Prueba del relé de sobrecorriente de tiempo (dispositivo 51): curvas, arranque y tiempos

Qué es

La función 51 es el elemento de sobrecorriente de tiempo, el caballo de batalla de la protección de respaldo de alimentadores, motores, transformadores y generadores. A diferencia de un elemento instantáneo, retarda su disparo según una característica de tiempo inverso respecto a la corriente: cuanto mayor es la corriente, más breve la espera. En un relé electromecánico es un disco de inducción que gira contra un imán de freno y cierra un contacto tras recorrer una distancia fijada por el dial de tiempo, con un bloque de derivaciones que fija el arranque. En los relés de estado sólido y digitales el mismo comportamiento se obtiene con una curva matemática, elegida entre una familia de formas como moderadamente inversa, muy inversa y extremadamente inversa, con un multiplicador de tiempo y un ajuste de arranque. La prueba verifica el arranque y los tiempos en puntos elegidos de la curva, y confirma que el relé coordinará con los dispositivos aguas arriba y aguas abajo.

Por qué se realiza

La protección de sobrecorriente de tiempo permite que un sistema eléctrico soporte sobrecargas inofensivas y corrientes de arranque sin dejar de despejar las fallas sostenidas, y su valor depende de que los tiempos coincidan con el estudio de coordinación. Un relé demasiado rápido puede disparar por un transitorio que debieron despejar los dispositivos aguas abajo, sacando más carga de la necesaria. Uno demasiado lento puede dejar que un conductor o un devanado se caliente más allá de su resistencia térmica, o que una falla dure más que el tiempo de despeje supuesto en los cálculos de arco eléctrico. Los relés de disco sufren fricción en los cojinetes, suciedad, deriva del imán y fatiga del resorte, y los digitales pueden cargarse con la familia de curvas o el multiplicador de tiempo equivocados. Solo una prueba de tiempos que ejercite el elemento real con corrientes reales muestra si el relé se comportará como el estudio espera.

El principio

Un elemento de tiempo inverso se comporta como un integrador: cuanto más cerca está la corriente del arranque, más lentamente se acumula el elemento hacia la operación, y cuanto más la supera, más rápido llega. En el disco de inducción, el par crece con el cuadrado de la corriente mientras el imán de freno se opone al movimiento en proporción a la velocidad, de modo que el disco avanza con una rapidez que aumenta bruscamente con la corriente, y el dial de tiempo fija cuánto debe recorrer. En un relé digital, el programa evalúa una ecuación publicada del tiempo frente al múltiplo del arranque e integra hacia un umbral de disparo, y muchos modelos emulan además la reposición de un disco, con un decaimiento lento del recorrido acumulado cuando la corriente baja. Cerca del arranque el tiempo es largo y sensible, por lo que las pruebas se hacen con varios múltiplos del arranque, normalmente uno bajo, uno medio y uno alto, para mostrar la forma de la curva y no un punto aislado.

Cómo se realiza

El relé se aísla y sus secundarios de transformadores de corriente se ponen en cortocircuito antes de cambiar cualquier conductor. Un equipo de prueba de relés inyecta corriente en el secundario del relé. Se registran la derivación, el dial o multiplicador de tiempo y la curva seleccionada tal como se encuentran. Primero se halla el arranque, aumentando lentamente la corriente hasta que el disco comienza a moverse en un relé electromecánico o hasta que opera el indicador de arranque en uno digital, y se anota la reposición. Luego las pruebas de tiempo aplican un escalón de corriente con cada múltiplo elegido del arranque, iniciando un cronómetro al aplicar la corriente y deteniéndolo al cerrar el contacto, y los intervalos se comparan con la curva publicada por el fabricante para esa posición del dial. En un relé de disco se deja que el disco regrese a su posición de reposo entre pruebas, porque un disco con recorrido parcial acorta el tiempo siguiente. Los niveles de inyección se mantienen dentro de las capacidades continua y de corta duración de la bobina. Los elementos de fase y el de tierra se prueban por separado, y la salida de disparo se comprueba contra el circuito de disparo del interruptor o un indicador sustituto.

Qué se registra

El registro indica el tipo de relé, la familia de curvas, la derivación y el dial o multiplicador de tiempo, el arranque y la reposición hallados, y el tiempo de operación medido con cada múltiplo del arranque probado, junto con el método de inyección y el instrumento empleado con su estado de calibración. Se anotan las observaciones mecánicas de un relé de disco, como limpieza, ajuste del imán de freno o estado de los cojinetes, y los ajustes tal como se hallaron y como se dejaron, de modo que las pruebas posteriores muestren cómo se han movido los tiempos con los años.

Cómo se juzgan los resultados

Cada tiempo medido se compara con el valor de la curva publicada por el fabricante para el ajuste en servicio, admitiendo la tolerancia indicada para ese relé, y con el tiempo que espera el estudio de coordinación. Los puntos de prueba deben alinearse a lo largo de la curva de manera coherente, porque un relé correcto con un múltiplo e incorrecto con otro apunta a un problema de calibración y no a un simple error de ajuste. La comparación entre fases y con resultados anteriores del mismo relé revela la deriva. ANSI/NETA ATS-2025 y ANSI/NETA MTS-2023 tratan el elemento de sobrecorriente de tiempo 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.