Catto / Mapa de Temas de Electricidad · Máquinas Eléctricas II 6° año
ElectricidadMáquinas Eléctricas II (6°) · Centrales y Canalizaciones Eléctricas (7°)

Calidad del suministro y protección de máquinas

Una red que «tiene tensión» no es necesariamente una red que sirve: la tensión puede estar baja, distorsionada, desequilibrada o faltar durante medio segundo, y cualquiera de esas cosas detiene una línea de producción o quema una electrónica. Esta página enseña a nombrar, medir y corregir esas perturbaciones, y a proteger de ellas —y de sus propias fallas— a las dos máquinas más caras de una instalación: el transformador y el generador.

Huecos y microcortes Armónicos y THD Índices de continuidad UPS y filtros Buchholz y 87T 32, 40, 81 y 87G

01Qué es la calidad del suministro y quién la exige

La energía eléctrica es un producto que se entrega con ciertas características: una tensión de valor y forma conocidos, una frecuencia estable y una disponibilidad continua. La calidad del suministro es cuánto se parece lo que llega al tomacorriente a lo que se prometió. Se la separa en tres partes, que tienen reglas y responsables distintos:

Producto técnico

Cómo es la tensión: su nivel, su forma de onda, su equilibrio entre fases y sus perturbaciones (huecos, transitorios, flicker, armónicos). Se mide con un instrumento conectado a la red.

Servicio técnico

Cuánto falta la energía: cuántas veces se corta y cuánto dura cada corte. Se mide con registros de la distribuidora y con índices de frecuencia y duración (sección 04).

Servicio comercial

El trato al usuario: plazos de conexión, atención de reclamos, exactitud de la facturación. Queda fuera de esta página.

En la Argentina el servicio eléctrico de distribución está regulado desde el marco de la Ley 24.065, que creó el ENRE para las distribuidoras de jurisdicción nacional; en las provincias actúan entes propios (en Córdoba, el ERSeP, que controla a EPEC y a las cooperativas eléctricas). La obligación de la distribuidora no está escrita en un manual de electrotecnia sino en su contrato de concesión y en el reglamento de calidad que el ente aplica: ahí se fijan los límites de cada variable, el modo de medirla, cada cuánto se controla y qué sanciones se aplican cuando no se cumple. Esos valores cambian con el contrato, con el nivel de tensión y con el tiempo; por eso esta página no los copia: ante un caso real hay que consultar el contrato y la resolución vigentes del ente que corresponda.

Quién responde por qué

La distribuidora responde por la calidad de la tensión que entrega en el punto de conexión y por la continuidad del servicio. El usuario responde por lo que su instalación devuelve a la red: armónicos de sus variadores, flicker de su horno de arco, desequilibrio de sus cargas monofásicas, bajo factor de potencia. Una perturbación medida en un punto puede venir de cualquiera de los dos lados, y establecer de cuál es parte del trabajo (sección 04).

Para tener una idea de cómo se escribe un límite, sirve la norma europea EN 50160 (no rige en la Argentina, pero se la usa como referencia): en baja tensión pide que la tensión eficaz, promediada cada 10 minutos, se mantenga dentro de ±10 % de la nominal durante el 95 % de una semana. Fijate en la forma: no es «siempre», sino «un porcentaje del tiempo, evaluado sobre un período, con una ventana de promedio». Todos los reglamentos de calidad se escriben así.

02Las perturbaciones, una por una

Cada perturbación se llama de una manera, tiene su causa típica y daña de un modo distinto. Conviene saber distinguirlas por su duración y por su magnitud, porque de eso depende cómo se mide y cómo se corrige. La figura muestra cuatro de ellas sobre una ventana de seis ciclos, que es lo que un analizador ve cuando dispara un evento.

tensión020406080100120mstiempo (a 50 Hz, un ciclo dura 20 ms)Línea punteada: forma de onda nominal. Los armónicos, el desequilibrio y las variaciones lentasno se aprecian en 120 ms: se miden con un registro prolongado (secciones 3 y 4).2 ciclos = 40 msHueco de tensiónTensión residual: 40 %Duración: 2 ciclos (40 ms)Lo provocan un cortocircuitoen la red o el arranque deun motor grande. Puede soltarcontactores y reiniciarcontroladores y PLC.2 ciclos = 40 msMicrocorteTensión residual: casi nulaDuración: 2 ciclos (40 ms)Falta la tensión unos pocosciclos. Suele ser un recierreautomático de la línea demedia tensión. Reinicia losequipos sin respaldo.pico transitorioSobretensión transitoriaDuración: microsegundosPico: un múltiplo de la crestaDescarga atmosférica omaniobra de la red. Perforaaislaciones y daña laelectrónica; se limita condescargadores (DPS).la amplitud oscila unas 8 veces por segundoFluctuación (flicker)Variación: ±14 % (exagerada)Frecuencia: ≈ 8 HzCargas que varían rápido(hornos de arco, soldadoras)hacen parpadear la luz,aunque el valor eficazcasi no cambie.
Figura 1. Cuatro perturbaciones de la tensión en una ventana de 120 ms, animada: hueco, microcorte, sobretensión transitoria y fluctuación (flicker). La línea punteada es la tensión nominal. Observá que la diferencia entre un hueco y un microcorte es cuánta tensión queda, no cuánto dura.
PerturbaciónQué esCausa habitualEfecto
Variación lenta de tensiónLa tensión eficaz queda por encima o por debajo de la nominal durante minutos u horas.Caída de tensión en líneas largas o muy cargadas; transformador con la toma mal elegida; cambios de carga del día.Motores con menos par y más corriente, lámparas con menos luz; equipos de potencia constante que toman más corriente.
Hueco de tensión (sag)Caída brusca a entre el 90 % y el 1 % de la tensión nominal, que dura desde medio ciclo hasta un minuto.Cortocircuitos en la red, arranque de motores grandes, energización de transformadores.Contactores que se sueltan, PLC y variadores que se reinician o disparan, procesos que se interrumpen.
Interrupción (microcorte si es muy breve)La tensión cae por debajo del 1 % de la nominal. En la norma europea es «breve» hasta 3 minutos y «larga» más allá.Recierre automático de una línea, actuación de una protección o de un fusible, falla, maniobra.Parada de procesos, pérdida de datos, reinicio de equipos sin respaldo, lámparas de descarga que tardan en volver a encender.
Sobretensión transitoria (impulso)Pico de microsegundos a pocos milisegundos, de cientos de volts hasta varios kilovolts.Descargas atmosféricas en la línea o cerca de ella, maniobra de capacitores y de cargas inductivas.Perforación de aislaciones y destrucción de electrónica; el daño puede ser acumulativo y aparecer meses después.
Sobretensión temporaria (swell)La tensión supera el 110 % de la nominal durante unos ciclos o segundos.Desconexión de una carga grande, falla a tierra de una fase (suben las otras dos), problemas del neutro.Calentamiento y envejecimiento de lámparas, fuentes y bobinados; puede dañar equipos sensibles.
Fluctuación rápida (flicker)Variaciones repetidas de la amplitud de unos pocos por ciento, a una frecuencia de pocos hercios.Cargas que varían rápido: hornos de arco, soldadoras, compresores y aserraderos con arranques frecuentes.Parpadeo de la iluminación, molesto para la vista aunque el valor eficaz casi no cambie.
DesequilibrioLas tres tensiones de línea no son iguales en módulo o no están desfasadas 120°.Reparto desparejo de cargas monofásicas; fusible abierto; un contacto defectuoso.Motores que se calientan y pierden vida útil; corrientes de neutro y de secuencia negativa.
ArmónicosLa onda deja de ser senoidal: contiene componentes de frecuencia múltiplo de 50 Hz.Cargas no lineales: rectificadores, variadores, fuentes conmutadas, LED, UPS, soldadoras.Calentamiento de cables, transformadores y capacitores; neutros sobrecargados; resonancias; disparos y errores de medición.
Un multímetro no ve un hueco

Un hueco de 40 ms dura el tiempo en que el ojo parpadea una vez y un multímetro promedia varios ciclos: la lectura ni se mueve. Estas perturbaciones solo aparecen en un registrador o analizador de calidad configurado para capturar eventos (o en un osciloscopio con disparo bien elegido). Si «la máquina se para sola» y el multímetro dice 220 V, no se descarta la red: se mide con el instrumento correcto.

Dos perturbaciones que se calculan a mano

La variación lenta se expresa como el porcentaje de desvío de la tensión medida respecto de la nominal:

δ=V−VnVn·100%V: tensión eficaz medida (promedio de 10 minutos) · Vₙ: tensión nominal

Y el desequilibrio de tensiones, en la forma simple que usan muchos fabricantes de motores (la norma IEC usa componentes simétricas, pero para un primer diagnóstico alcanza):

ε=ΔVmáxV¯·100%ΔV máx: mayor desvío de una tensión de línea respecto del promedio · V̄: promedio de las tres tensiones de línea
Ejemplo · Dos mediciones al fin de una línea larga

1) Un tablero al final de una línea larga mide 201 V entre fase y neutro, siendo la nominal de 220 V:

δ=201V−220V220V·100%=−8,6%

Un −8,6 % exige revisar la caída de tensión de la línea (ver Subestaciones y líneas de distribución) o la toma del transformador.

2) En el mismo tablero trifásico, las tensiones de línea son 385 V, 378 V y 371 V. El promedio y el desvío máximo son:

V¯=385+378+3713V=378V
ε=7V378V·100%=1,85%

Un 1,85 % parece poco, pero un motor trifásico es muy sensible: un pequeño desequilibrio de tensión provoca un desequilibrio de corriente varias veces mayor, y por eso los fabricantes de motores piden bajar la carga cuando el desequilibrio supera un valor del orden del 1 %. Ver también Circuitos trifásicos y Motores de CA monofásicos y trifásicos.

03Armónicos y distorsión: el THD

Una carga lineal (una resistencia, un motor sin variador) toma de una tensión senoidal una corriente también senoidal. Una carga no lineal —un rectificador con capacitor, como el de la fuente de una computadora— toma corriente solo en los picos de la tensión y la forma resultante deja de ser una senoide. Toda onda periódica así se puede descomponer, como enseña el análisis de Fourier (Generación y procesamiento de señales), en una fundamental de 50 Hz más armónicos: ondas de 100, 150, 200 Hz … Las cargas monofásicas dan sobre todo armónicos impares: 3.º (150 Hz), 5.º (250 Hz), 7.º (350 Hz).

corriente de la cargaespectro (% de la fundamental)1.º3.º5.º7.ºLa forma de onda se aleja de la senoide a medida que se suman armónicos; el espectro muestra cuánto aporta cada uno.100 %Solo la fundamental: 100 ATHD de corriente = 0,0 %Corriente eficaz: 100,0 ACorriente en el neutro: 0 A (carga trifásica equilibrada)100 %33 %Se suma el 3.er armónico (150 Hz)THD de corriente = 33,0 %Corriente eficaz: 105,3 ACorriente en el neutro: 99 A (3 · 33 A) con la carga equilibrada100 %33 %20 %Se suma el 5.º armónico (250 Hz)THD de corriente = 38,6 %Corriente eficaz: 107,2 ACorriente en el neutro: 99 A (los 5.º y 7.º no se suman en el neutro)100 %33 %20 %14 %Se suma el 7.º armónico (350 Hz)THD de corriente = 41,0 %Corriente eficaz: 108,1 ACorriente en el neutro: 99 A (solo los múltiplos de 3 se suman en el neutro)
Figura 2. Cómo se arma una corriente distorsionada, animada. Cada estado suma un armónico a la fundamental y muestra el espectro, el THD, la corriente eficaz y la corriente de neutro. Los números son los del ejemplo resuelto de esta sección.

La medida de cuánto se aparta la onda de una senoide es la distorsión armónica total, THD (total harmonic distortion): la raíz de la suma de los cuadrados de los armónicos, dividida por la fundamental.

THDI=I22+I32+I42+⋯I1·100%I₁: fundamental · I₂, I₃, I₄ …: armónicos de orden 2, 3, 4 … (en tensión se usa la misma expresión con V)
Ejemplo · THD y corriente eficaz de una carga no lineal

Una carga toma una fundamental de 100 A con armónicos de 33 A (3.º), 20 A (5.º) y 14 A (7.º). El THD de corriente es:

THDI=332+202+142A100A·100%=1 685100·100%=41,0%

La corriente eficaz total que sufren los cables y el transformador no es 100 A sino:

I=I1·1+THD2con el THD expresado como fracción (0,41 para 41 %)
I=100A·1+0,4102=100A·1,081=108,1A

Un 8 % más de corriente que la de trabajo útil, que solo calienta. Verificación por otro camino: la raíz de la suma de los cuadrados de todas las componentes, 1002+332+202+142 = 108,1 A.

El neutro puede llevar más corriente que las fases

En una carga trifásica con neutro, las fundamentales de las tres fases están desfasadas 120° y en un sistema equilibrado se anulan en el neutro. Pero los armónicos de orden múltiplo de 3 (3.º, 9.º …) están en fase en las tres fases y se suman. Con los 33 A de tercer armónico por fase del ejemplo:

IN=3·I3=3·33A=99A

El conductor de neutro lleva casi lo mismo que cada fase sin que la corriente de fase lo anticipe, y en instalaciones viejas, con el neutro de menor sección o compartido entre circuitos, se recalienta sin que el termomagnético de fase dispare. En instalaciones con mucha electrónica (oficinas, centros de cómputo, iluminación LED) se dimensiona el neutro con sección igual o mayor que la de fase.

ArmónicoSecuenciaEfecto principal
3.º, 9.º …Cero (homopolar)Se suman en el neutro y circulan en el triángulo de los transformadores, que se recalienta.
5.º, 11.º …NegativaEn un motor producen un campo que gira al revés: frenan y calientan.
7.º, 13.º …PositivaCalentamiento general; con los del 5.º son los característicos de los rectificadores trifásicos de 6 pulsos.

Qué daños producen

  • Calentamiento de cables, bobinados y núcleos: las pérdidas por corrientes parásitas crecen con el cuadrado de la frecuencia, por lo que un transformador bajo armónicos pierde más que uno a igual potencia con carga lineal (por eso existen los transformadores «K»).
  • Resonancia entre los capacitores de compensación y la inductancia de la red, que puede amplificar un armónico varias veces y quemar el banco (ver Potencia en corriente alterna).
  • Disparos intempestivos de protecciones y errores de medición en instrumentos que no miden valor eficaz verdadero (ver Mediciones en corriente alterna).
  • Distorsión de la tensión: la corriente armónica, al circular por la impedancia de la red, deforma la tensión que ven todos los demás usuarios de ese punto. Por eso los reglamentos limitan tanto el THD de tensión de la red como la corriente armónica que cada usuario puede inyectar.

04Cómo se mide: analizador, registro e índices de continuidad

El analizador de redes

El instrumento de esta tarea es el analizador de calidad de energía, que a diferencia de un multímetro o de una pinza muestrea la onda a alta velocidad, calcula valores eficaces, armónicos y eventos, y los guarda en memoria durante días. Para que dos aparatos de marcas distintas den el mismo resultado hay un método normalizado, la norma IEC 61000-4-30, que define la «clase A» (máxima exactitud, la que se usa para verificar un contrato) y promedia las magnitudes en intervalos de 10 minutos.

Qué se quiere saberCómo se registraCuidados
Nivel de tensión (variaciones lentas)Valor eficaz de las tres tensiones, promedio de 10 min, mínimo y máximo de cada intervalo. Semana completa como mínimo.Cubrir días hábiles y fin de semana: la carga cambia.
Huecos, sobretensiones, interrupcionesUmbrales de captura (por ejemplo, 90 % y 110 % de la nominal) y registro de la forma de onda del evento con su duración.Un umbral muy ajustado llena la memoria; uno muy flojo deja pasar eventos importantes.
Armónicos y THDEspectro hasta el orden 40 o 50, promedios de 10 min, en tensión y en corriente.Pinzas flexibles (Rogowski) o de núcleo bien dimensionadas; medir antes y después del equipo sospechoso.
FlickerÍndices Pst (10 min) y Plt (2 h) calculados con el método de IEC 61000-4-15. Pst = 1 es el umbral de molestia.Solo sirve si la carga perturbadora funcionó durante el registro.
DesequilibrioRelación entre las componentes de secuencia negativa y positiva, o el cálculo de la sección 02.Verificar el orden de fases y el sentido de las pinzas.
Dónde se conecta decide qué se aprende

Medido en el punto de conexión (el medidor de la distribuidora) se ve lo que la red le entrega al usuario y lo que el usuario le devuelve. Medido aguas abajo, en el tablero de una máquina, se ve cómo esa máquina padece o produce la perturbación. Para saber si el origen de un hueco está «afuera» o «adentro», se mide en los dos puntos y se compara: si el hueco aparece en ambos al mismo tiempo, viene de la red; si solo aparece abajo, lo provocó una carga propia (un arranque, un cortocircuito interno). Es el mismo razonamiento de la sección 01 sobre quién responde.

La continuidad: cuántas veces y cuánto tiempo

Para el servicio técnico no se mira una onda sino una lista de cortes. Los índices más usados, definidos en la guía IEEE 1366, resumen esa lista en tres números: la frecuencia media de interrupción por usuario (SAIFI), la duración total media por usuario (SAIDI) y la duración promedio de cada corte para quien lo sufre (CAIDI).

SAIFI=∑NiNTNᵢ: usuarios afectados por la interrupción i · Nₜ: usuarios totales del sistema o del alimentador
SAIDI=∑Ni·tiNTtᵢ: duración de la interrupción i
CAIDI=SAIDISAIFIduración promedio de cada interrupción para quien la sufre

Los contratos de concesión argentinos emplean indicadores equivalentes, normalmente referidos a la potencia instalada (kVA) en lugar de a la cantidad de usuarios, con nombres como FMIK (frecuencia media de interrupción por kVA) y TTIK (tiempo total de interrupción por kVA); también se controlan por usuario individual. El criterio es el mismo; qué interrupciones se cuentan (por ejemplo, las que superan cierto tiempo mínimo), qué valores no deben superarse y cuánto se bonifica a los usuarios cuando se exceden lo establecen el contrato y el reglamento del ente.

Ejemplo · Índices de un alimentador en un año

Un alimentador de media tensión abastece a 2 000 usuarios. En el año tuvo cuatro interrupciones: la primera afectó a los 2 000 usuarios y duró 45 min; la segunda, a 500 usuarios, 120 min; la tercera, a 1 200 usuarios, 40 min; la cuarta, a 300 usuarios, 180 min.

SAIFI=2 000+500+1 200+3002 000=4 0002 000=2,0

Cada usuario sufrió, en promedio, dos interrupciones en el año. La duración total media es:

SAIDI=2 000·45+500·120+1 200·40+300·1802 000min=126min

Es decir, 126 min (2 h 6 min) sin energía por usuario y por año, y cada corte duró en promedio:

CAIDI=126min2,0=63min

Verificación por otro camino: dividir el total de usuarios-minuto sin servicio (252 000) por el total de usuarios afectados por cada corte (4 000) da también 63 min. Un mismo SAIDI puede venir de muchos cortes cortos (que castigan a la industria con equipos sensibles) o de pocos cortes largos (que castigan a la que no tiene respaldo): los tres números juntos cuentan la historia.

05Cómo se mejora: UPS, filtros y compensación

Mitigar es elegir el remedio según la perturbación. Y la primera pregunta es siempre la misma: ¿conviene corregirla en el origen, en la red, o proteger el equipo sensible? A veces la solución más barata es no generar la perturbación (arrancar un motor con arrancador suave en vez de directo) y otras, blindar el equipo que importa.

ProblemaRemedioComentario
Variaciones lentasCambiador de tomas del transformador, regulador de tensión, aumentar la sección de la línea, capacitores.Primero se calcula la caída de tensión; la toma se cambia con el transformador sin carga y sin tensión.
Huecos y microcortesUPS para las cargas críticas; contactores con retardo a la caída o con alimentación de bobina respaldada; arranque suave.El respaldo se dimensiona solo para lo que debe sobrevivir al hueco: PLC, control, servidores, no todo el edificio.
Cortes largosGrupo electrógeno con transferencia automática, a veces en cascada con UPS (ver Generación y grupos electrógenos).El grupo tarda segundos en tomar carga: la UPS cubre ese intervalo.
Sobretensiones transitoriasProtectores contra sobretensiones (DPS) en cascada, puesta a tierra equipotencial, descargadores en MT.Ver Protección eléctrica, sección 04.
ArmónicosReactancias de línea en variadores, filtros pasivos sintonizados, filtros activos, transformadores «K», neutro reforzado, variadores de 12 pulsos o de frente activo.Un filtro pasivo se diseña para un armónico y puede resonar con otros: se mide antes y se verifica después.
FlickerAlimentar la carga perturbadora desde un punto de mayor potencia de cortocircuito; compensadores estáticos para hornos y soldadoras.La perturbación depende de la relación entre la variación de carga y la potencia de cortocircuito de la red.
DesequilibrioRepartir las cargas monofásicas entre las fases; revisar contactos y fusibles; protección contra falta de fase.La corrección es de organización de la instalación, no de equipos.
Bajo factor de potenciaBanco de capacitores automático, con reactancias antirresonantes si hay armónicos.Ver Potencia en corriente alterna, sección 04.

La UPS: tres tipos y cuándo sirve cada uno

Fuera de línea (off-line o standby)

La carga se alimenta de la red; si esta falla, el equipo conmuta al inversor. Tiene un tiempo de transferencia de pocos milisegundos y no corrige la tensión. Es el más económico: sirve para computadoras personales.

Interactiva (line-interactive)

Agrega un autotransformador que regula la tensión alta o baja sin usar la batería. Transferencia también de pocos milisegundos. Es el término medio para pequeñas oficinas y equipos de red.

En línea de doble conversión (on-line)

Convierte siempre la red en continua y de nuevo en alterna: transferencia nula, tensión y frecuencia estables, aísla de los transitorios. Es el más caro y el que se usa para PLC, control de procesos, servidores y equipos médicos.

Cada UPS se dimensiona por potencia aparente (VA) y por autonomía: cuánto tiempo sostiene la carga con las baterías. Si se necesita más autonomía de la que justifica una batería, el relevo lo toma un grupo electrógeno. Y como las baterías envejecen, forman parte del plan de mantenimiento.

Mejorar el servicio desde la red

La distribuidora mejora la continuidad con medidas de otro tipo: reconectadores automáticos en las líneas aéreas (la mayoría de las fallas en MT son transitorias, y un recierre rápido las despeja sin que el usuario pierda más que un microcorte), redes en anillo con seccionadores telecomandados, que permiten aislar el tramo fallado y realimentar el resto, mantenimiento preventivo de las líneas (poda, aisladores, termografía) y detección y localización rápida de fallas. Todo eso baja SAIFI y SAIDI; el usuario industrial, por su parte, decide con los índices en la mano si le conviene invertir en respaldo propio.

06Protección de transformadores y generadores

Un cable se protege con un fusible o una termomagnética que mira la corriente; un transformador o un generador son máquinas caras, con fallas internas distintas (aislación, gas, calentamiento del aceite, pérdida de la excitación) y que no se pueden reparar en el día. Por eso llevan varios relés, cada uno atento a una cosa. Se los nombra con el número del estándar ANSI/IEEE C37.2, que se usa en los planos y en los manuales de todo el mundo.

CargaRed MT13,2 kVTransformador 13,2/0,4 kVTITITI5252B52GGGrupoelectrógenoInterruptor cerradoInterruptor abierto por la protecciónSeñal del sensorRelé que actúaFalla interna del transformador87T y 63 actúan: abren el interruptor de MT (52) y el de BT (52B).50/5163 Buchholz49 Térmica81 · 27/5932 · 4087T · diferencial87G · diferencialSobrecarga sostenida del transformadorEl 49 alarma y el 51 (por tiempo) abre el interruptor de MT antes de que sufra la aislación.50/5163 Buchholz49 Térmica81 · 27/5932 · 4087T · diferencial87G · diferencialEl grupo se motoriza o pierde la excitación32 y 40 abren el interruptor del generador (52G) para proteger al motor primario y al rotor.50/5163 Buchholz49 Térmica81 · 27/5932 · 4087T · diferencial87G · diferencialFrecuencia o tensión fuera de rango en la barra81 y 27/59 separan al grupo de la barra cuando la frecuencia o la tensión salen de su banda.50/5163 Buchholz49 Térmica81 · 27/5932 · 4087T · diferencial87G · diferencialFalla interna del estator del generadorEl 87G compara las corrientes de los dos extremos de cada fase del bobinado y abre el 52G.50/5163 Buchholz49 Térmica81 · 27/5932 · 4087T · diferencial87G · diferencial
Figura 3. Esquema unifilar de las protecciones de una planta con un transformador de MT/BT y un grupo de respaldo, animado en cinco situaciones. El relé que actúa se ilumina y el interruptor que abre cambia de verde a rojo. Los transformadores de corriente (TI) llevan la señal a cada relé.

Protecciones del transformador

ProtecciónN.ºQué detecta y cómo actúa
Fusible de media tensión—Despeja cortocircuitos en transformadores chicos y medianos. Debe soportar la corriente de irrupción al energizar. Con percutor, al fundirse abre el seccionador de las tres fases, para que los motores no queden alimentados con solo dos.
Sobrecorriente instantánea y temporizada50/51Un relé alimentado por TI. El 51 actúa tanto más rápido cuanto mayor es la corriente; el 50 es instantáneo y se ajusta por encima de la irrupción. La versión de tierra (50N/51N) detecta fallas a tierra.
Diferencial del transformador87TCompara las corrientes de entrada y de salida, ya compensadas por la relación y por el grupo de conexión. En una falla interna esas corrientes dejan de coincidir y dispara sin demora. Lleva una restricción por segundo armónico para no confundir la irrupción con una falla. Se justifica desde potencias medias hacia arriba.
Relé Buchholz63Está en la tubería entre el tanque y el conservador de los transformadores en aceite. Un arco o un recalentamiento interno descompone el aceite y libera gas: el gas que se acumula lentamente da alarma; un golpe brusco de aceite, disparo.
Imagen térmica y termómetro49/26Simula la temperatura del punto más caliente del bobinado a partir de la temperatura del aceite más la corriente de carga. Alarma y, si sigue creciendo, dispara. Es la protección contra la sobrecarga sostenida, que no es un cortocircuito.
Válvula de alivio y nivel de aceite—Descarga la sobrepresión de un arco interno para que el tanque no reviente; el nivel bajo de aceite da alarma.
Ejemplo · Ajuste del relé 51 de un transformador de 630 kVA

Un transformador de 630 kVA, 13,2/0,4 kV, se protege en el lado de MT con un relé 50/51 alimentado por TI de 50/5 A. Se calcula la corriente nominal del primario:

In=630kVA3·13,2kV=27,55A

El 51 se regula por encima de la corriente de carga normal, con un margen para sobrecargas admitidas, que el estudio de coordinación define (aquí se usa 1,25 veces la nominal, valor de ejercicio), y se convierte al secundario del TI:

Iarr=1,25·27,55A=34,4A→34,4A10=3,44A

Se elige la toma de 3,5 A, que equivale a 35 A en el primario. El 50 debe quedar por encima de la corriente de irrupción, que para transformadores de este tipo es del orden de 8 a 12 veces la nominal durante unas décimas de segundo:

8·In=220Aa12·In=331A

Si el 50 se ajustara por debajo de 220 A, cada vez que se energizara el transformador dispararía sin que hubiera ninguna falla. Los valores definitivos los fija la ingeniería de protecciones con los datos del fabricante, la red y la coordinación con las demás protecciones (ver Protección eléctrica, sección 03).

Protecciones del generador

Un generador sincrónico (ver Generación y grupos electrógenos) falla de otros modos: lo impulsa un motor primario que puede dejar de entregar, tiene un campo que puede perderse y una tensión y una frecuencia que dependen de reguladores que también fallan.

ProtecciónN.ºQué detecta y por qué importa
Sobrecorriente50/51Cortocircuitos y sobrecargas. La corriente de falla de un generador decae a los pocos ciclos y, sin forzado de la excitación, puede quedar por debajo de la nominal; por eso el 51 se usa con restricción por tensión (51V), que baja el ajuste cuando la tensión cae.
Potencia inversa32El generador, en paralelo, deja de entregar y pasa a absorber potencia de la red: se motoriza y arrastra al motor primario. Un diésel puede dañarse y una turbina recalentarse. El ajuste lo define el fabricante del motor primario.
Pérdida de excitación40Si el campo se pierde, la máquina absorbe potencia reactiva de la red y se comporta como un generador de inducción: el rotor se recalienta. Se detecta por la potencia reactiva absorbida o por la impedancia que ve el relé.
Subfrecuencia y sobrefrecuencia81La subfrecuencia indica una sobrecarga o una falla del motor primario; la sobrefrecuencia, un rechazo de carga o un fallo del regulador de velocidad. Los dos son un riesgo para la máquina y para las cargas.
Subtensión y sobretensión27/59Fallas del regulador automático de tensión. La sobretensión sobrecalienta el hierro y estresa la aislación; la subtensión indica una sobrecarga o una falla.
Diferencial del generador87GCompara, fase por fase, la corriente que sale por los bornes con la del lado neutro del bobinado. Detecta fallas internas del estator, que quemarían el hierro en pocos segundos si no se las despeja de inmediato.

A estas se agregan, en máquinas más grandes, la protección contra corriente de secuencia negativa (46, por cargas desequilibradas), contra falla a tierra del estator (64), contra sobreflujo (24) y contra pérdida de sincronismo (78). En los grupos electrógenos chicos la mayoría de las funciones viven dentro del controlador electrónico del grupo; en los grandes, en relés multifunción de protección.

Cada protección tiene su zona, y la más cercana a la falla actúa primero

El diferencial (87) protege una zona delimitada por sus TI: solo ve lo que ocurre entre ellos. La sobrecorriente (50/51) es una protección de respaldo que mira más lejos y actúa más lento, para cubrir el caso de que la protección principal o su interruptor fallen. Si no se coordinan los tiempos, un cortocircuito en una carga puede dejar sin tensión a toda la planta. Este es el principio de selectividad.

Intervenir estas máquinas: planes de seguridad y trabajos con tensión

Todo ajuste, prueba o reparación de un transformador, de un generador o de sus relés se hace dentro de un plan de seguridad: se describe el trabajo, se decide quién lo hace y quién lo autoriza, se corta y se bloquea la alimentación (de la red y del respaldo, que puede realimentar), se verifica la ausencia de tensión y se pone a tierra. Cuando es imposible cortar —o cuando cortar produce un daño mayor— se recurre a un trabajo con tensión, que solo hace personal habilitado con procedimiento escrito y las normas de la Ley 19.587, el Decreto 351/79 y la Res. SRT 592/2004. Esa parte legal y de método se desarrolla en Trabajos con tensión, y las bases de higiene y seguridad, en Higiene y seguridad laboral.

Nunca abras el secundario de un transformador de corriente con carga

Un TI funciona como una fuente de corriente: si su secundario queda abierto mientras el primario lleva corriente, la tensión entre los bornes sube hasta valores peligrosos para las personas y destruye la aislación. Antes de desconectar un relé o un instrumento, se cortocircuita el secundario del TI. Y recordá que un transformador o un banco de capacitores pueden conservar carga y tensión después de desconectados.

07En el laboratorio

Práctica 1 · Registrar la tensión de la escuela durante 24 horas

Materiales: un analizador de calidad de energía (o un registrador de tensión) con sus puntas y su fusible, un tomacorriente del taller y una hoja de cálculo. Pasos: 1) con el docente, configurar la tensión nominal en 220 V, el intervalo de promedio en 10 min (o 1 min) y la captura de eventos con umbrales de 90 % y 110 %; 2) conectar, anotar la hora de inicio y dejar el equipo registrando 24 horas, incluidos los horarios de arranque de máquinas; 3) descargar el registro y tabular mínimo, máximo y promedio de cada intervalo; 4) contar cuántos eventos se capturaron y a qué hora. Se mide: tensión mínima, máxima y promedio, y porcentaje del tiempo dentro de una banda de ±10 % (se usa este valor solo como ejercicio: los límites reales son los del contrato). Criterio de aceptación: informe con un gráfico de tensión contra hora, la lista de eventos y una explicación del evento más grave a partir de lo que funcionaba en el taller en ese momento.

Práctica 2 · THD de cuatro cargas

Materiales: analizador o pinza de calidad con registro de armónicos (o un osciloscopio con sonda de corriente y función FFT); una lámpara incandescente, una fuente de computadora, una lámpara LED y un variador de velocidad con un motor chico. Pasos: 1) conectar cada carga, de a una, a un tomacorriente con diferencial; 2) registrar la forma de onda de la corriente y su espectro hasta el 15.º; 3) anotar la corriente eficaz, el THD y el armónico dominante; 4) calcular el THD con la fórmula a partir de las amplitudes de los armónicos y compararlo con lo que indica el instrumento. Criterio de aceptación: tabla con las cuatro cargas ordenadas por THD, la diferencia entre el valor calculado y el medido explicada (por ejemplo, por los armónicos de orden superior que el cálculo no incluyó), y una frase que explique por qué la lámpara incandescente es la de menor distorsión.

Práctica 3 · Hueco de tensión sobre un contactor

Materiales: un autotransformador variable monofásico alimentado a través de un transformador de aislación, un contactor con bobina de 220 V y circuito de autorretención, un pulsador de marcha, un voltímetro de valor eficaz verdadero. Pasos: 1) armar el circuito con la bobina del contactor alimentada desde el autotransformador y verificar con el docente antes de energizar; 2) arrancar a 220 V y comprobar que el contactor se mantiene; 3) bajar la tensión muy lentamente hasta que el contactor se suelte y anotar ese valor; 4) repetir tres veces. Se mide: la tensión de suelta como porcentaje de la nominal. Criterio de aceptación: promedio y dispersión de las tres mediciones, comparados con el dato del fabricante, y un comentario sobre qué hueco de la Figura 1 provocaría esa suelta.

En la Práctica 3, el autotransformador no aísla

A diferencia de un transformador, el autotransformador variable no separa galvánicamente la salida de la red: entre cualquier borne y tierra puede haber 220 V. Por eso se lo alimenta a través de un transformador de aislación, con diferencial aguas arriba. Se arma y se modifica el circuito siempre sin tensión.

Práctica 4 · Probar un relé de sobrecorriente

Materiales: un relé de protección multifunción o un relé de sobrecorriente con curva por tiempo, una fuente de corriente regulable (o una caja de pruebas de relés), un cronómetro o el contador del propio equipo y la hoja de ajustes del fabricante. Pasos: 1) cargar el ajuste del ejemplo de la sección 06 (arranque 3,5 A en el secundario); 2) inyectar corrientes de 1,5, 2, 5 y 10 veces el ajuste, de a una, y medir el tiempo de disparo; 3) verificar que por debajo del arranque el relé no actúe; 4) graficar los tiempos contra la curva del fabricante. Criterio de aceptación: todos los tiempos dentro de la tolerancia que declara el fabricante y ningún disparo bajo el arranque. Se trabaja a la corriente del secundario del TI y con el secundario siempre cerrado.

08Errores frecuentes

ErrorConsecuencia
Medir la calidad de la tensión con un multímetroNo se ven huecos, microcortes ni transitorios, y los armónicos hacen errar a los instrumentos de valor medio. Hace falta un analizador.
Registrar menos de una semana, o solo en el horario cómodoSe pierden los ciclos de carga: la perturbación aparece en el turno de noche o el sábado y el informe dice que «está todo bien».
Compensar con capacitores una instalación llena de armónicosResonancia con la red: el banco se calienta, se quema o amplifica la distorsión. Hacen falta reactancias antirresonantes o filtros.
Dimensionar el neutro con una sección menor que la de fase en cargas electrónicasEl tercer armónico se suma en el neutro, que se recalienta sin que dispare ninguna protección de fase.
Comprar una UPS sin calcular la autonomía ni la potencia en VAEl equipo se apaga a los pocos minutos o se sobrecarga al primer arranque de una carga con corriente alta.
Ajustar el 50 de un transformador por debajo de la corriente de irrupciónDispara cada vez que se energiza, sin falla alguna.
Resetear un Buchholz que disparó y volver a energizar sin mirarHay gas por un arco interno. Volver a energizar puede convertir una falla pequeña en una destrucción del transformador. Se toma muestra de gas y se hacen ensayos antes.
No ajustar la potencia inversa (32) de un grupo que trabaja en paraleloSi el motor primario falla, el generador se motoriza y arrastra al motor, con riesgo de daño y de incendio.
Abrir el secundario de un TI para «cambiar el instrumento» con cargaAlta tensión en los bornes, riesgo para la persona y destrucción de la aislación del TI.

09Autoevaluación

¿En qué se diferencian un hueco de tensión y un microcorte?

En cuánta tensión queda: en un hueco queda entre el 1 % y el 90 % de la nominal; en una interrupción (o microcorte, si es muy breve) queda menos del 1 %. Los dos pueden durar lo mismo, por ejemplo 40 ms.

Una carga toma 100 A de fundamental, 30 A de tercer armónico y 10 A de quinto. ¿Cuánto es su THD de corriente?
THD=302+102100·100%=1 000100·100%=31,6%

El resultado es 31,6 %. Verificación: 0,32+0,12=0,10, y la raíz de 0,10 es 0,316.

¿Por qué un neutro puede quedar más cargado que las fases si no se desequilibra la carga?

Porque los armónicos de orden múltiplo de 3 están en fase en las tres fases y se suman en el neutro, mientras que las fundamentales, desfasadas 120°, se anulan. Con 33 A de tercer armónico por fase, el neutro lleva 3 · 33 A = 99 A.

Un alimentador con 1 000 usuarios tiene un corte de 2 h que afecta a 250 usuarios y otro de 30 min que afecta a los 1 000. Calculá SAIFI y SAIDI.
SAIFI=250+1 0001 000=1,25SAIDI=250·2h+1 000·0,5h1 000=1,0h

Cada usuario sufrió, en promedio, 1,25 interrupciones con 1,0 hora acumulada sin energía. Se comprueba sumando los usuarios-hora (250 · 2 + 1 000 · 0,5 = 1 000) y dividiendo por 1 000.

¿Quién fija los límites de calidad que debe cumplir una distribuidora y qué pasa si no los cumple?

Los fija el contrato de concesión y el reglamento de calidad del ente regulador (el ENRE o el ente provincial, como el ERSeP en Córdoba). Si se exceden, el contrato prevé sanciones; los valores concretos hay que buscarlos en el contrato y en la resolución vigentes, no en un libro de texto.

¿Qué detecta el relé Buchholz y qué diferencia hay entre su alarma y su disparo?

Detecta el gas y el movimiento brusco del aceite que producen un arco o un recalentamiento interno del transformador. El gas que se acumula despacio da alarma; una surgencia violenta de aceite, disparo. Después de un disparo no se vuelve a energizar sin estudiar el gas y ensayar el transformador.

¿Para qué sirve la protección de potencia inversa (32) en un grupo electrógeno y por qué la corriente de falla de un generador complica la protección de sobrecorriente?

La 32 desconecta al generador cuando, en paralelo, deja de entregar y absorbe potencia (se motoriza), lo que podría dañar al motor primario. La corriente de cortocircuito del generador decae a los pocos ciclos y puede bajar de la nominal, de modo que un 51 común no la vería: por eso se usa con restricción por tensión (51V) y se complementa con el diferencial (87G).

Desarrollo de los ejes «Protección de transformadores y generadores» de Máquinas Eléctricas II (6° año) y «Calidad del suministro de energía eléctrica» de Centrales y Canalizaciones Eléctricas (7° año), según la «Propuesta Curricular – Segundo Ciclo de la Modalidad Técnico Profesional, Educación Secundaria – Electricidad», Ministerio de Educación de la Provincia de Córdoba, DGETyFP. Volver al Mapa de Temas de Electricidad · catto.ar