Prueba del relé de pérdida de campo (dispositivo 40): zonas de impedancia y tiempos

Qué es

Un relé dispositivo 40 protege a un generador síncrono contra la pérdida de excitación. Es un relé de impedancia: a partir del voltaje y la corriente en los terminales de la máquina calcula la impedancia aparente y determina si ha entrado en una zona del plano de impedancia. La zona suele ser un círculo, una característica mho, desplazada del origen de modo que queda sobre todo en la región a la que entra la máquina cuando absorbe potencia reactiva del sistema. Muchos relés usan dos zonas, una para una pérdida de campo severa con retardo corto y otra mayor para un caso más leve con retardo más largo. El elemento aparece en paquetes de relés de generador de microprocesador y, en máquinas antiguas, como unidad electromecánica o de estado sólido dedicada. La prueba de campo sustituye al generador por un equipo trifásico que suministra voltaje y corriente con magnitudes y ángulos controlados.

Por qué se realiza

Al perderse la excitación, el generador sale de sincronismo y empieza a actuar como generador de inducción, tomando mucha potencia reactiva del sistema mientras aún entrega potencia activa. La superficie del rotor se calienta por corrientes inducidas, la zona de los extremos del estator se sobrecalienta por la alta corriente y la demanda sobre el sistema puede deprimir el voltaje en un área amplia. El daño a la máquina puede aparecer rápidamente, así que la protección debe reconocer la condición y disparar, pero a la vez debe mantenerse estable durante oscilaciones recuperables y fallas cercanas. Un desplazamiento, diámetro, ángulo o tiempo incorrectos dejan la unidad sin protección o expuesta a disparos innecesarios. Como no se puede provocar una pérdida de excitación real solo para revisar el relé, la prueba de inyección secundaria es la forma práctica de comprobar que la característica es la que previó el estudio.

El principio

En el plano de impedancia, la resistencia corre sobre un eje y la reactancia sobre el otro, y el relé convierte cada par de voltaje y corriente en un punto de ese plano. Un generador sano y cargado con factor de potencia normal mantiene ese punto bien alejado de la zona. A medida que cae la excitación, la máquina absorbe potencia reactiva y la impedancia aparente se desplaza a la región inferior, acercándose al círculo. El círculo queda definido por su diámetro, su desplazamiento y, a veces, una línea de supervisión direccional. Al alcanzar el borde arranca un temporizador, y la salida opera solo si el punto permanece dentro durante todo el retardo. También puede usarse un elemento de supervisión de voltaje para acelerar o restringir la operación. Como la impedancia es el voltaje dividido entre la corriente, el mismo lugar del plano se alcanza con muchas combinaciones de voltaje y corriente, y la prueba aprovecha esa libertad para mantenerse dentro de la capacidad del equipo.

Cómo se realiza

Con el relé fuera de servicio, las salidas de disparo bloqueadas y los circuitos aislados del generador, el técnico registra la identidad del relé y los ajustes de zona tomados del estudio: diámetro, desplazamiento, ángulo de cualquier línea direccional y retardo de cada zona. Se conecta a las entradas del relé un equipo de prueba trifásico de voltaje y corriente, conservando polaridad y secuencia de fases, con el contacto de salida cronometrado por el equipo. Partiendo de un punto de operación sano, el punto de prueba se desplaza a lo largo de una línea hacia cada borde cambiando la magnitud o el ángulo de la corriente respecto del voltaje. El borde se halla buscando el punto en que la salida opera, y la búsqueda se repite por más de una trayectoria para verificar la forma, el desplazamiento y el diámetro de la característica. Para el tiempo, se aplica de golpe un estado de falla desde un punto bien dentro de la zona y se lee el intervalo hasta la operación del contacto. Los elementos de supervisión, como un bloqueo por voltaje, se ejercitan donde estén ajustados. Si el esquema lo permite, el contacto se comprueba hasta el circuito de disparo.

Qué se registra

El registro consigna la identidad del relé, los ajustes de cada zona y los estados inyectados que se usaron para demostrarlos. Enumera los puntos de borde hallados, el tiempo de cada zona y si se ejercitaron las funciones de supervisión. También nombra el equipo de prueba y su estado de calibración y los ajustes tal como se encontraron y como quedaron. Se anotan los ajustes realizados y si el contacto de salida se comprobó hasta el circuito de disparo o de alarma, para la siguiente prueba.

Cómo se juzgan los resultados

Los resultados se comparan con los ajustes producidos por el estudio de protección, pues la zona correcta depende de las reactancias de la máquina y del sistema. Los criterios toman estas formas: un borde que concuerda con el ajuste de diámetro, desplazamiento y ángulo dentro de la exactitud declarada por el fabricante, ninguna operación fuera de la zona, un retardo que coincide con el ajuste de cada zona y un contacto limpio. Los resultados de mantenimiento se comparan además con la prueba anterior y con la referencia de aceptación. El alcance de las pruebas de relés se describe en ANSI/NETA ATS-2025 para aceptación y en ANSI/NETA MTS-2023 para mantenimiento. Para las tolerancias y el detalle de cada cláusula, consulte su propia copia con licencia de esas normas y los datos del fabricante del relé.