sistemas de protección usados en mt y bt
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SISTEMAS DE PROTECCIÓN
USADOS EN MT Y BT
INTEGRANTES
ELIGHEOR COHIL
C.I.:19170084 BRYAN HINOJOSA
C.I.:19170086
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SISTEMAS DE PROTECCIÓN EN MT Y BT
En los sistemas eléctricos tenemos cuatro variables, que trabajan relacionadas entre
ellas V (tensión), I (corriente), T (temperatura) y t (tiempo). Las variaciones de ellas fuera de los parámetros normales,
pueden llegar a afectar a los equipos y elementos que se encuentran en las redes
eléctricas. Por ello se deben colocar diferentes
sistemas y dispositivos para proteger a los equipos, intercalados en las redes, a fin de
proteger a los equipos de las perturbaciones que producen esas variables.
Los equipos y elementos vienen diseñados para trabajar en ciertos rangos nominales y
soportar ciertas fluctuaciones que no van a producir un daño permanente en los equipos.
A continuación veremos las diferentes perturbaciones que pueden generar la
tensión (V) y la corriente (I).
Cuando hablamos de TENSIÓN podemos
tener:
Baja Tensión
Sobretensión Falta de tensión
Los orígenes de la sobretensión, pueden ser:
Externos: descargas atmosféricas
por ejemplo. Internas: debido a las maniobras que
se realizan en los sistemas. Interrupciones de circuitos con
falla: por falla se produce la apertura
del circuito.
En el caso a Baja Tensión el origen puede ser debido a dos causas:
Que los circuitos eléctricos estén
diseñados de alguna forma que se produzcan caída de tensión o perdidas antes de llegar al tramo final,
si hay excesiva resistencia del circuito eléctrico va a haber una importante caída de tensión y por ende baja
tensión.
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Es una falla asociada al circuito eléctrico, microcorte, en un sistema
circuital cerrado, la apertura de una parte del circuito, puede hacer que todo el sistema se vea resentido.
Por una salida de servicio, debido a una falla de circuito entre fase y
tierra o fase y fase, se produce una baja de tensión.
También se puede dar por una maniobra, como una conmutación de
circuito. La falta de tensión va asociado a distintas causas que la pueden provocar, porque se corto el conductor de una fase, porque actúo una protección, etc.
Siempre cuando falla una fase ocasiona algunos inconvenientes, por
ejemplo: los motores tienen una característica que para poder tener una potencia eléctrica constante, al producirse una disminución de la tensión necesita aumentar la corriente, este aumento de la corriente significa
aumento de la temperatura que con el tiempo (a veces horas) la aislación se daña, (quema) produciendo la salida de servicio del mismo. Algo similar
sucede en los transformadores con consecuencias que pueden ser mucho peores.
Cuando hablamos de CORRIENTE podemos tener:
Sobrecarga
Cortocircuito
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Cuando hablamos de sobrecarga/sobrecorriente estamos hablando
en el orden de hasta dos veces la corriente nominal (In), no es una falla de cortocircuito
sino que es una falla por excesiva corriente por encima de la nominal.
Cuando hablamos de cortocircuito, hablamos de n veces la corriente nominal, esta siempre
va ligada a las potencias nominales que estamos manejando, en la medida que estemos mas cerca de la fuente de energía los valores
de corriente de cortocircuito son mayores, a medida que nos alejamos y nos vamos
acercando hacia la carga, esa corriente de cortocircuito va disminuyendo, porque hay impedancias en el camino que van frenando
esa corriente de falla.
En los sistemas eléctricos, como ser en la excitación de transformadores o la de motores, se tienen corrientes muy grandes,
denominadas corrientes de excitación o de arranque, de valores n veces la corriente
nominal. Están en el orden de la corrientes de falla.
La otra variable tan importante, es el TIEMPO, la variable que vamos a tratar de manejar en
forma proporcional a la variable que está fallando, el tiempo nos va a dar una indicación de selectividad y del manejo de la falla cuanto
más tiempo esté presente una falla más daño producirá a los circuitos.
La variable TEMPERATURA, esta ligada a las consecuencias que originan la presencia de las
variables antes mencionadas. Todos los equipos componentes de un sistema
eléctrico están sujetos a fallas que en general afectan el servicio y al mismo tiempo
comprometen la integridad del equipo afectado e inclusive la de los equipos instalados entre el punto de la falla y el generador, los cuales no
son responsables del defecto.
El sistema de protección tiene por objeto la detección, localización y desconexión en forma
automática del equipo afectado a fin de minimizar los efectos que el funcionamiento
prolongado en estado de falla tendría sobre la instalación. Para cumplir con estas funciones, el sistema de protección debe cumplir las
siguientes condiciones fundamentales: selectividad – estabilidad – confiabilidad.
La selectividad: es la cualidad de los sistemas
de protección eléctrica por la cual su
accionamiento debe sacar de servicio solo la porción de la red afectada por la falla o en su
defecto, la menor porción posible. La estabilidad: es la que asegura que el
sistema de protección no operará para fallas que se encuentran fuera del tramo o equipo al
que se le ha asignado proteger (la protección permanece estable). La confiabilidad: es otro de los requisitos que
debe poseer el sistema de protección mediante
el cual se determina la seguridad de que cada dispositivo opera en todas las ocasiones en que sea necesario de manera de no afectar la
selectividad del conjunto.
Considerando que la confiabilidad no es total, la misma se asegura mediante la protección de respaldo o reserva. Esta actúa solo en caso de
falla por falta de la magnitud medida, falta de tensión continua de comando, falla en el relé
propiamente dicho o bien en el circuito de comando del interruptor.
Es conveniente que la protección de respaldo esté dispuesta de forma tal que la causa de la
falla de la protección principal no afecta su funcionamiento, o sea que no empleen o
controlen elementos comunes a la protección
principal.
El sistema de protección debe permitir máxima flexibilidad y operabilidad, pudiéndose
conformar todas las configuraciones operativas posibles, sin necesidad de modificar las
regulaciones establecidas.
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Las protecciones deben intervenir para eliminar:
Cortocircuitos trifásicos con o sin puesta a tierra
Cortocircuitos bifásicos con o sin puesta a tierra
Cortocircuitos monofásicos
Doble puesta a tierra (simultaneidad de
puesta a tierra de dos fases diferentes en distintos lugares)
El principio a aplicar para la protección de redes contra cortocircuitos depende de la
configuración de la red, del tiempo de desenganche máximo admisible y de la
importancia económica de la línea. Los sistemas usados actualmente son los siguientes:
1) Protección con relés de máxima
intensidad y relés direccionales.
2) Protección con relés de distancia o de
impedancia.
3) Protección con relés diferenciales.
TIPOS DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN
Protección contra fallas temporales
Debido a que la duración de este tipo de falla
es de pocos ciclos, ellas son mejor tratadas con procedimientos que involucren aperturas y reconexiones automáticas del circuito. De esta
manera se logra que las anormalidades momentáneas sean despejadas en algunas de
dichas operaciones. Los dispositivos más adecuados para cumplir con este objetivo deberán poseer las funciones de apertura y
reconexión ideales para despejar fallas temporales. Entre estos dispositivos se
encuentran el disyuntor y el reconectador de líneas.
En los circuitos aéreos de distribución una gran cantidad de las fallas son de naturaleza
transitoria, y para atacar dichas perturbaciones los equipos reconectadores son de gran
utilidad, ya que proporcionan la función de desenergización en fallas, pausa para la desionización de la trayectoria del arco y
restablecimiento del voltaje. Si la falla ha desaparecido durante el tiempo muerto, la
reconexión se hace con éxito, de no ser así, se intenta con una o más operaciones de reconexión y de persistir la falla, el
reconectador abrirá, o bien, se eliminará la falla por la operación de un fusible. Es necesario
acotar que se proporciona la función de reconexión para eliminar los efectos de las fallas temporales, ya que si todas las fallas
fueran de naturaleza permanente, la reconexión sería inútil. De igual manera, las fallas
temporales en los circuitos ramales conducen a paralizaciones momentáneas para todos los consumidores aguas abajo del equipo
reconectador, si se aplica la reconexión. Algunas empresas distribuidoras, en un
esfuerzo por reducir el número de paralizaciones momentáneas, dejan que el fusible del ramal opere ante fallas transitorias,
lo cual tiene el efecto negativo de crear paralizaciones de carácter permanente en los
clientes que se encuentren en el ramal afectado, además de generar costos de operación.
Protección contra fallas permanentes
Para lograr una protección efectiva contra fallas permanentes se requiere que las secciones
falladas de la línea sean automáticamente desconectadas del circuito sin perjudicar el
buen funcionamiento del resto del alimentador y de esta manera lograr que sean afectados un número mínimo de suscriptores. Esto se puede
lograr mediante la utilización de seccionalizadores automáticos de líneas, y de
fusibles. Las fallas de carácter permanente requieren
reparaciones, mantenimiento o reemplazo del equipo por parte del departamento de
operaciones de la empresa de servicio, antes de que se pueda restablecer el voltaje en el punto de la falla.
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Se suministra protección contra sobrecorriente en el sistema para desconectar en forma
automática la parte afectada por las fallas ocurrida, de modo de que se paralice un
número mínimo de usuarios. El despeje de este tipo de fallas se suele realizar a través de la operación de fusibles de líneas y en algunos
casos mediante la operación de reconectadores. En caso de que ninguno de
estos equipos esté abarcando la zona fallada, habría la necesidad de suspender el suministro eléctrico a todo el alimentador hasta que se
determine la ubicación de la falla. Combinación de Protección contra Fallas Permanentes y Temporales
Si todas las fallas fueran de naturaleza permanente, los fusibles de línea serían la
mejor solución para la protección primaria de las líneas, mientras que si todas las fallas fueran transitorias, lo serían los dispositivos de
reconexión automática. En la práctica real se presenta las dos clases de fallas en el sistema,
por lo que el problema se convierte en seleccionar el tipo de dispositivo o combinación de ellos que den lugar a los mejores resultados
posibles; para ellos es necesario considerar una gran cantidad de factores, tales como la
importancia del servicio, el número total de fallas por año, la relación entre las fallas temporales y permanentes, el costo de la
interrupciones, entre otros.
En el estudio de los sistemas de protección más
usuales surge una diferencia fundamental entre dos grupos definidos y diferenciados entre si. Dichos grupos se designan como:
Protecciones no limitadas
Protecciones limitadas o de zona
Las protecciones no limitadas son aquellas
cuyo radio de acción se extiende a lo largo del
sistema protegido sin límites perfectamente definidos prolongando su alcance hasta zonas adyacentes con protección propia actuando en
ese caso como protección de reserva. En realidad el radio de acción queda de alguna
manera definido, con la particularidad que el alcance puede modificarse a voluntad variando el ajuste respectivo.
Las protecciones limitadas o de zona son
aquellas cuyo radio de acción se encuentra
perfectamente definido en forma física por el circuito mismo. El ajuste de las protecciones de
zona es independiente del ajuste de las protecciones de tramos adyacentes, teniendo en cuenta únicamente necesidades impuestas por
el propio equipo a proteger.
Dentro de ambos grupos se encuentran la generalidad de los equipos utilizados para
protección de sistemas de BT y MT utilizados en nuestro país y en la generalidad de las redes y equipos.
Protecciones no limitadas.
Dentro de este grupo se encuentran las siguientes protecciones:
a) Protección de sobre corriente o sobre intensidad
Es de aplicación en instalaciones de BT y MT contra cortocircuitos fundamentalmente, siendo utilizada para la protección de generadores,
transformadores, líneas, cables, motores, etc.
Es importante diferenciar cortocircuito de sobrecarga, dado que si bien ambos casos se
manifiestan por una elevación de la corriente que circula por el equipo, los efectos que producen sobre los mismos son distintos debiendo actuar
las protecciones en forma distinta según se trate de un caso u otro.
Los cortocircuitos se caracterizan por valores de
corrientes múltiples de la In, grandes caídas de tensión y desfasaje importante entre la tensión y la corriente. Este tipo de falla debe ser eliminada
en el menor tiempo posible debido a los perjuicios del tipo térmico fundamentalmente,
que producen sobre los equipos.
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En cambio las sobrecargas se caracterizan por valores de corrientes fracciones de veces
superior a la nominal de los equipos por los que circula, mientras que la tensión y diferencia de
fase entre la tensión y corriente no sufren variaciones de importancia. La capacidad de los equipos para admitir sobrecargas depende del
tipo de equipo de que se trata y del estado de carga anterior al de la sobrecarga, ya que el
efecto de esta última se limita a producir un calentamiento del equipo diseñado para disipar las pérdidas que se producen con corrientes
inferiores o iguales a la nominal. La protección contra sobrecargas es fundamentalmente una
protección contra sobre temperatura, debiendo ser la temperatura del equipo y no la corriente que por él circula la magnitud de medida de la
protección.
En presencia de una sobrecarga habitualmente no es necesario sacar el equipo de servicio ya
que hay tiempo suficiente antes que se afecte el mismo, posibilitando al personal de operación tomar medidas a efectos de normalizar las
cargas.
La forma más elemental de protección contra sobre corriente es el fusible en sus diversos
tipos; utilizándose donde los relés de protección y los interruptores no son justificables económicamente. Cuando se requiere mayor
exactitud para la discriminación de la falla se utilizan relés de sobre corriente que pueden ser primarios o secundarios.
Los relés primarios son aquellos que se
encuentran instalados en el circuito primario y
operan con la corriente real del sistema, no requiriendo por ello TI, ni fuentes auxiliares para comando de interruptor. El principal
inconveniente de estos relés es la imposibilidad de mantenimiento sin interrupción del servicio.
Un esquema básico se muestra en la Figura.
No poseen precisión a causa de la robustez que tienen para soportar los esfuerzos electrodinámicos de las corrientes de
cortocircuito.
Figura
Se utilizan para redes de BT y MT en Centros de Distribución que alimentan líneas radiales.
Pueden ser instantáneos o temporizados.
Los relés secundarios son aquellos accionados por las corrientes secundarias de los TI por cuyos primarios circulan las corrientes reales de
carga y falla del sistema. Este tipo de relés se utilizan en sistemas de transmisión y distribución,
prestando mayor sensibilidad, precisión y menor consumo que los anteriores.
Dentro de los relés secundarios existen tres tipos fundamentales según su principio de
funcionamiento:
Relés de atracción electromagnética:
son instantáneos y funcionan en virtud de
un elemento móvil de material ferromagnético que es atraído por un
solenoide. Son aptos para CC o CA. Si bien se consideran instantáneos, responden a una característica de tiempo
inverso.
Si es necesario pueden temporizarse mediante dispositivos adicionales de retardo.
Relés de inducción: se basan en el
principio Ferraris y funcionan debido a la interacción de dos flujos magnéticos de
CA. Se utilizan normalmente para relés de tiempo inverso.
Relés de bobina móvil: tienen gran
similitud con los instrumentos de bobina móvil e imán permanente, siendo aptos
para CC. Su uso se logra mediante puentes rectificadores, son polarizados.
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Las protecciones de sobre corriente se pueden clasificar en relés de tiempo independiente, es
los cuales el tiempo de operación es fijo e independiente de la corriente de cortocircuito y
en relés de tiempo inverso, aquellos en los que el tiempo de operación disminuye con el aumento de la corriente de falla.
b) Protección de sobre Tensión
Existen dos tipos principales de dispositivos de protección que se uti lizan para eliminar o limitar las sobretensiones: se denominan dispositivos
de protección principales y dispositivos de protección secundarios.
Dispositivos de protección principales (protección de las instalaciones contra
rayos)
La finalidad de los dispositivos de protección principales es proteger las instalaciones contra las caídas directas de rayos. Atrapan la
corriente del rayo y la dirigen a la tierra. El principio se basa en un área de protección determinado por una estructura que es más alta
que el resto. Este mismo principio se aplica a cualquier efecto de pico producido por un
poste, un edificio o una estructura metálica muy alta. Existen tres tipos de protección principal:
Pararrayos, que constituyen los dispositivos de
protección contra rayos más antiguos y más conocidos.
Cables de guarda.
La jaula mallada o jaula Faraday.
El pararrayos
El pararrayos es una vara cónica que se coloca
en la parte superior del edificio. Está conectado a tierra mediante uno o varios conductores (a menudo, pletinas de cobre)
El diseño y la instalación de un pararrayos corre a cargo del especialista.
Deben tenerse en cuenta el recorrido de las
tiras de cobre, las abrazaderas de prueba, la puesta a tierra de pie de gallo para evitar que las corrientes del rayo de alta frecuencia se
dispersen por la tierra, y las distancias con respecto al sistema de cableado (gas, agua,
etc). Además, el flujo de la corriente de los rayos a la
tierra inducirá sobretensiones, por radiación electromagnética, en los circuitos eléctricos y
en los edificios que se van a proteger. Pueden alcanzar varias decenas de kilovoltios. Por lo tanto, es necesario dividir simétricamente las
corrientes del conductor inferior en dos, cuatro o más, para reducir al mínimo los efectos
electromagnéticos. Cables de guarda
Estos cables se extienden sobre la estructura
que va a protegerse (véase la Figura). Se utilizan para estructuras especiales: plataformas de lanzamiento de cohetes,
aplicaciones militares y cables de protección contra rayos para líneas eléctricas aéreas de
alta tensión (véase la Figura).
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La jaula mallada (jaula Faraday)
Este principio se utiliza para edificios sensibles que alberguen ordenadores o equipos de producción con circuitos integrados. Consiste
en la multiplicación simétrica del número de pletinas descendentes fuera del edificio. Se
añaden enlaces horizontales si el edificio es alto, por ejemplo, cada dos pisos (véase la Figura). Los dos conductores se conectan a
tierra mediante conexiones a tierra en cruce. El resultado es una serie de mallas de 15 × 15 m
o 10 × 10 m. Esto produce una conexión equipotencial mejor del edificio y divide las corrientes de los rayos, de modo que se
reducen en gran medida los campos y la inducción electromagnética.
Dispositivos de protección secundarios
(protección de las instalaciones internas contra rayos)
Estos dispositivos tratan los efectos de las sobretensiones de frecuencia atmosférica, de
funcionamiento o industrial. Se pueden clasificar según el modo en el que están
conectados en una instalación: protección en serie o paralela. Dispositivo de protección en serie
Se conecta en serie a los cables de alimentación eléctrica del sistema que se va a proteger (véase la Figura).
Transformadores
Reducen las sobretensiones inducidas y hacen que desaparezcan ciertos armónicos por
acoplamiento. Esta protección no es muy eficaz.
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Filtros
Se basan en componentes como resistencias, bobinas de inductancia y condensadores y se
aplican a sobretensiones producidas por perturbaciones industriales y de funcionamiento correspondientes a una banda de frecuencia
claramente definida.
Este dispositivo de protección no es adecuado para las perturbaciones de origen atmosférico.
Dispositivos de absorción de ondas
Se trata esencialmente de dispositivos compuestos por bobinas de inductancia de aire
que limitan las sobretensiones y limitadores de sobretensiones que absorben las corrientes.
Están especialmente indicados para proteger equipos informáticos y electrónicos sensibles. Sólo actúan contra sobretensiones. Sin
embargo, son extremadamente voluminosos y costosos. No pueden sustituir por completo a
los inversores que protegen las cargas contra cortes de alimentación. Acondicionadores de red y fuentes de
alimentación ininterrumpida estáticas (SAI) Estos dispositivos se uti lizan
principalmente para proteger equipos extremadamente sensibles, como equipos informáticos, que necesitan una fuente de
alimentación eléctrica de alta calidad. Se pueden uti lizar para regular la tensión y la
frecuencia, detener las interferencias y garantizar un suministro eléctrico continuo, incluso en el caso de que se produzca un corte
del suministro eléctrico (para el SAI). Por otro lado, no están protegidos contra grandes
sobretensiones de tipo atmosférico, para las cuales siguen siendo necesarios los limitadores de sobretensión.
Dispositivo de protección paralela
El principio
El dispositivo de protección paralela se puede adaptar a la instalación que se va a proteger
(véase la Figura). Es el tipo de dispositivo de protección contra la sobretensión que se uti liza más a menudo.
Características principales
La tensión nominal del dispositivo de protección
debe corresponder a la tensión de la red en los terminales de la instalación: 230/400 V.
Cuando no se produce ninguna sobretensión, ninguna corriente de fuga debe introducirse en
el dispositivo de protección, que está en modo de espera.
Cuando se produce una sobretensión por encima del umbral de tensión admisible de la
instalación que se va a proteger, el dispositivo de protección conduce de forma violenta la
corriente de sobretensión a la tierra limitando la tensión al nivel de protección Up deseado. Los productos utilizados
Limitadores de tensión.
Se utilizan en centros de transformación de
MT/BT en la toma del transformador. Como se utilizan únicamente en distribuciones con
neutro aislado, pueden dirigir sobretensiones a la tierra, especialmente sobretensiones de frecuencia industrial (véase la Figura).
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Limitadores de sobretensiones de BT.
Este término designa dispositivos muy diferentes en lo que respecta a tecnología y a
utilización. Los limitadores de sobretensiones de BT se presentan en forma de módulos que se instalan dentro del cuadro de BT. También
existen tipos de conexión y los que protegen puntos de corriente. Garantizan la protección
secundaria de elementos cercanos, pero disponen de poca capacidad de flujo.
Algunos incluso se integran en cargas, aunque no pueden proteger contra sobretensiones
fuertes. Limitadores de sobretensiones.
Protegen las redes telefónicas o de
comunicación contra sobretensiones del exterior (rayos), así como del interior (equipo contaminante, de conmutación, etc.). Los
limitadores de sobretensiones de BT también se instalan en cajas de distribución o se
integran en las cargas.
Protecciones limitadas o de zona
La aptitud de una protección de zona puede medirse mediante dos magnitudes a saber:
Corriente mínima de operación (CMO): es el
porcentaje de la corriente nominal del equipo protegido que arranca el relé. Por ejemplo 10%
In.
Relación de estabilidad (RE): es el cociente
entre la corriente máxima que puede entrar y salir de la zona protegida sin provocar
desenganches y la corriente nominal del equipo protegido.
Existen dos formas fundamentales de protecciones de zona, siendo ellos los sistemas
de corriente circulante y los de tensión balanceada. Dichos sistemas se observan en la
Figura a y b respectivamente.
En los sistemas de corriente circulante los TI se conectan en serie por lo que aparecida una falla
interior a la zona protegida, la corriente I1 > I2 y por la rama central aparecerá una corriente
diferencial
Figura
iΔ = i1 – i2 (Figura a) que en caso de resultar superior al valor ajustado en el relé produce la
actuación del mismo abriendo los interruptores a ambos lados del equipo. Este sistema se utiliza para protección de generadores,
transformadores y reactores.
Su aplicación como protección de cables no se utiliza, dado que es un gran inconveniente el
valor de corriente que circula por los hilos pilotos el cual es proporcional a la corriente primaria y
puede alcanzar en casos de falla exterior a la zona protegida valores elevados. Ello provoca grandes caídas de tensión y consecuentemente
son necesarios TI de elevada prestación.
En los sistemas de tensión balanceada, los TI
se conectan en oposición tal que en servicio
normal las tensiones en los secundarios de los TI se oponen balanceándose de tal modo que la corriente por los hilos pilotos es nula (Figura b).
Si la falla es interna aparece un desequilibrio de tensiones dando origen a una corriente de
operación que ordenará por intermedio del relé la apertura de los interruptores (Figura).
Figura
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Un sistema como este, presenta el inconveniente que para cables muy largos durante fallas exteriores a la zona protegida la tensión de balanceo resulta
aplicada entre los hilos pilotos, dando origen a corrientes capacitivas que pueden hacer operar uno o ambos relés.
Protección de impedancia
En redes complejas y con corrientes de cortocircuitos variables, una mejor discriminación y coordinación con menores tiempos de operación puede lograrse mediante relés cuyo tiempo de desconexión depende de la distancia entre relé y
punto de falla. Es decir, una vez ajustado convenientemente el relé, el tiempo de operación depende exclusivamente de la distancia al punto de falla e
independientemente del valor de la corriente de cortocircuito. Esta protección se denomina protección de distancia o de impedancia.
En la Figura se muestra la característica tiempo – distancia de un relé de este
tipo.
Figura
SISTEMAS DE PROTECCIÓN USADOS EN MT Y BT
ELIGHEOR COHIL
BRYAN HINOJOSA