Tema 3 Rele de Sobrecorriente

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17/04/2015

RELÉ DESOBRECORRIENTE

Ing. Juvenal Manzaneda

Cochabamba - Bolivia

Tema 3



17/04/2015

GENERALIDADES

CARACTERISTICAS FUNCIONALES

INDICE

ESQUEMAS DE PROTECCION

RELÉS DE SOBRECORRIENTE

Tema 3



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1.- GENERALIDADESTema 3

Los relés, son dispositivos compactos que son conectados a través de los sistemas de

potencia para detectar condiciones intolerables o no deseadas dentro de un área asignada.

La operación de este tipo de protección, se basa en el aumento de corriente que provocanlos cortocircuitos en los equipos (sistemas) protegidos.

Funciones principales:

Rápida remoción del servicio, ante un cortocircuito en algún elemento del sistema

Dar la orden para desconectar un circuito, cuando se presenta una operación anormal

El «pick-up», fija la sensibilidad de la protección, lo

que permite detectar cualquier tipo de cortocircuito en

su zona protegida, incluida la zona en que debe dar

respaldo.El «lever», permite seleccionar a curva de tiempo de

operación del relé, de modo que sea selectivo con la

operación de relés ubicados en zonas adyacentes.



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2.- CARACTERISTICAS

FUNCIONALES

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SENSIBILIDAD

La La protección debe saber distinguir inequívocamente las situaciones de falla de aquellasque no lo son. Para esta característica, es necesario:

Establecer, para cada tipo de protección, las magnitudes mínimas necesarias que permitadiferenciar las situaciones de falla de las situaciones normales de operación.

Establecer para cada una de las magnitudes necesarias las condiciones limite que separanlas situaciones de falla de las situaciones normales de operación.

Tal es el caso de la energización de untransformador de potencia, que al ser conectadaorigina una fuerte intensidad de vacío (llamadainrush current), que puede llevar a interpretacioneserróneas.

Un análisis amplio, permite establecer si el súbitoincremento de la corriente se debe a lasenergización del transformador o fue originado poruna situación de falla.

10 a 50 veces la corriente nominal



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2.- CARACTERISTICAS

FUNCIONALES

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SELECTIVIDAD

La capacidad de discernir si una falla se ha producido dentro o fuera de su área de vigilanciay, por tanto, dar orden de abrir los interruptores automáticos, en caso necesario paradespejar la falla.

Una protección debe actuar

cuando tiene actuar y no debeactuar cuando no tiene que actuar(debe aislar el tramo en falla, siesta se halla dentro su zonaprotegida).

Si la falla esta fuera de su área de vigilancia, la protección debe dejar que sean otrasprotecciones las que actúen para despajarla (su actuación afectaría a más circuitos,debilitando innecesariamente el sistema).



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2.- CARACTERISTICAS

FUNCIONALES

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RAPIDEZ Tras una falla, esta debe ser despejada rápidamente. Cuando menos tiempo se tarde en aislar la falla, menos se extenderán los efectos y

menores los daños y alteraciones. Todo ello redunda en una disminución de los costos, menores tiempos de

restablecimiento, menor tiempo de indisponibilidad de las instalaciones Posibilita un mayor y mejor aprovechamiento de los recursos ofrecidos por el sistema

La rapidez de una protección, dependedirectamente de la tecnología empleada ensu condición y de la velocidad del sistema demando y control de los interruptoresautomáticos asociados a la misma

Un despeje óptimo de la falla, no exige que las protecciones que la detectan actúen enforma inmediata; en función a esta característica, las protecciones de clasifican en: Protecciones instantáneas (dos o tres ciclos) Protecciones en tiempo diferido o con retraso en tiempo



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2.- CARACTERISTICAS

FUNCIONALES

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FIABILIDAD

Fiabilidad significa que no deben producirse actuaciones innecesarias, ni omitirseactuaciones necesarias

Una protección es fiable, cuando responde siempre correctamente La protección debe responder con seguridad y efectividad ante cualquier situación que se

produzca.

La respuesta de protección puede ser tanto de actuación, como de no actuación.

Cuando una protección actúa, es necesario que todas las etapas que componen el procesode despeje de falla, sean cumplidas con efectividad.

Es necesario e importante un programa de mantenimiento preventivo.

Aunque una protección, a lo largo de su vida útil, va a operar en escasas ocasiones, se debetener la seguridad de que operara correctamente (aunque haya transcurrido un largotiempo, desde su última operación)



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2.- CARACTERISTICAS

FUNCIONALES

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ECONOMIA Y SIMPLICIDAD

• La instalación de una protección, debe justificarse tanto por motivos técnicos, comoeconómicos.

• La protección de una línea eléctrica es importante, pero mucho más lo es impedir que losefectos de la falla alcancen a instalaciones alimentadas por dicha línea o que estasqueden fuera de servicio.

El sistema de protección es una pieza clave del SEP, ya que permite:

Impedir que la falla se extienda a través del sistema y alcance a otros equipos Reducir los costos de reparación del daño Reducir los tiempos permanentes fuera de servicio de equipos e instalaciones

• La valoración económica no debe restringirse solo al elemento directamente protegido,sino que debe tomar en cuenta las consecuencias del fallo o funcionamiento anómalo.

• Es necesario señalar que una protección evite complejidades innecesarias, que puedenser fuente de riesgo afectando en su funcionamiento.



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3.- ESQUEMAS DE PROTECCIONTema 3

3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Generalmente, se piensa en un sistema eléctrico de potencia, en función a sus partes másimportantes: estaciones generadoras, transformadores de potencia, líneas de transmisión,etc. Mientras que estos son algunos de los elementos básicos, hay muchos otroscomponentes necesarios y fascinantes, como el sistema de protección por relevadores.



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3.2 CLASIFICACION

Relé primario con actuación directa Relé primario con actuación indirecta



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3.2 CLASIFICACION

Relé secundario con actuación directa Relé secundario con actuación indirecta



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3.3 ESQUEMAS FUNCIONALES (AC – DC)



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4.- RELE DE SOBRECORRIENTETema 3

Es la protección que responde cuando la corriente que circula por él, supera un valor pre-

establecido. La operación de este tipo de protección, se basa en el aumento de corriente, provocadas

por cortocircuitos en la línea eléctrica , protegida.

Las magnitudes sobre las que se debe actuar para su aplicación, son la corriente mínimade operación “pick-up” y la curva de operación “lever”.

El “pick-up”, fija la sensibilidad de la protección, permitiendo detectar cualquier tipo decortocircuito en su zona protegida y la zona en que debe dar respaldo.

El “lever”, permite seleccionar a curva de tiempo de operación del relé, de modo que seaselectivo con la operación de relés ubicados en zonas adyacentes.

Los relés de sobrecorriente, se fabrican en

versiones instantáneas (electromagnéticos), relésde tiempo inverso (inducción) y relés de tiempodefinido (relé instantáneo más modulo detiempo).



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4.1 CLASIFICACION

a) Aspectos constructivos

Relés electromecánicos Relés electrónicos o estáticos Relés digitales

b) Actuación del circuito de protección

Relés de actuación directa Relés de actuación indirecta

c) Instalación del relé

Relés primario Relés secundario

d) Método de ajuste

Tracción del resorte Cambio de TAP’s de la bobina magnetizante Variación del entrehierro Variación de elementos del circuito Control por software

c) Tiempo de actuación

Operación instantánea Operación retardada

Instantáneo t = 0

Tiempo definido t = K

Tiempoinverso

Normalmenteinverso

t = K/I

Muy inverso t = K/I^2Extremadamenteinverso

t = K/I^3



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RELE INSTANTANEO

Operan sin retardo cuando la corriente excede de un valor preestablecido Sin embargo, el tiempo de operación, pueden variar significativamente (16 a 100 mseg) Se usa como elemento complementario, combinando su característica de operación con

otros dispositivos de protección, principalmente con relés de sobrecorriente de tiempoinverso.

En este tipo de relés, sólo es necesario ajustar su sensibilidad, de modo que ésta sea un20% a un 30% superior a la máxima magnitud de corriente de falla que puede acontecer

en el extremo más alejado, con respecto a su ubicación

Pueden ser usados solamente cuando la corriente decortocircuito, es sustancialmente mayor que cualquier otracondición posible

Caso Corriente momentánea asociada a la energización de

ciertos componentes del sistema Líneas largas Transformadores cuyas impedancias son relativamente

grandes comparadas con la impedancia del circuito

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RELE DE TIEMPO DEFINIDO

Permite ajustar la operación para diferentes niveles de corriente con diferentes tiemposde operación.

Los ajustes se hacen en forma tal que el interruptor que alimenta la carga se dispare enel tiempo más corto y después sucesivamente los demás interruptores hacia la fuente, entiempos cada vez mayores.

Como el tiempo de operación es independiente de lamagnitud de la corriente de falla, no se presentan losinconvenientes del relé de corriente definida, laprotección es más selectiva

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RELE DE TIEMPO INVERSO

La característica de operación es tal que, el tiempo varía inversamente con la magnitudde la corriente que detecta.

Su principal ventaja, sobre los relés de tiempo definido, es que ante muy altas corrientespueden obtenerse tiempos de disparo muy cortos, sin tener que sacrificar la selectividad

Los tipos de relés de sobrecorriente más comúnmente usados, son: normalmente inverso,muy inverso y extremadamente inverso.

En los relés electromecánicos, en la forma de las curvastienen mucha influencia elementos como: el resorte dereposición, la inercia de las partes móviles, imanespermanentes de freno, etc.

Para los relés de estado sólido, es posible conseguir unavariedad más amplia de curvas, las que además puedenser expresadas matemáticamente.

Los relés instantáneos y los de tipo inverso, son inherentemente no selectivos, ya quedetectan condiciones de sobrecorriente en sus zonas de protección y en zonas adyacentes

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4.2 RELES ELECTROMECANICOS

Actuaban operando sus contactos sobre la bobina delinterruptor de potencia, cuando se presentaba una falla.

El principio de funcionamiento, está basado en los fenómenosde la atracción e inducción electromagnética.

Consisten de un disco deinducción, un núcleoelectromagnético, un muelle enforma de espiral, una bobinasecundaria o de sombra y unaunidad de sello indicadora.

Tap - Dispositivo que permite variar la sensibilidad del relé, permitiendoque opere a diferentes valores de corriente.

Pick up - Corriente mínima que produce el cambio de los contactos del reléde abierto a cerrado

Corriente de partida - Valor de corriente justa y necesaria que vence lainercia de las partes móviles

Lever - Escala de tiempo que indica la posición de reposo del disco ydetermina el recorrido del mismo hasta el cierre de los contactos (permitevariar el tiempo de operación, para corriente mínima de operación)

Overshoot – Sobrecarrera - Tiempo que puede seguir girando el disco, enlos relés de inducción, debido a su inercia, luego de desenergizada la fallapor otro sistema de protección, antes de cerrar sus contactos

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Atracción electromagnética

Se construyen con componentes eléctricos, magnéticos y mecánicos, tienen una bobina deoperación y diversos contactos (son muy robustos y confiables).

Pueden ser alimentados por corriente continua o alterna y operan por el movimiento de unapieza de metal, cuando es atraída por el campo magnético producido por la bobina.

Relé tipo Pistón (solenoide)Relé tipo Armadura (palanca)

22

1atraccion KIKF

22

1 KIK

1

2

K

KI

Los relés de atracción no tienen retardo de tiempo y, por tanto, son usados cuando serequiere operación instantánea.

K 1: Depende del número de vueltas del solenoide enoperación, el entrehierro, la sección efectiva y reluctancia

del circuito magnético, entre otros factores

K 2: Es la fuerza de restricción o de oposición,usualmente producida por un resorte

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Inducción electromagnética

Trabaja solo con corriente alterna y consiste de un sistema electromagnético que opera enun conductor movible, generalmente en forma de disco.

Funciona a través de la interacción del flujo magnético con las corrientes parásitas deFoucault que se inducen en el rotor (disco), debido a tales flujos.

Φm1(t) Valor máximo de la onda senoidal del flujo Φ1(t), debido a laproporcionalidad (puede ser cambiado por el valor eficaz)

Φm2(t) Valor máximo de la onda senoidal del flujo Φ2(t) o valor eficaz

θ Desfase entre los dos flujos

)tcos(

dt

d)t(i 1m

11

)tcos(

dt

d)t(i 2m

22

)t(i)t(F 211 )t(i)t(F 122

12R FFF

)t(i)t()t(i)t(F 2112R

)cos(*)()cos(*)( 2112 t t sent t sen F mmmm R

sen F mm R

21

senT mm

21

1

2

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4.3 RELES ELECTRONICOS ESTATIVOS (Analógicos)

Surgieron como alternativa de los relevadores electromecánicos Están diseñados con circuitos electrónicos analógicos discretos, estos circuitos emulan las

características de los relevadores electromecánicos. Primeros modelos – Uso del transistor (problemas con transitorios de tensión y

temperatura, en régimen permanente) Posteriormente, con el arribo de la tecnología de circuitos integrados, los relevadores de

estado sólido, hicieron uso de los amplificadores operacionales (AMP OPs).

Generar señales (actua como fuente decorriente o de tensión

Amplificar

Sumar, restar, invertir señales Comparar señales Integrar o derivar señales Eliminar ruido Convertir señal alterna en directa Convertir tensión en corriente

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4.4 RELES ELECTRONICOS DIGITALES

Son relés de protección con microprocesadores (digitales o relevadores numéricos) Ampliamente aceptados en el ámbito de la protección de sistemas eléctricos de potencia Son dispositivos con múltiples capacidades (protección, medición, control y supervisión) Convierte señales analógicas de tensión y corriente, en cantidades binarias por medio de un

convertidor analógico/digital Las cantidades son procesadas numéricamente por los algoritmos o programas de cómputo

del relevador. Los algoritmos se encargan de la detección de fallas y control de las señales de disparo.

Los relés digitales han revolucionado el enfoquetradicional de las protecciones eléctricas.

Al estar implantada su lógica de protección ensoftware, son pocos los límites en la innovación denuevas técnicas de protección.

Al principio fue inviable obtener tiempos adecuados deactuación

Con el arribo de los micros de 16 bits, se comenzó aconstruir computadores más rápidos y económicos

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Las señales analógicas de V e I, son filtradas en primera instancia con filtros que eliminanharmónicas de orden superior en las señales entrantes Las señales filtradas son muestreadas por medio de convertidores analógicos/digitales Los valores numéricos digitales, son almacenarse en la memoria para su procesamiento

Es necesario un segundo filtrado (ahora numérico) que elimina casi por completo lasharmónicas, quedando solamente la componente fundamental

Las ventajas más notables: Confiabilidad Auto-diagnóstico Registro de eventos y disturbios Desarrollo de protecciones adaptivas Económicos

Una vez obtenidas las fundamentalesde V e I (o sus componentes real eimaginaria), se puede calcular laimpedancia Z, vista por el relé desde sulugar geográfico de instalación

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4.4 AJUSTE DE LOS RELES

TAP – Valor de ajuste necesario para que los contactos operen

Ajuste tipo PORCENTUAL - responde a un valor enporcentaje de la corriente nominal secundaria delrelé

= ∗

= ∗ ∗

Si se tiene un relé cuya corriente nominal secundariaes de 5A y el ajuste del TAP es 0.5 I/In, quiere decirque es un ajuste porcentual

Por tanto, el relé opera cuando la corriente quecircula por el es de 0.5*5 (es decir 2.5 A),

secundarios.

Si los CTs en los que el relé está conectado son derelación 600/5 (RCT=120), entonces el ajuste delrelé es 0.5*5*120 (es decir 300 A, primarias).

Ajuste DIRECTO - representa el valor de losamperios secundarios que circulan por él

=

= ∗

Si se tiene un relé cuya corriente nominal secundariaes de 5A y el ajuste del TAP es de 3A, quiere decirque es un ajuste DIRECTO

Por tanto, el relé opera cuando la corriente quecircula es de 3A, secundarios.

Si los CTs a los cuales el relé está conectado son derelación 200/5 (RCT=40), entonces el ajuste del relées 3*40 (120 A, primarios).

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INSTANTANEA

Además del ajuste del TAP (que por lo general estemporizado), existe el ajuste instantáneo, es decirque los contactos de disparo del relé se cierran tanpronto la corriente supera este valor ajustado.

Las unidades instantáneas tienen un tiempo deoperación de 5 a 50 mseg, dependiendo de la

tecnología del relé.El ajuste instantáneo al igual que el TAP, puede serporcentual i directo, de la corriente nominal del reléo del TAP.

DIAL o MULTIPLICADOR DE TIEMPO

Es el sistema que determina el tiempo de operaciónde los contactos del relé, después de haber iniciadosu operación.

El dial representa cada uno de los posibles ajustesde tiempo o curva.

Inicialmente, el dial está asociado al ajustetemporizado (es decir al TAP)

Con el avance de la tecnología, ha sido posibleasignar un ajuste de dial para la instantánea en lasaplicaciones en que se requiere “temporizar” lainstantánea, sobre todo en los relés numéricos yalgunos digitales.

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EJEMPLO

Los relés electromecánicos, eran los más utilizados en el pasado reciente, sus curvasrecibieron a lo largo del tiempo, normalizaciones de acuerdo a sus pendientes (que fueronintroducidas en diferentes países), de modo que es posible adecuar a cada tipo de curva larespuesta del relé, de cualquier fabricante.

Curva IEC 255-4 y BS 142 (International Electrotechnical Commission) Curva IEEE/ANSI C37.90 (Institute Of Electrical and Electronics Engineers)

Curva IAC (de General Electric - GE) Curva I2t

Una de las ventajas de los relés digitales, en relación a las curvas de tiempo, es que losmismos posibilitan:

Ajustar las pendientes de sus curvas de tiempo Tienen curvas propias de actuación Tienen curvas personalizadas de actuación, de acuerdo con las necesidades Emular las curvas normalizadas de actuación de los relés electromecánicos (pueden imitar

la operación del relé electromecánico)

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APLICACIÓN

En un relé digital, no es necesario tener las curvas de tiempo, en papel; ya que actúa asociado

a una función que reproduce la curva normalizada. La función, es dada por la siguienterelación, que representa las curvas de tiempos por los múltiplos de los relés electromecánicos,establecida por la IEC, I2t y por le C37.112-1996 IEEE.

Donde:

Tcurva Múltiplo de tiempo (DIAL), en las curvas de tiempo del relé electromecánico

Tactuacion del relé Tiempo de actuación del relé, en segundo (disparo)

M Múltiplo del relé

I Corriente real que entra al relé

Iajuste Corriente de ajuste del relé

K, α, L, β Coeficientes de la relación matemática, según el siguiente cuatro

L

M

KTt curvareledelactuacion

ajusteI

IM

NORMA TIPO K α L β

IEC

Curva inversa (Clase A) 0.14 0.02 0 1Moderadamente inversa 0.05 0.04 0 1Muy inversa (Clase B) 13.5 1 0 1Extremadamente inversa (Clase C) 80 2 0 1

IEEEModeradamente inversa 0.515 0.02 1.14 1Muy inversa 196.1 2 4.91 1Extremadamente inversa 282 2 1.217 1

I2t Curva I2t 100 2 0 0todas Tiempo definido 0 - cualquier 1

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Para las curvas tiempo-múltiplo, definido por IAC, usadas generalmente por GE, se tiene:

Los tiempos obtenidos en las curvasde tiempo de los relés de protección,son:

Electromecánico 7,5%Electrónico 5,0%

Digital 5,0%

CURVA IAC A B C D E

Inversa corta 0.0442 0.0482 0.34 0.0223 0.0697

Inversa larga 0.3754 17.8307 0.32 -23.7187 23.8978

Inversa 0.2078 0.863 0.8 -0.418 0.1947

Muy inversa

0.09 0.7955 0.1 -1.2885 7.9586 Extremadamente inversa 0.004 0.6379 0.62 1.7872 0.2461

32curvareledelactuacionCM

E

CM

D

CM

B ATt

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Ajuste del tiempo (DIAL) del relé

La curva de tiempo, debe ser elegida en base a las características y condiciones decoordinación de los relés presentes en la protección, donde se hallan interrelacionadas.

Una coordinación, depende de una cadena (escala) de tiempos diferentes, para una mismacorriente de cortocircuito, de modo que se garantice una secuencia de selectividad en laapertura del elemento de protección, buscando aislar el elemento fallado y afectando a lamenor cantidad de Consumidores.

En los relés electromecánicos, las diferentes curvas de tiempo, representan diferentesposiciones de distanciamiento de los contactos móviles, con relación a los contactos fijos.

Los fabricantes demarcan las curvas de atenuación de los relés con porcentaje o en base

10, pueden ser:

Curva: 5% – 10% – 20% – 30% – 40% – 50% – 60% – 70% – 80% – 90% – 100%Curva: 0.5 – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 9 – 10

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Por ejemplo, para un cortocircuito cuyomúltiplo es 3.0, en la hoja de tiempos

del relé, se tiene los siguientes tiemposde actuación:

M=3.0 curva de tiempo 10 t= 5.4 sM=3.0 curva de tiempo 5 t= 2.7 sM=3.0 curva de tiempo 1 t= 0.54 s

Observación El múltiplo M=1, corresponde a la

corriente de su TAP. El relé esta en sulimite de operación

Entre 1 a 1,5 el relé electromecánicoopera con un pequeño torque y nogarantiza eficiencia de operación de

protección (no es confiable)

A partir de 1,5 el rele actua garantizandoque el tiempo de actuacion ocurre sobrela curva elegida

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Ajuste de la corriente (TAP) del relé

Los relés están disponibles en varios rangos para satisfacer ajustes de arranque, en unagama de 0.1 a 16 A.

La sensibilidad es determinada por medio de plug discreto y un dial de tiempo proporcionaun ajuste de tiempo de retardo continuo y en todo el rango.

Los códigos de los modelos IAC terminan en "8__ A“ (como IAC51B801A), proporcionanuna amplia gama de configuración.

La mayoría de los otros relés IAC tienen una relación de 04:01.

Los ajustes de TAP disponibles, se enumeran a continuación para el común de relés desobrecorriente:

Unidad 0.5 – 4.0 0.5 – 0.6 – 0.7 – 0.8 – 1 – 1.2 – 1.5 – 2 – 2.5 – 3 – 4 [A]Unidad 1.5 – 12 1.5 – 2 – 2.5 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 10 – 12 [A]Unidad 2 –16 2 – 2.5 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 10 – 12 – 16 [A]

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Dicha FMM se puede obtenerusando diferentes TAP’s, como sedetalla a continuación:

1 A x 100 espiras = 100 Ae1.25 A x 80 espiras = 100 Ae2 A x 50 espiras = 100 Ae2.5 A x 40 espiras = 100 Ae4 A x 25 espiras = 100 Ae5 A x 20 espiras = 100 Ae

Para este relé, supóngase que la mínima FMM necesaria para la operación del relé sea 100 Ae,por lo que es importante que la misma FMM sea producida dentro el núcleo, responsable delmismo par motor en el disco.

El secundario del CT, ve al relé conla misma carga en VA.

La equivalencia de potenciaaparente es dada por la relación

2 22

2 11 )TAP(Z)TAP(Z

2

1

222

1

2 22

1TAP

TAPZ

)TAP(

)TAP(ZZ

a = 1.5 para relé electromecánico a = 1.1 para relé digital

a

III*1.5)a1.4(

protegidoctodelfinalalminimoctocto

reledelajustecargadenominal

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GRACIAS

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