paul M. (1998-12-09). Protección de sistemas de energía (PDF) . Nueva York: Wiley-IEEE Press. ISBN 0-7803-3427-2.
• Bansal, Ramesh (2019). Protección de sistemas de energía en entornos de redes inteligentes . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-429-40175-6.
• Denholm, Paul; Kroposki, Ben (2022). "Comprender la protección de los sistemas de energía en el futuro de la energía limpia" (PDF) . Laboratorio Nacional de Energías Renovables . Golden, CO: NREL . Recuperado el 8 de julio de 2025 .
• Khan, Shahriar (1 de mayo de 2013). Protección del sistema de energía . Shahriar Khan. ISBN 978-984-33-7320-5. Consultado el 14 de junio de 2025 .
• Mason, C. Russell (15 de enero de 1956). El arte y la ciencia del relé de protección . Nueva York: Wiley [ua] ISBN 978-0-471-57552-8.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )