Prueba del relé de factor de potencia (dispositivo 55): arranque por ángulo de fase

Qué es

La función 55 es el relé de factor de potencia, un elemento que responde al ángulo de fase entre el voltaje y la corriente de un circuito, y no solo a sus magnitudes. No es lo mismo que la prueba de factor de potencia del aislamiento, que verifica las pérdidas dieléctricas de una boquilla o un devanado; este es un elemento de protección. Se aplica principalmente a motores y generadores síncronos, donde un cambio súbito del factor de potencia revela pérdida de campo o pérdida de sincronismo, y en algunos controles de bancos de capacitores y de corrección del factor de potencia, donde supervisa las maniobras. La prueba confirma que el elemento arranca con el ángulo ajustado, del lado en atraso, del lado en adelanto o de ambos según lo exija la aplicación, que se repone correctamente, que necesita voltaje y corriente suficientes para ser confiable y que su salida llega al circuito de disparo o de alarma.

Por qué se realiza

Una máquina síncrona que pierde el campo o se sale de sincronismo toma del sistema una potencia reactiva muy distinta, lo que se manifiesta como una oscilación del factor de potencia mucho antes de que la máquina llegue a sus límites térmicos. Si se deja así, esa condición puede causar pulsaciones severas de par, daño al rotor y a los devanados amortiguadores, perturbaciones de voltaje en la alimentación y el disparo de toda la barra. El elemento de factor de potencia es una forma de ver esa condición con rapidez y sacar la máquina de servicio. Una relación de fase equivocada en las conexiones, un transformador de corriente invertido, un ajuste introducido con el signo contrario o un contacto muerto mantendrán callado al relé cuando más importa, y nada de eso se descubre mirando solo los ajustes. La prueba comprueba toda la cadena de medición, incluida la polaridad.

El principio

El factor de potencia es el coseno del ángulo de fase entre el voltaje y la corriente, de modo que un relé basado en él es en realidad un detector de ángulo. En un diseño electromecánico, una bobina de voltaje y una de corriente actúan sobre un disco o una copa, y el par depende del producto de las dos magnitudes y del coseno del ángulo entre ellas, por lo que el relé opera cuando ese par supera la retención con un ángulo determinado. En un relé digital, el programa mide los dos fasores, calcula el ángulo y lo compara con el valor ajustado, con lógica separada para las condiciones en atraso y en adelanto. Como el ángulo solo tiene sentido si ambas magnitudes son lo bastante grandes para medirse, el elemento se supervisa con un voltaje y una corriente mínimos. El signo del ángulo depende además de la polaridad, y por eso la convención de conexión, el sentido del transformador de corriente y la fase medida deben concordar con el diagrama.

Cómo se realiza

El relé se aísla, los secundarios de los transformadores de corriente se ponen en cortocircuito antes de cambiar cualquier conductor y los secundarios de los transformadores de potencial se aíslan para que nada alimente en sentido inverso. Un equipo de prueba de relés trifásico o monofásico suministra voltaje y corriente a las entradas del relé en la conexión que este espera, con la secuencia de fases coincidente. Primero se aplican valores normales y sanos de voltaje y corriente con el ángulo en una condición de operación cómoda, y luego se desplaza el ángulo lentamente para hallar dónde opera la salida, primero hacia el lado en atraso y después hacia el lado en adelanto. Se barre el ángulo en sentido contrario para hallar la reposición. La operación se repite con un cambio brusco de ángulo para medir el tiempo de respuesta, cuando el fabricante lo especifica. También se comprueba la corriente o el voltaje mínimo con que el elemento aún funciona, porque la supervisión forma parte de la función. La salida de disparo o de alarma se confirma contra el circuito que maneja. Los ajustes encontrados no se modifican salvo que la orden de trabajo lo indique.

Qué se registra

El registro indica el tipo de relé y sus ajustes, el voltaje y la corriente aplicados durante la prueba, el ángulo con el que ocurrió el arranque en cada lado, el ángulo de reposición, el tiempo de respuesta cuando se midió y el resultado de la comprobación de la supervisión. Se anota la conexión de prueba y la secuencia de fases usadas, el instrumento y su estado de calibración, los ajustes tal como se hallaron y como se dejaron y el estado del circuito de disparo o de alarma, para poder comparar los ángulos con pruebas anteriores.

Cómo se juzgan los resultados

Los ángulos de arranque medidos se comparan con los ajustes del estudio de protección o de la máquina, admitiendo la tolerancia publicada para el relé, y los lados en atraso y en adelanto se revisan por separado porque suelen ajustarse de forma distinta. El comportamiento de reposición y los umbrales de supervisión se juzgan frente a los datos del fabricante, y los resultados se comparan con pruebas anteriores del mismo relé para detectar la deriva. Un resultado correcto de un lado e incorrecto del otro suele apuntar a un problema de polaridad o de conexión y no de calibración. ANSI/NETA ATS-2025 y ANSI/NETA MTS-2023 incluyen el relé de factor de potencia entre las pruebas de relés de protección. Para las tolerancias y los valores, consulte su propia copia con licencia de esas normas y el manual de instrucciones del relé.