Revisión de los medios de protección contra fallas a tierra y cortocircuitos en sistemas eléctricos de media y alta tensión

1. 1
DETECCION DE FALLAS A TIERRA EN SISTEMAS
ELECTRICOS
Autor: Ing. Marcos Pacheco : Rev. 2019
Universidad: UNAC: marcos.electricista@gmail.com
1. EXTRACTO:
Este artículo analiza la falla de
cortocircuito, como la falla fase a tierra en
sistemas eléctricos, líneas de transmisión
de energía eléctrica, en corriente alterna
AC o continúa CC, se expone los métodos
para detección de fallas a tierra.
Se expone el principio de funcionamiento
de los detectores de falla a tierra y los
transformadores de corriente
electromagnéticos y sensores ópticos de
corriente.
En base a la configuración del sistema
eléctrico, se analiza los detectores
corrientes de falla asociado a los relés de
protección.
Se analiza la detección de falla debe iniciar
en el momento que el cable inicia la caída
libre en cables de transmisión aéreo,
diferenciándose de los sistemas de
protección actuales, ya que estos esperan
que el cable toque tierra.
En redes radiales la rotura de cable o
perdida de fase, provoca la caída de
tensión y desfasaje, en el lado de carga,
por lo tanto el rele en el lado de carga
detectara la perdida de fase, y por
comunicación o cable piloto, mandar la
apertura del interruptor automático ubicado
en el otro extremo de la red fallada, esta
solución es adecuada para redes de baja,
media y alta tensión, por ejemplo en redes
de distribución o transmisión aéreo para
zonas urbanas, línea de contacto
(catenaria) alimentador de tren eléctrico
1500V DC. Para el caso sistemas eléctricos
con dos fuentes, una fase abierta provoca
en las fases sanas el valor de la corriente
sea igual pero de signo contrario, y
aumenta la corriente de secuencia
negativa, este valor debe ser monitoreado,
y abrir el interruptor automático local
ubicado en cada extremo de la red fallada.
Luego se revisa los canales de
comunicación utilizados actualmente, el
requerimiento para teleprotección, como
arreglos de protección con comunicación.
2. INTRODUCCION
Los sistemas industriales, requieren
sistemas eléctricos sin interrupciones,
como además con reducido riesgo contra
electrocución de personas o daño a la
propiedad.
En la actualidad las redes de distribución y
líneas de transmisión están quedando
dentro de zonas urbanas, y las redes
aéreas de distribución van reemplazando a
las redes subterráneas.
En sistemas con neutro puesto a tierra
directamente, se tiene el riesgo de pérdida
de estabilidad debido a las altas corrientes
de falla, lo que dejaría a mas usuarios sin
energía eléctrica.
Los dispositivos de protección actuales,
son apropiados para proteger el
equipamiento industrial, es decir cables,
transformadores, motores, equipos
electrónicos, y se arreglan con una
respuesta suficientemente rápida para
reducir las interrupciones a los usuarios.
Se hará referencia a la conexión estrella o
triangulo al lado de transformador que
alimenta a las cargas.
La magnitud de la corriente de falla a tierra,
depende del método de aterramiento del
sistema, principalmente se detecta la
corriente residual. Y se utilizan elementos
direccionales, similar a vatímetro o
varímetro, al cual se le predetermina la red
a abrir, según el flujo de potencia de falla.
En sistemas en triangulo, se complica el
problema y puede ocurrir la falla a tierra de
alta impedancia, el cual es un riesgo. Y no
es posible setear los reles a muy bajas
corrientes debido al desbalance de cargas
de línea o a las corrientes de
magnetización de los transformadores de
corriente, los sensores ópticos de corriente
permiten la detección de corrientes mas
bajas de falla.
El circuito para evaluar los amperios y
tensión de falla es según la Fig. 1. donde
r1+jx1 es la resistencia y reactancia de
secuencia positiva, r2+jx2 es la resistencia
y reactancia de secuencia negativa, r0+jx0
es la resistencia y reactancia de secuencia
cero, RN es la resistencia del neutro.

2. 2
Fig.1: Circuito para falla a tierra. (A) Para
sistemas puestos a tierra, (B) Para
sistemas aislados.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3. LA CORRIENTE RESIDUAL
Una protección contra fallas a tierra, es
obtenida usando rele que de respuesta solo
a la corriente residual, diferencial, o de
secuencia cero del sistema.
La corriente residual es la suma de las tres
corrientes de face, y la corriente diferencial
es la suma de las tres corrientes de face
mas la del neutro por lo tanto no esta
afectado por el desbalance de carga y debe
aplicarse si el neutro esta accesible y si
físicamente es posible. La corriente de
secuencia cero es obtenida directamente
del secundario de un transformador de
corriente tipo toroide, por el centro pasan
las tres corrientes de las faces A, B y C.
Y estas corrientes aumentan y fluyen
cuando ocurra una falla a tierra.
Sobre todo los bajos seteos permisibles
para rele de falla a tierra son muy útiles, ya
que las fallas a tierra son las más
probables de ocurrir, y frecuentes de ocurrir
todas las fallas, pero esta corriente de falla
podría ser limitado en magnitud por la
impedancia del neutro aterrado, o por la
resistencia de contacto de falla a tierra.
La componente residual es extraída por
conexión de los transformadores de
corriente de línea en paralelo mostrado en
la Fig. 2, ver rele de falla a tierra GF.
La conexión mostrada en Fig. 2(a), de los
elementos de sobrecorriente OC (Over
Current) en cada fase, como ilustra Fig.
2(b) e insertado un Rele de Falla a Tierra
GF entre el Punto Estrella del Grupo de
relés y los transformadores de corriente.
Los relés de sobrecorriente (OC) son
frecuentemente previstos solo en dos faces
ya que detectan falla entre faces. Esta
conexión no facilita la instalación del Rele
de falla a tierra. El arreglo es ilustrado a
Fig. 2(c).
Fig. 2: TC y reles. [2]
4. LA CORRIENTE DE SECUENCIA
NEGATIVA
La corriente de secuencia negativa, no esta
afectado por el acoplamiento mutuo entre
circuitos, debido a esto da buena respuesta
a fallas ubicadas en el extremo mas alejado
de la ubicación del rele. Son más
requeridos donde las fallas a tierra de alta
impedancia puedan ocurrir. La tensión de
secuencia negativa es usada para polarizar
un rele direccional. La desventaja de
detección de fallas con la sobre corriente
de secuencia negativa es que depende de
la carga. Pero esto si puede ser aplicado a
sistemas de potencia que cuenta con varios
generadores con muchas cargas que
alimentar.
5. LA TENSION HOMOPOLAR
Es otro parámetro que ayuda a detectar
fallas a tierra. La sobre tensión homopolar
aumenta al ocurrir una falla a tierra Ver Fig.
7.
6. SETEO EFECTIVO DE RELÉS DE
FALLA A TIERRA
El Seteo inicial de Rele de sobrecorriente
puede usualmente ser tomado como el
Seteo de Rele multiplicado por la relación
del CT (transformador de corriente).
Relay Plug
Setting
Low
Voltage
at
Setting
(V)
Exciting
Current
Ie
3Ie Effective
Setting
% Current
(A)
Current
(A)
%
5 0.25 12 0.583 1.75 2.0 40
10 0.5 8 0.405 1.215 1.715 34
15 0.75 4 0.3 0.9 1.65 33
20 1.0 3 0.27 0.81 1.81 36
40 2.0 1.5 0.17 0.51 2.51 50
60 3.0 1.0 0.12 0.36 3.36 67
80 4.0 0.75 0.1 0.3 4.3 86
100 5.0 0.6 0.08 0.24 5.24 105
Tabla 1.
(a) (b) (c)

3. 3
El CT debe ser proyectado para tener una
suficiente precisión en su rango, y se
expresa como un porcentaje de la corriente
nominal, el seteo inicial igual al seteo de
rele. El Rele de falla a tierra puede usar un
elemento similar como los relés de fase y
tendrá un consumo similar en VA en el
seteo. Pero impondrá un alto burden (carga
que tiene el TC) a la corriente nominal,
debido a su seteo muy bajo.
Por ejemplo, un rele con un seteo del 20%
tendrá una impedancia de 25 veces que de
un elemento similar con un seteo al 100%,
frecuentemente este burden excederá el
burden nominal del transformador de
corriente. Vea la Fig. 3.
Figura 3: Característica de Excitación de
Transformador de Corriente [2]
La corriente de excitación total es por esto
el producto de la corriente de excitación de
un CT por el número de transformadores
de corriente en paralelo.
La perdida magnetizante sumada puede
ser apreciable en comparación con la
corriente de operación de Rele y en casos
extremos donde la corriente de seteo es
baja o los transformadores de corriente son
de bajo performance, podrían exceder y
permitir la incorrecta actuación de Rele.
La corriente de seteo efectiva en términos
del secundario es la suma de los seteo de
corriente de los reles y las perdidas de
excitación total. Estrictamente hablando el
seteo efectivo es el vector suma de las
corrientes de seteo de rele (Relay Setting
Current) y la corriente de excitación total,
pero, para Relés electromagnéticos al
menos, la suma aritmética es
suficientemente cercana, debido de la
similitud de los factores de potencia. Ver.
Fig. 4.
Figura 4: Seteo Efectivo [3]
EJEMPLO DE SETEO DE UN RELE DE
FALLA A TIERRA.
Transformador de corriente
Knee Point se define como el punto en la
curva de excitación del transformador de
corriente, que al aumentar en un 10% los
voltios de la fuerza electromotriz inducida
en el secundario de excitación y
correspondiente aumentara la corriente de
excitación en un 50%. Y el punto Knee
Point debe ser el punto de trabajo de los
transformadores de corriente.
Burden es la carga en el secundario del
transformador de corriente.
Relación de TC 300/5A
Voltios en punto Knee point 30 Voltios
Corriente de excitación en punto Knee
point. 1.5A
Burden de Rele al seteo (Setting) 3 VA
Será visto que el óptimo seteo de Rele en
el ejemplo de arriba es al 13% y muy poco
incremento ocurre en el seteo efectivo
hasta un seteo de rele del 20%.
Será deseable aplicar Reles teniendo un
rango de seteo, por ejemplo, del 10% al
40%. El seteo óptimo será determinado
por pruebas durante el comisionamiento.
Debe ser recordado, sin embargo, a menos
que la corriente de falla a tierra máxima
esta limitada por la impedancia del neutro a
tierra. Los relés podrían estar sometidos a
altas corrientes especialmente si los
transformadores de corriente tienen un alto
valor la fuerza electromotriz (fem) inducida
de saturación.
En tales casos el Rele podría experimentar
considerables calentamientos durante fallas
severas del sistema.
A menor tap de seteo, mayor resistencia
del devanado de la bobina, el
calentamiento a los menores tap de seteo
es correspondientemente mayor. Al
respecto, un tap de seteo, por ejemplo de,
Caracteristicas de Excitacion
0
10
20
30
0 0.5 1 1.5
Corriente de Excitación (Amp)
Tensión
Secundaria(Volt)
Efective Setting de Rele de
Falla a Tierra
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Relay Setting (%)
EfectiveSetting(%)
13

4. 4
20% no es lo mismo cuando es obtenido
del rango 10% - 40% que cuando es
obtenido del rango 20% - 80%.
Lo anterior corresponde a un devanado que
tiene el doble de número de vueltas que del
último y por lo tanto una menor sección de
conductor.
Cuando el Tap de 20% es seleccionado del
rango del 10% - 40%, solo la mitad de la
bobina esta en uso y la resistencia de la
bobina es mayor, comparando al mismo
seteo si fuera obtenido del rango del 20% -
80%, cuando toda la bobina esta en
servicio.
Los rangos de seteo mayores es
conveniente para la mayoría de
aplicaciones y deberían ser usados a
menos que se sepa que las condiciones del
servicio son tales que ajustes más bajos
son necesarios.
Veremos mas adelante que los
transformadores de corriente ópticos no
tienen este problema, motivo por el cual
están siendo aplicados.
Características De La Protección De
Tierra.
Los Relés han sido diseñados para
solucionar los requerimientos vistos,
usando un elemento de polarización
sensible o una versión estática. El relé con
elemento de polarización tiene un seteo
desde 2% a 3% con una carga (burden) de
solo 0.0065 VA en seteo o a 2.5 VA a la
corriente nominal.
La versión estática provee un rango de
seteo desde 1% a 16% de la corriente
nominal con un burden del mismo orden:
0.005 – 0.012 VA en seteo, dependiendo
sobre el seteo usado.
Estos burden son tan bajos que los relés
pueden usualmente ser energizados por los
mismos transformadores de corriente
usado para los circuitos de protección
convencional.
Esta claro que la protección de falla a tierra
teniendo bajo seteo no puede ser graduada
con otros sistemas, y es por esto confinado
a un rol suplementario por el uso de
temporizador de largo tiempo, ajustable de
10 a 15 segundos.
Aunque la graduación con otros sistemas
de protección no es practicable, la
sensibilidad de Relés de falla a tierra puede
ser arreglada a formar un sistema
graduado independientemente proveyendo
varias etapas de discriminación.
La corriente de fuga transitoria residual de
los transformadores de corriente
conectados puede exceder el seteo del rele
durante las fallas de fase esta indeseable
operación es prevenido por temporizador
de largo tiempo.
7. SENSORES ÓPTICOS DE
CORRIENTE
Hemos visto las limitaciones de los
transformadores de corriente para
protección. Los sensores de corriente
ópticos, tienen un mejor performance, en
cuanto a la precisión y menor error en todo
su rango de medición.
Sin saturación como en los
Transformadores de Corriente TC o
ferroresonancia en Transformadores de
tensión TT (ya que el circuito magnético es
eliminado).
Cuando un material óptico que muestra el
efecto Faraday es ubicado en un campo
magnético (B) producido por la corriente a
medir y un rayo de luz polarizado
linealmente (E) atraviesa este material
óptico en la dirección del campo, un ángulo
rotación del plano de polarización ocurre.
Ver Fig.5.
Fig. 5: Principio de funcionamiento [6]
El ángulo de rotación es directamente
proporcional a la corriente a medir. El
ángulo de rotación es igual a:
VHLdlHV  
Donde:
V es la constante de Verdet, que depende
del material óptico.
H es la intensidad campo magnético
producido por la corriente a medir (Ley de
Amper), B es la densidad del flujo
magnético (B=uH).
L es la longitud del rayo de luz en dirección
de H.
Partes Del Sensor Óptico De Corriente Y
Funcionamiento
Tiene las siguientes partes, Vea Fig. 6.
a) Una fuente de luz (1) envía luz a través
de una onda guiada hacia un polarizador
lineal (2), luego hacia un divisor de
polarización (3), (que crea dos ondas
polarizadas lineales de la luz), y finalmente
a un modulador óptico de fase (7).

5. 5
b) Esta luz entonces es enviada de la sala
de mando hacia la cabeza del sensor por
una fibra óptica (8).
c) La luz pasa a través de un quarter
waveplate (4) creando una luz polarizada
circularmente a la izquierda y derecha,
desde las dos ondas de luz polarizadas
lineales.
d) Las dos ondas de luz atraviesan el
sensor en espiral de fibra, alrededor del
conductor eléctrico (5), reflejándose en un
espejo (6) ubicado en el extremo de la
espiral de la fibra, y vuelven a lo largo de la
misma trayectoria.
e) Mientras es rodeado el conductor, el
campo magnético inducido por el flujo de
corriente en el conductor crea un
desplazamiento de fase óptico  entre las
dos ondas de luz debido al efecto de
Faraday
f) Las dos ondas ópticas regresan a través
del circuito óptico y finalmente se
encaminan al detector óptico (9) donde la
electrónica desmodula (10) las ondas de
luz para determinar el desplazamiento de
fase  .
g) El desplazamiento de fase entre las dos
ondas de luz es proporcional a la corriente
y a una señal análoga o numérica que
representa la corriente esta disponible para
la electrónica de rele.
Fig. 6: Partes del Transformador de
Corriente óptico [8]
8. RELES DIRECCIONALES DE
FALLA A TIERRA
Los relés previamente descritos como
elemento de falla responde al flujo de
corriente de falla a tierra y es importante
que su respuesta direccional sea correcta
para esta condición.
Recordemos que el factor de potencia, en
condiciones de despacho de demanda sin
falla es activo.
Dependiendo del factor potencia de la
corriente de falla, en sistemas con neutro
aterrado solidamente la falla será inductiva,
en sistemas donde se limita la corriente de
falla aterrando el neutro a través de una
resistencia, la falla tendrá una apreciable
componente activa, y si el sistema es
aislado la falla tendrá una apreciable
componente capacitiva. Estas condiciones
de la corriente de falla determinan el
elemento direccional, el cual tiene
funcionamiento similar a un vatímetro o
varímetro, y la dirección del giro del rotor
indica la dirección de la falla, es decir si la
falla esta ubicada delante o detrás del rele.
Actualmente los reles electrónico se basan
en el mismo principio, pero ya no tienen el
rotor.
La corriente residual es extraída como se
muestra en la Fig. 7, para obtener
respuesta direccional es necesario obtener
el voltaje residual del sistema, el cual es la
suma vectorial de las tensiones de fase. Si
los devanados secundarios de las tres
unidades monofásicas se conectan en
Delta abierto, se obtiene en sus terminales
será la suma vectorial de las tensiones de
fase a tierra y desde aquí la tensión
residual del sistema como se ilustra en la
Fig. 7.

6. 6
Fig. 7 Conexiones para Rele polarizado
por voltaje [2]
Este será cero para tensiones de fase
balanceado pero para condiciones de falla
a tierra será igual a la caída de tensión de
fase fallada. En todos los casos el voltaje
residual es igual a tres veces la caída de
voltaje de secuencia cero debido a la
impedancia de la fuente y es desfasada la
corriente residual por el ángulo
característico de la impedancia.
La cantidad residual es aplicada a los
elementos direccionales del Rele de Falla a
Tierra. Cuando el neutro del sistema es
aterrado a través de una resistencia, esta
será la impedancia dominante y un Rele
teniendo un ángulo de máximo torque
(MTA) de 0° será satisfactorio.
En el caso de sistemas aterrados
sólidamente, la impedancia de la fuente
será predominantemente reactiva y algunos
grados de compensación de ángulo es
deseable. No solamente el ángulo podría
ser alto entre las cantidades residuales
primarias, quizás 87°, también es común
un apreciable error positivo en la tensión
residual en la salida de VT, ya que la
conexión Delta abierta involucra tres veces
la caída de tensión del devanado de VT
comparándolo con la caída cuando estos
están conectados en estrella. Este error
hace que el ángulo efectivo entre la tensión
residual secundaria exceda 90°, el cual
podría dar una incorrecta respuesta
direccional.
El Rele es previsto con esta compensación
de ángulo de fase, así que el máximo
torque es desarrollado con el ingreso de
corriente retrasado al voltaje en esta
cantidad. Este ángulo entonces es
sustraído del ángulo de fase real en las
cantidades de entrada para obtener la
desviación para la condición de torque
máximo. Exacta compensación no es
necesaria siempre que el ingreso de
corriente vectorial queda bien dentro de la
zona de operación del rele, una desviación
final, por ejemplo, de 30° para la posición
de torque máximo resulta en una perdida
de torque de solo el 14%, sin ninguna
consecuencia para un elemento sensitivo.
Angulo de torque máximo (MTA) de 45° y
60° son por esto Normados, ejemplo, vea
Fig.8.
Fig. 8: Falla a Tierra en fase A.
Respuesta de disparo de elemento
direccional. [9]
Cuando los transformadores de tensión
asociado con el sistema de alta tensión no
es provista con un devanado secundario
delta abierto a polarizar el Rele de falla a
tierra direccional, es permisible usar tres
transformadores de tensión monofásicos.
Con sus devanados primarios conectados
en estrella y sus devanados secundarios
conectados en delta abierto. Para
operación satisfactoria, sin embargo, es
necesario asegurar que los
transformadores de tensión principales de
tensión sean de una conveniente
construcción para reproducir la tensión
residual y que el punto estrella del
devanado primario este sólidamente
aterrado. En adición, el punto estrella del
devanado primario de los transformadores
de tensión deberán ser conectado al punto
estrella de los devanados secundario de los
transformadores de tensión principales.
Polarización Por Corriente
Si la tensión en algún punto en el sistema
es insuficiente a polarizar un Rele
direccional, o si los transformadores de

7. 7
tensión que estén disponibles no satisfagan
las condiciones para proveer la tensión
residual. La polarización puede ser
obtenida de la corriente del neutro de un
transformador de potencia local con un
Neutro Aterrado, o de la corriente de neutro
del transformador de aterramiento.
La corriente del neutro y la corriente
residual de línea están en fase, así que el
Rele deberá ser designado a dar máxima
torque máximo para esta condición. La
corriente del neutro siempre fluirá desde la
tierra hacia el sistema, considerando que,
de acuerdo a la posición de la falla, la
corriente residual podría fluir en otra
dirección a través de Rele, así que la
corriente residual puede discriminar
correctamente.
Cuando más de un transformador es
operado en paralelo con neutro aterrado un
transformador de corriente deberá ser
proveído para cada uno, los devanados
secundarios serán conectados en paralelo
a los relés.
Fig.9: Conexiones de Rele de Falla a
Tierra polarizado por corriente [2]
Fig. 10: Rele de Falla a Tierra polarizado
por corriente, en transformador
estrella/delta/estrella. [2]
9. FALLA DE ALTA IMPEDANCIA
La falla a tierra de alta impedancia ocurre
cuando el cable aéreo cae sobre un
material de alta resistencia eléctrica o el
suelo tiene alta resistencia de tal forma que
la protección no lo detecta.
Superficies tales como arcilla, concreto, o
follaje actúan como un aislador, limitando
los valores de la corriente de línea para las
fallas sobre un sistema de distribución a un
bajo rango de magnitud- -típicamente
menos de 50 Amperios.
Bajo estas condiciones, los reles de
protección normal son incapaces a
distinguir entre fallas de alta impedancia y
desbalances comunes de carga.
Debido a que la falla no es detectada
(debido a bajas magnitudes de las fallas de
corriente), la tensión del sistema esta
presente sobre el cable roto. El arco que
resulta bajo estas condiciones puede tener
consecuencias mortales. “Cuando un
conductor cae a la tierra, el resultado del
arco puede alcanzar temperaturas hasta
2473 °C. Este puede cristalizar el silica en
el circundante terreno, eventualmente crea
una ruta a tierra de alta impedancia y una
situación en el cual no hay visible señal que
el conductor esta energizado”.
La inhabilidad a detectar fallas de alta
impedancia plantea considerables riesgos
de seguridad a humanos, animales y al
ambiente natural, empeorándose la
situación si existen líneas de gas.
10. PROTECCION BASADA EN EL
ANALISIS DE ARCO DE FALLA A
TIERRA
Un Monitor Digital de Alimentador (DFM),
forma parte de sistemas de protección.
Este monitorea los sucesos durante las
perturbaciones, y en base a una lógica
determina la falla a tierra de alta
impedancia.
El objetivo del DFM es detectar cual arco
es de falla a tierra de alta impedancia y
diferencia los arcos de conductores caídos.
Si el arco empieza con una perdida de
carga o con una perturbación por
sobrecorriente (como podría ocurrir cuando
un conductor cae sobre otro cable de fase
o neutro y luego cae a tierra). El DFM
asume que un conductor esta caído.
Si ninguna de estas condiciones empieza
con el arco, entonces el DFM asume que el
conductor esta intacto y no ha caído.
En el interés de la seguridad del sistema el
DFM considera perdida de carga o una
condición de sobrecorriente para indicar un

8. 8
conductor caído si y solo si uno de estos
empieza con el arco, y no si uno de estos
ocurre después de la iniciación de arco.
Esta protección analiza el arco de falla y se
diferencia de los sistemas de protecciones
convencionales principalmente en la forma
que es puesto su seteo.
Seteo de Sensibilidad al Arco
Este se puede establecer del 1 al 10.
Debido a que este se basa en el análisis
del sistema fijar un Setting depende mucho
del conocimiento de la red ya que si por
ejemplo el setting es fijado a 10 puede
indicar falsa indicación de arco sobre un
transitorio del sistema eléctrico normal.
Seteo De Conteo de Eventos en Fase y
Tierra
Este cuenta los eventos de “creencia de
arco” para una corriente de fase o corriente
residual, el cual es contado en un periodo
especificado, el cual determina la
existencia de arco, si el conteo sobrepasa
el Seteo fijado.
Este Seteo se puede establecer de:
10 – 250 para corriente de fase y de
10 – 500 para corriente residual.
Seteo del Tiempo de Conteo de Evento
Este es Seteo de periodo de tiempo
especificado para el conteo de eventos, el
cual puede ser fijado de 5 – 180 minutos.
Seteo de Coordinación de Tiempo Fuera
Este seteo permite la coordinación con
reles convencionales. Esta protección no
indicara detección de arco de conductor
caído o arco de conductor intacto hasta que
termine este “tiempo fuera”, es decir da el
tiempo para que operen reles
convencionales de sobrecorriente.
El rango de este tiempo es de 10 – 200
segundos.
Se debe conocer de protección y de las
condiciones ambientales, el arco de falla
seca el área de terreno donde cae,
dificultando la detección si este tiempo es
alto. Es recomendable que este tiempo no
exceda de 30 segundos.
Seteo de Sobrecorriente de Fase y
Residual
Este Seteo indica un nivel de
sobrecorriente de una corriente de Fase y
Residual, si existe una condición de
sobrecorriente asume que la protección de
sobrecorriente protegerá. Este Setting
puede ser fijado de 0.5 – 50 Amperios.
Es recomendado que la sobrecorriente de
fase se ponga aproximadamente a la
corriente de carga máxima, y la corriente
residual el que se obtendría con el máximo
desbalance de carga.
Seteo de “Alto Rango de Cambio”
Este se calcula como la diferencia de los
dos valores RMS de corriente (de fase o
residual) leídos en dos ciclos consecutivos.
Muy Alto rango de cambio puede ser
indicación de una corriente de energización
de transformador (Inrush).
El setting es de 0.05 – 10 A (amperios),
Es recomendado un Setting de:
ciclos
Amps
CT 2
150
CT: Relación del transformador de
corriente.
Seteo de Umbral de Perdida de carga
Una forma de protección es la confirmación
de un conductor caído por una perdida de
potencia monofásica en dos ciclos
consecutivos. El cual es fijado como un
porcentaje de la carga total.
El setting puede ser de 5% - 100%, siendo
el 5% el setting más sensible. Es necesario
notar que la caída del cable en el extremo
opuesto mas alejado, podría no haber una
perdida de carga, y no se detectara una
perdida de carga, entonces de esta forma
no se comprobara la ocurrencia de la caída
de conductor.
Seteo de Eventos Trifásicos
La corriente Inrush (Energización de motor
por ejemplo), es un evento trifásico que la
protección debe tomar en cuenta, ya que la
corriente Inrush tiene similares
características que un arco de falla, por
esto si el evento es trifásico esta protección
ignora esta data. El rango de Setting de
este súbito incremento de corriente trifásica
es de 0.05 – 10 Amperios.
El setting recomendado es de:
Amperios
CT
50
CT: Relación de transformador de
corriente.
11. RELE DE DISTANCIA
Los reles de distancia tienen desventajas
para detectar las fallas a tierra, ya que su
zona de operación esta en función de la
impedancia de la línea, el cual es una
constante, y es casi independiente de la
tensión y corriente de falla. Ya que los reles
para detectar fallas solo miden un umbral
de impedancia de línea. Por otra parte los
reles existentes son diseñados para
trabajar en sistemas en estrella con neutro
puesto a tierra.
Los relés de distancia de característica
cuadrilateral y Mho, son los mas utilizados
para detectar fallas a tierra.

9. 9
Ambas son direccionales, y por su diseño
permiten medir fallas resistivas.
A. CUADRILATERAL.
La característica de distancia de tierra
cuadrilateral consiste de cuatro elementos,
cada lado de la característica cuadrilateral
mostrado en la Fig. 11 representa un
elemento diferente, la línea superior es el
elemento de la reactancia, la línea del lado
derecho la resistencia de secuencia
positiva, la línea del lado izquierdo la
resistencia de secuencia negativa, la
inferior del elemento direccional de
reactancia secuencia negativa.
El rele detectara la impedancia de falla de
línea que se ubique dentro del recuadro.
Fig. 11: Característica cuadrilateral
B. CARACTERISTICA MHO.
El rele de característica MHO, esta
diseñado para medir y comparar el ángulo
de fase entre la tensión de operación y la
tensión polarizadora, vea la Fig. 12.
El rele detectara la impedancia de falla de
línea que se ubique en la zona.
Fig. 12: Característica MHO de rele
12. SISTEMAS ELECTRICOS Y SU
PROTECCION TIPICA
Sistema Sin Aterramiento o Neutro
Aislado
El neutro no esta conectado a tierra, y el
sistema presentan suficiente capacitancia a
tierra.
Los reles tensión de secuencia cero o
homopolar detectan la falla a tierra, pero no
son selectivos y requieren desconexión
secuencial de los circuitos, para determinar
el circuito fallado, o se usa un elemento
direccional varimétrico alimentado con la
corriente y tensión de secuencia cero,
luego se ubica el tramo fallado, se
desconecta este tramo. Otra manera de
ubicar la falla a tierra, es con un elemento
direccional que mide la reactancia
capacitiva homopolar, XCos, el cual
determina el tramo fallado. Vea la Fig.13.
Fig. 13: Delta con tres alimentadores
con falla fase a tierra.
Fig.14: Característica de elemento
direccional [9]
Sistema Efectivamente o Solidamente
Aterrado
El neutro esta puesto a tierra directamente
sin ninguna impedancia.
Para determinar si un sistema es
efectivamente aterrado debe cumplirse
que:

10. 10
(X0 / X1) <=3 y (R0 / X1) <=1.
Las corrientes de falla son de alta
magnitud. Los reles de sobre corriente de
secuencia cero detectan la falla, y se
complementan con elementos
direccionales.
La detección de fallas a tierra de alta
impedancia, es dificultoso con reles no
direccionales con sistema de 04
conductores.
Los sistemas de transmisión son
solidamente aterrados. Y tienen las
siguientes alternativas de protección:
Sistema aterrado con baja impedancia
En este sistema el neutro esta aterrado a
través de una baja impedancia, para limitar
la corriente de falla. La protección es
similar a un sistema solidamente aterrado.
Sistema aterrado con alta impedancia
En este sistema el neutro esta aterrado a
través de una alta impedancia, o a través
de una conexión delta abierto de un
transformador de distribución, sirve para
limitar la corriente de falla a 25 amp o
menos. A su vez limita las sobretensiones
transitorias durante fallas a tierra.
Como un sistema neutro aislado, las fallas
a tierra desplazan el neutro del sistema, si
las cargas están entre faces permanecen
en servicio.
Reles de tensión de secuencia cero
detectan la falla a tierra, pero no son
selectivos y requieren desconexión
secuencial de los circuitos, para determinar
el circuito fallado o se usa un elemento
direccional de secuencia cero vatimétrico
(si la impedancia a tierra es resistivo) o
varimétrico (si la impedancia a tierra es
inductivo), el cual responde a la
componente activa (si la impedancia a
tierra es resistivo) o reactiva (si la
impedancia a tierra es inductivo) de la
corriente de secuencia cero con respecto a
la tensión de secuencia cero.
Sistema con aterramiento resonante
El sistema es llamado también
compensado.
El neutro esta conectado a tierra a través
de un reactor variable de alta impedancia
(o mediante un transformador zigzag
aterrado), con la finalidad de igualarse
automáticamente con la capacitancia fase a
tierra del sistema. Este reactor es llamado
también bobina Petersen, o bobina
supresora de arco, o neutralizador de falla
a tierra. Teniéndose la opción de inyectar
corriente mediante la impedancia durante la
falla a tierra, y reducir la corriente de falla a
cero.
La detección de fallas a tierra de alta
impedancia, requiere sensibilidad a la
corriente de secuencia cero, y se usan
elementos de direccionales vatimétricos.
Después que la corriente ha sido limitada,
se suele puentear la bobina Petersen, y
con la sobre tensión de secuencia cero se
ubica la falla. Luego todo regresa al estado
inicial.
13. PROBLEMA DE SENSIBILIDAD
La capacitancia de la red, las perdidas por
fuga en aislamientos, el efecto corona, el
desbalance de cargas permiten una baja
corriente homopolar, en condiciones del
sistema sin falla.
La corriente de excitación de los
transformadores de corriente
electromagnéticos de rele puede ocasionar
una falsa operación de la protección.
0 IrIr , 240 IsIs , 120 ItIt
Son corriente de fase de R, S, y T
respectivamente. Iex es la corriente de
excitación de cada transformador de
corriente del rele.
)31202400(  IexItIsIrIrele
Sin falla, con TC electromagnéticos:
)31202400(  IexItIsIrIrele
Sin falla, con TC ópticos:
)1202400(  ItIsIrIrele
La corriente de excitación y cargas
desbalanceadas no permiten bajas
corrientes de seteo de rele, los reles son
seteados sobre este valor para evitar
disparos por falsas fallas.
)1202400(  ItIsIreIdesbalanc
La protección convencional es más
afectada debido a que el setting de
corriente es una magnitud, además los
elementos direccionales son afectados si la
tensión de falla es muy baja.
14. PROBLEMA DE LA DETECCION
El problema de la sensibilidad no permite
bajos valores de Setting (Valor de
actuación) del rele.
En el momento de falla la detección
dependerá de la resistencia del terreno.
Una alta resistencia del terreno podría
hacer lento la operación de rele.
La protección convencional es mas
afectada debido que el Setting de este es
muy grande y no detecta fallas con
corrientes bajas.
La protección basada en análisis de arco
de falla a tierra, no detecta la falla si el

11. 11
cable cae sobre un material que no
produce arco.
PROPUESTA DE SOLUCION
15. PROTECCION CONTRA FALLA
FASE ABIERTA
La protección de sistemas eléctricos de
configuración radial, debe detectar el cable
roto, la protección que planteo se basa en
medir las tensiones i/o corriente de fase o
línea, en lado de carga, ya que al romperse
un cable en lado de carga se detectara la
caída de tensión i/o corriente en la fase
fallada principalmente. Y mediante
comunicación electrónica enviara una señal
al extremo de la red fallada y se abrirá el
interruptor automático aguas arriba, para
desenergizar el tramo fallado. Otra
alternativa seria el sensor de tensión
óptico, ubicado en el lado de carga, y el
generador de luz ubicado en la sub
estación alimentadora en el otro extremo, el
cual al detectar la caída de tensión manda
abrir el interruptor automático.
En tramos de sistemas eléctricos, que
estén alimentados por ambos lados de la
red eléctrica, se detectara principalmente la
igualdad de corriente de las fases sanas y
el aumento de la corriente de secuencia
negativa.
Así el sistema de protección contra fallas a
tierra comienza desde que el cable se
rompe, y no como los sistemas de
protección actuales que esperan que el
cable toque tierra para comenzar a detectar
la falla.
En cuanto a la comunicación electrónica
los siguientes canales digitales están
disponibles:
Fibra óptica dedicada, siendo el más
confiable.
Redes multiplexadas usando interfaces de
64kbits
- T1 multiplexado, es multipunto, la señal
pasa a través de varios puntos antes
de llegar a su destino final, este retardo
de tiempo no es conveniente para
señales de protección.
- SONET o red óptica síncrona, los
varios puntos con ADM (Add/Drop
multiplexor), requieren un tiempo para
añadir o quitar señales a la señal
óptica, se convertirá a señal a eléctrica
y luego se convierte otra vez a señal
óptica. Para que llegue a su destino
final. Este tiempo no es conveniente en
tele protección. Vea Fig. 15 y 16.
- Enlaces digitales de radio o microonda,
tienen tiempos cortos de transmisión
de señal protección pero en malas
condiciones de clima la señal se
desvanece.
Fig.15: Forma de Añadir o Retirar
una señal de una fibra óptica, la
señal óptica DS-3, se convertirá en
una señal eléctrica DS-1, se añade o
quita a la señal, y regresa a la fibra
óptica como una señal óptica DS-3,
nótese que DS-1 utilizo el canal T1.
[11]
Fig.16: Red SONET con rele 87L [11]
- CSU (Channel Service Unit) provisto a
56Kbps o 64Kbps sobre líneas
telefónicas de cobre. Vea Fig. 17.
Otro canal que suele usarse es:
- Power line carrier a 64Kbps.
Nota:
64Kbits=(8ksample/segx8bits/sample).
Fig.17: Canal CSU [11]
16. ESQUEMAS PILOTOS
Para redes radiales será el esquema será
DTT (transferencia de disparo directo),
ejemplo la caída de tensión de una fase en

12. 12
lado de carga enviara una señal para
disparo de interruptor automático en lado
de la alimentación de la red. Para redes
con mas de una fuente el esquema será
DCUB (desbloqueo por comparación
direccional) y DTT, al detectarse la
corriente en dos faces iguales y aumento
de la corriente de secuencia negativa,
abrirá el interruptor local, y seguirá el
proceso como una red radial, explicada
anteriormente, de comprobarse la caída de
tensión, se enviara una señal para abrir el
interruptor del otro extremo, de lo contrario
el interruptor local volverá a su estado
inicial es decir se cerrara.
17. EJEMPLO DE ARREGLO DE LA
PROTECCION
A.- Se detecta desde el inicio de caída de
cable conductor de electricidad, detectando
la falla fase abierta, con detectores
ubicados en la subestación al lado de la
carga, los cuales detectan un valor
predeterminado de caída de tensión.
B.- La señal de falla es enviada por
comunicación: el canal puede ser fibra
óptica, cableado de cobre, fases sanas de
energía, red de telefónica publica, radio,
satelital u otro disponible en el área.
C.- La señal es recepcionada en la
subestación alimentadora de la red
protegida, esta señal indica que el cable ha
caído. Y acciona el circuito de control del
interruptor automático que alimenta esta
red, la señal manda a abrir el interruptor
automático que alimenta a la red eléctrica.
Para mejorar el entendimiento describiré
las figuras siguientes.
Figura 19: Muestra un sistema eléctrico,
con sus dispositivos de protección,
comunicación, interruptores automáticos.
En las condiciones sin falla.
Figura 20. Muestra tres casos de falla y su
respuesta:
Si ocurre la Falla 1 de caída de cable, el
detector D1-1 detecta y envía señal,
entonces D1 recibe la señal y conmuta su
contacto eléctrico para mandar abrir el
interruptor automático ID1, el cual abrirá
sus contactos para cortar la energía a la
red fallada.
Si ocurre la Falla 2 de caída de cable, el
detector D2-1 detecta y envía señal,
entonces D2 recibe la señal y conmuta su
contacto eléctrico para mandar abrir el
interruptor automático ID2, el cual abrirá
sus contactos para cortar la energía a la
red fallada.
Si ocurre la Falla 3 de caída de cable, el
detector DTC1 detecta y envía señal,
entonces DTG1 recibe la señal y conmuta
su contacto eléctrico para mandar abrir el
interruptor automático ITG1, el cual abrirá
sus contactos para cortar la energía a la
red fallada.
18. CONCLUSION
+ En la actualidad todos los sistemas de
protección para detectar la falla a tierra
esperan que el cable toque suelo (tierra).
Por esto es necesario, asegurarse, que el
cable fallado que ha caído, tenga un buen
contacto a tierra. Y así permitir que los
reles detecten la falla, se debe prever que
los cables aéreos que caigan, por gravedad
caigan sobre un material conductor que
este puesto a tierra.
+ Pero el cable al caer sobre terreno seco,
arena seca, concreto seco, zonas rocosas,
no permitirán que el circuito de detección
de falla se cierre, o en su defecto se
presente una falla a tierra de alta
impedancia.
+ Los sistemas de protección actuales, no
consideran la protección a los humanos
contra el contacto directo, o indirecto a
través de los cables de las redes públicas
de menor tensión que ingresan a los
domicilios, como de telefonía o redes de
baja tensión u otros.
+ La protección convencional depende de
la magnitud de corriente de falla, o tensión,
se añade elemento direccional que tiene la
función de actuar ante una falla delante de
el, consiguiendo con esto sacar de servicio
solo el tramo fallado, dejando el resto
energizado.
+ Las fallas de sobrecorriente son
detectado por reles de sobrecorriente, no
serán detectados aquellos fallas de alta
impedancia o falla con corriente muy baja.
+ La tecnología para detectar fallas de alta
impedancia por medio del arco
complementa en gran parte las fallas no
detectadas por reles convencionales.
Siempre y cuando exista arco de falla.
+ Limitando la corriente de falla con
sistemas compensados, o aislados se
beneficia a la estabilidad del sistema de
potencia, y es la principal ventaja de estos
sistemas que pueden ser determinantes
para su selección. Pero se aumenta los
riesgos de una falla de alta impedancia.
+ En sistemas puestos a tierra la detección
de falla a tierra es más económica, pero se
corre el peligro de perder estabilidad
durante fallas a tierra y se deje sin servicio

13. 13
a una gran cantidad de usuarios, además
estas altas corrientes de falla, someten a
sobrecalentamientos al equipamiento, y
perturban las señales de comunicación.
+ Los sensores ópticos de corriente tienen
una precisión mejor en todo su rango en
comparación de los transformadores de
corriente. Pero los sensores ópticos
necesitan energía externa para poder
funcionar.
+ Los sensores ópticos de corriente y
tensión, no son puestos a tierra, no tienen
núcleo ferromagnético, por esto se reduce
efectos resonantes, y se pueden crear
nuevos esquemas de protección.
+ En sistemas de protección existentes, se
deben planificar el uso simultáneo de los
transformadores de corriente existentes,
para incorporar el transformador de
corriente óptico.
+ Los sistemas eléctricos en delta, estrella,
estrella puesto a tierra, compensados,
tienen los mismos riesgos para los
humanos ante un contacto directo con el
cable fallado.
+ El planteamiento que realizo de detección
de caída de tensión para redes radiales, no
depende de la resistencia de puesta a tierra
o del valor de la corriente de falla.
+ El planteamiento que realizo de detección
de aumento de corriente de secuencia
negativa e igualdad de corrientes de las
fases sanas, no depende de la resistencia
de puesta a tierra o del valor de la corriente
de falla. En el caso de redes alimentadas
por ambos extremos.
+ Con un canal digital de comunicación
punto a punto, exclusivo con fibra óptica, o
cable de cobre, lograra evitar la falla a
tierra. Un canal de microondas es
adecuado pero en malas condiciones
climáticas la señal se desvanece.
+ Los otros canales de comunicación
multiplexado, necesitan más tiempo para
la recepción de la señal. Y la señal de falla
de cable caído podría ser recepcionada,
durante la falla a tierra.
19. REFERENCIA BIBLIOGRAFIA
[1]: Review of Ground Fault protection
methods for grounded, ungrounded, and
compensated Systems, Autor: Jeff Roberts,
Dr. Hector J. Altuve, Dr. Daqing Hou.
[2]: Network Protection and Automation,
Autor: Alstom.
[3]: Product Catalog. Autor: GE Power
Management, año 2000
[4]: Relaying Communication Channels.
Autor: GE Protection & Control
[5]: Power Engineering Guide Transmission
And Distribution. Autor: SIEMENS
[6]: Fiber Optic Magnetic Field Sensors
Utilizing Iron Garnet Materials, Autor: Hans
Sohlstrom
[7]: Física parte II, Autor Robert Resnick y
David Halliday.
[8]: Fiber Optic Current Sensor, Autor:
NxtPhase Corporation
[9]: Applying the SEL-351 Relay to an
Ungrounded System, Autor: Normann
Fischer and Mark Feltis
[10]: Phase and Ground Distance Relay,
Directional Overcurrent Relay, Fault
Locator Autor: Schweitzer Engineering
Laboratories.
[11]: Pilot protection communication
channel requirements. Autor: T. Dahlim,
RFL Electronics Inc.
Autor: Ing. Marcos Pacheco.
CIP 45630.

14. 14
ANEXOS
Relay Plug
Setting
Low
Voltage
at
Setting
(V)
Exciting
Current
Ie
3Ie Effective
Setting
% Current
(A)
Current
(A)
%
5 0.25 12 0.583 1.75 2.0 40
10 0.5 8 0.405 1.215 1.715 34
15 0.75 4 0.3 0.9 1.65 33
20 1.0 3 0.27 0.81 1.81 36
40 2.0 1.5 0.17 0.51 2.51 50
60 3.0 1.0 0.12 0.36 3.36 67
80 4.0 0.75 0.1 0.3 4.3 86
100 5.0 0.6 0.08 0.24 5.24 105
Tabla1: Efectivo Seteo de Rele [2]
Fig.1: Circuito para falla a tierra. (A) Para
sistemas puestos a tierra, (B) Para
sistemas aislados.
Fig. 2: TC y reles. [2]
Figura 3: Característica de Excitación de
Transformador de Corriente [2]
Figura 4: Seteo Efectivo [3]
Fig. 5: Principio de funcionamiento [6]
Fig. 6: Partes del Transformador de
Corriente óptico [8]
Caracteristicas de Excitacion
0
10
20
30
0 0.5 1 1.5
Corriente de Excitación (Amp)
Tensión
Secundaria(Volt)
Efective Setting de Rele de
Falla a Tierra
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Relay Setting (%)
EfectiveSetting(%)
13
(a) (b) (c)

15. 15
Fig. 7 Conexiones para Rele polarizado
por voltaje [2]
Fig. 8: Falla a Tierra en fase A.
Respuesta de disparo de elemento
direccional. [9]
Fig.9: Conexiones de Rele de Falla a
Tierra polarizado por corriente [2]
Fig. 10: Rele de Falla a Tierra polarizado
por corriente, en transformador
estrella/delta/estrella. [2]
Fig. 11: Característica cuadrilateral
Fig. 12: Característica MHO de rele
Fig. 13: Delta con tres alimentadores
con falla fase a tierra.

16. 16
Fig.14: Característica de elemento
direccional [9]
Fig.15: Forma de Añadir o Retirar una
señal de una fibra óptica, la señal óptica
DS-3, se convertirá en una señal
eléctrica DS-1, se añade o quita a la
señal, y regresa a la fibra óptica como
una señal óptica DS-3, nótese que DS-1
utilizo el canal T1. [11]
Fig.16: Red SONET con rele 87L [11]
Fig.17: Canal CSU [11]
Fig.18: Canal de microondas [11]
Congreso: CONIMERA 2005

17. 17
Fig. 19: Sistema eléctrico radial, sin
falla.
Fig. 20: Sistema eléctrico radial con
falla, con arreglo de protección.
Fig. 21: Requisitos de la Comunicación
usados en Sistema Eléctricos. [11]