¿Qué es un relé 47?

Un relé 47 es un voltaje de secuencia de fases. relevo — un dispositivo de protección utilizado en sistemas eléctricos trifásicos para detectar condiciones incorrectas de rotación o secuencia de fases. En términos simples, monitorea el orden en el que las fases de voltaje (generalmente etiquetadas como A, B y C, o L1, L2 y L3) alcanzan sus valores máximos. Si la secuencia es incorrecta (por ejemplo, si las fases llegan en el orden A-C-B en lugar del A-B-C esperado), el relé se dispara o emite una alarma para evitar daños al equipo.

La designación "47" proviene del sistema de numeración de dispositivos estándar ANSI/IEEE, donde cada número corresponde a un tipo específico de función de relé de protección. El dispositivo número 47 se define formalmente como el relé de voltaje de secuencia de fases , y esta numeración es utilizada universalmente por ingenieros eléctricos, especialistas en protección y fabricantes de equipos en todo el mundo.

Este relé es especialmente crítico en instalaciones industriales donde los motores, compresores, bombas y sistemas HVAC trifásicos dependen de una rotación de fase correcta para funcionar de manera segura. Una secuencia de fases invertida puede hacer que un motor gire en la dirección equivocada, un resultado potencialmente catastrófico en aplicaciones como cintas transportadoras, ascensores, bombas centrífugas y ventiladores industriales.

El sistema de numeración de dispositivos ANSI y por qué es importante el número 47

El estándar ANSI/IEEE C37.2 define un conjunto de números de función de dispositivo para estandarizar la identificación de funciones de relé de protección utilizadas en sistemas de energía. Este sistema facilita a los ingenieros de todo el mundo la lectura de diagramas unifilares y esquemas de protección sin ambigüedades. Cada número representa una función de protección distinta:

• Dispositivo 27 — Relé de subtensión
• Dispositivo 46 — Relé de corriente de fase inversa o relé de corriente de equilibrio de fase
• Dispositivo 47 — Relé de tensión de secuencia de fases
• Dispositivo 51 — Relé de sobrecorriente de tiempo CA
• Dispositivo 59 — Relé de sobretensión
• Dispositivo 67 — Relé de sobrecorriente direccional de CA

Entre estos, el relé 47 desempeña un papel único porque aborda una condición de falla que es invisible para la mayoría de los otros tipos de relés: secuencia de fases incorrecta. Un relé de sobretensión no detectará una inversión de fase. Un relé de sobrecorriente tampoco lo hará. Sólo un relé de secuencia de fases dedicado (el relé 47) está diseñado específicamente para esta tarea.

Algunos relés de protección multifunción modernos incorporan la función 47 junto con otras (como 27, 59 y 46) en un solo dispositivo, pero la función en sí sigue definida por su número ANSI.

Cómo funciona un relé 47: la mecánica técnica

Comprender el principio de funcionamiento de un relé 47 requiere una comprensión básica de los sistemas de energía trifásicos. En un sistema trifásico estándar, los voltajes en las fases A, B y C están separados 120° cada uno y giran en una secuencia fija. Esta rotación, llamada secuencia positiva, es lo que permite a los motores trifásicos generar par en la dirección correcta.

Secuencia positiva versus secuencia negativa

Utilizando el análisis de componentes simétricos, cualquier sistema trifásico desequilibrado se puede dividir en tres componentes:

• Secuencia positiva (V1): Rotación normal y equilibrada (A-B-C)
• Secuencia negativa (V2): Rotación equilibrada e invertida (A-C-B)
• Secuencia cero (V0): Componentes en fase, asociados a fallas a tierra.

Un relé 47 monitorea la relación entre el voltaje de secuencia negativa y el voltaje de secuencia positiva. Cuando el componente de secuencia negativa supera un umbral establecido (generalmente causado por una inversión de fase, una fase abierta o un desequilibrio de fase severo), el relé detecta esta condición y emite un comando de disparo o alarma.

Métodos de detección utilizados en los 47 relés modernos

Los relés electromecánicos 47 más antiguos utilizaban mecanismos de disco giratorio o copa de inducción con transformadores de voltaje auxiliar para detectar la secuencia de fases. Los relés digitales o numéricos modernos calculan matemáticamente los componentes simétricos utilizando datos de voltaje muestreados de transformadores de potencial (PT) conectados al bus o alimentador que se está protegiendo.

Un relé digital 47 típico toma muestras de voltajes trifásicos a velocidades de 1.000 a 10.000 muestras por segundo y calcula V1 y V2 continuamente. Si la relación V2/V1 excede el umbral de activación (comúnmente establecido entre 10 % y 25 % según la aplicación), el relé inicia un disparo con un retardo de tiempo programable.

Unos 47 relés también incorporan un umbral mínimo de voltaje de secuencia positiva para evitar disparos falsos durante el inicio del sistema o cuando los tres voltajes son bajos, como durante una recuperación de un apagón.

¿Qué fallas detecta un relé 47?

El relé 47 está diseñado para responder a una clase específica de anomalías de voltaje en sistemas trifásicos. Estas son las principales condiciones de falla que detecta:

Inversión de fase

Esta es la razón más común por la que se instala un relé 47. La inversión de fase ocurre cuando dos fases de suministro se intercambian accidentalmente, generalmente durante el mantenimiento, la reconexión de terminaciones de cables o una instalación incorrecta. Por ejemplo, si un electricista cambia las conexiones de las fases B y C, la secuencia pasa a ser A-C-B en lugar de A-B-C. El componente de secuencia negativa salta inmediatamente a casi el 100 % de la magnitud de la secuencia positiva y el relé se dispara en milisegundos o segundos, según la configuración del retardo de tiempo.

Sin el relé 47, un motor de inducción trifásico conectado a una secuencia invertida comenzará a girar hacia atrás. En una aplicación de bomba, esto puede causar golpes de ariete, daños en el sello o inundaciones. En un sistema de ascensor, podría significar que la cabina se mueve en la dirección opuesta a la prevista, lo que supone un grave riesgo para la seguridad.

Desequilibrio de fase

Un relé 47 también responde a un desequilibrio de voltaje severo, una condición en la que los voltajes trifásicos no son iguales. Según los estándares NEMA, un desequilibrio de voltaje que exceda Un 5% puede reducir significativamente la eficiencia y la vida útil del motor. . Un desequilibrio de voltaje del 3,5% puede provocar un aumento del 25% en el calentamiento del motor. En niveles de desequilibrio superiores al 5-10%, el voltaje de secuencia negativa aumenta lo suficiente como para activar el relé 47, brindando protección antes de que ocurra daño térmico.

Monofásico (pérdida de una fase)

Cuando se pierde una de las tres fases de suministro (debido a un fusible quemado, un disyuntor disparado en una fase o un conductor roto), el sistema opera solo en dos fases. Esta condición genera un componente de secuencia negativa muy grande y hace que los motores experimenten un estrés térmico extremo. Un relé 47 detecta este grave desequilibrio y dispara el equipo antes de que se queme. Algunos estudios han demostrado que La monofásica es responsable de más del 30% de las fallas de los motores trifásicos. en entornos industriales donde la protección es inadecuada.

Secuencia de fases incorrecta en la energización

En aplicaciones de protección de generador y transferencia de bus, un relé 47 evita energizar un bus de carga o cerrar un disyuntor cuando el suministro entrante tiene una secuencia de fases incorrecta en relación con el sistema de referencia. Esto es especialmente importante en aplicaciones de sincronización donde dos fuentes deben coincidir no solo en voltaje y frecuencia sino también en rotación de fase antes de conectarse en paralelo.

Tipos de 47 relés

Hay 47 relés disponibles en varias generaciones de tecnología, cada uno con diferentes características adecuadas para diferentes aplicaciones:

47 elementos de relé independientes versus integrados

Las unidades de relé 47 independientes todavía se utilizan ampliamente en paneles de control de motores e instalaciones industriales más pequeñas. Por lo general, tienen una entrada de voltaje, un conjunto de contactos de salida (normalmente abiertos y normalmente cerrados) y un indicador LED simple de estado. Los ejemplos incluyen dispositivos de fabricantes como Schneider Electric, ABB y Siemens que se montan en riel DIN y cuestan entre $50 y $300 dependiendo de las características.

En sistemas de energía más grandes, la función 47 generalmente está integrada dentro de un dispositivo electrónico inteligente (IED) multifunción como GE Multilin 469, SEL-300G o Schweitzer SEL-547. Estos dispositivos combinan de 10 a 30 funciones de relé en un solo chasis, se comunican a través de redes SCADA a través de IEC 61850 o DNP3 y brindan capacidades de registro de eventos, oscilografía y configuración remota, funciones imposibles en unidades electromecánicas independientes.

¿Dónde se utiliza un relé 47? Aplicaciones del mundo real

El relé 47 aparece en una amplia gama de industrias y tipos de sistemas dondequiera que se instale equipo eléctrico trifásico y la integridad de la rotación de fases sea crítica.

Protección de motores industriales

Esta es, con diferencia, la aplicación más común. Los motores de inducción trifásicos son los caballos de batalla de las instalaciones de fabricación, plantas de tratamiento de agua, operaciones mineras y refinerías de petróleo. Con frecuencia se instala un relé de secuencia de fases, el relé 47, como componente estándar en los centros de control de motores (MCC) para bloquear el arranque del motor si la secuencia de fases de suministro es incorrecta o si falta una fase. Algunos códigos y normas, incluida NFPA 70 (NEC) en contextos específicos y IEC 60034 para protección de maquinaria rotativa, recomiendan o requieren protección de secuencia de fases para motores con potencias superiores a ciertas clasificaciones de caballos.

HVAC y sistemas de construcción

Los grandes sistemas HVAC comerciales e industriales dependen de enfriadores, torres de enfriamiento y unidades de tratamiento de aire, todos impulsados por motores trifásicos. La inversión de fase en el motor de un compresor de enfriadora puede hacer que el compresor funcione hacia atrás, destruyendo el sistema de lubricación y provocando fallas mecánicas catastróficas en cuestión de minutos. Reemplazar los compresores enfriadores puede costar entre 50 000 y 500 000 dólares , lo que hace que un relé de secuencia de fases de entre 100 y 200 dólares sea una inversión obvia. La mayoría de los fabricantes de enfriadoras especifican la protección de secuencia de fases como requisito estándar en sus pautas de instalación.

Ascensor y equipo de elevación

La inversión de fase en los sistemas de accionamiento de ascensores es un grave problema de seguridad. Si un motor de elevación funciona en reversa, la cabina del ascensor se mueve en la dirección opuesta a la del comando de control: baja cuando debería subir o, peor aún, se mueve cuando los frenos no están completamente liberados. EN 81-20 y otras normas de seguridad de ascensores en Europa y Asia exigen explícitamente protección contra fallos de fase y inversión de fase. El relé 47, o un relé combinado de secuencia de fases y pérdida de fase, es un componente obligatorio en la mayoría de los paneles de control eléctrico de ascensores en estos mercados.

Protección y Paralelo del Generador

Cuando un generador se pone en línea y se pone en paralelo con una red pública u otro generador, la máquina entrante debe coincidir con el bus existente en voltaje, frecuencia y rotación de fases. Un elemento de 47 relés dentro del IED de protección del generador verifica que la secuencia de fases del generador coincida con la barra antes de que se permita que se cierre el interruptor de sincronización. Cerrar una secuencia de fases incorrecta crearía una corriente de falla masiva, lo que podría dañar instantáneamente el generador, el transformador y el equipo conectado.

Tratamiento de Aguas y Aguas Residuales

Las estaciones de bombeo de las empresas de agua dependen de grandes bombas centrífugas accionadas por motores trifásicos. Si una bomba arranca al revés, no sólo no logra mover el agua, sino que también puede desenroscar los impulsores, dañar los sellos del eje y provocar anegamiento en los devanados del motor. Los relés de secuencia de fases son protección estándar en estas instalaciones. El costo de la reparación de una sola bomba puede exceder los $20,000, sin contar el tiempo de inactividad operativa o el riesgo de desbordamiento de aguas residuales o interrupción del suministro de agua.

Centros de datos y sistemas de energía críticos

Los centros de datos modernos utilizan grandes sistemas de suministro de energía ininterrumpida (UPS) y unidades de refrigeración de precisión, todos ellos alimentados por alimentación trifásica. El monitoreo de la secuencia de fases, realizado por 47 elementos de relé integrados en interruptores de transferencia y unidades de distribución de energía, garantiza que las fuentes de energía de reserva y alternativas tengan la secuencia correcta antes de conectarse a cargas críticas. Una conexión de fase incorrecta descubierta sólo después de una falla del equipo en un centro de datos puede resultar en pérdidas que exceden con creces el costo del hardware por sí solo.

Cómo configurar y configurar un relé 47

Los ajustes correctos son esenciales para que cualquier relé de protección realice su función sin disparos molestos o sin dejar de funcionar cuando sea necesario. El relé 47 tiene una cantidad relativamente pequeña de configuraciones en comparación con funciones de protección más complejas, pero cada una de ellas es importante.

Captación de voltaje de secuencia negativa (captación V2)

Este es el umbral en el que el relé comienza a sincronizarse hacia un disparo. Generalmente se expresa como un porcentaje de la tensión nominal de secuencia positiva o como una relación porcentual V2/V1. Los ajustes típicos varían desde 10% a 30% de tensión nominal. Una activación más baja hace que el relé sea más sensible pero aumenta el riesgo de disparos falsos durante eventos de conmutación normales del sistema. Una recuperación más alta proporciona más seguridad, pero puede evitar condiciones de desequilibrio moderado.

Para aplicaciones de protección de motores, es común un arranque V2 del 15 al 20 %. Para aplicaciones de generador en paralelo, el arranque se puede configurar a un nivel tan bajo como 5 % para garantizar la integridad de la secuencia de fases antes del cierre del interruptor.

Retraso de tiempo (retraso de viaje)

La mayoría de los 47 relés incluyen un retardo de tiempo programable antes de que se emita la salida de disparo. Este retraso evita disparos innecesarios durante eventos breves y transitorios de desequilibrio causados ​​por operaciones de conmutación en alimentadores adyacentes. Los retrasos suelen oscilar entre 0 a 60 segundos , siendo de 1 a 5 segundos una opción común para aplicaciones de protección de motores. Para la detección de inversión de fase específicamente, algunos ingenieros establecen el retraso cerca de cero (instantáneo) porque una secuencia de fase completamente invertida no es ambigua y el disparo inmediato es apropiado.

Tensión mínima de secuencia positiva (supervisión de tensión)

Algunos relés incluyen una función de supervisión de voltaje mínimo que bloquea el funcionamiento del elemento 47 cuando el voltaje de secuencia positiva (V1) cae por debajo de un umbral, generalmente entre 50 y 70 % del nominal. Esto evita que el relé se dispare durante una pérdida completa de voltaje (apagón), que de otro modo produciría una relación V2/V1 grande debido a un V1 muy bajo, incluso si la condición subyacente del sistema es simplemente un corte total de energía en lugar de un problema de secuencia de fases.

Configuración de salida

Los 47 contactos de salida de relé se pueden configurar para:

• Dispare un disyuntor o contactor directamente
• Iniciar un relé de bloqueo (Dispositivo 86) que evita el reinicio automático.
• Activar una alarma en la sala de control o sistema SCADA
• Comandos de cierre de bloque a un interruptor sincronizador

En los esquemas de protección de motores, la salida de relé 47 generalmente está conectada al circuito de control del arrancador del motor, evitando que el contactor se energice si no se cumplen las condiciones de secuencia de fases. Esto significa que el motor simplemente no arranca en lugar de hacerlo en la dirección incorrecta.

47 Funciones de relé frente a relés de protección relacionados

Los ingenieros suelen comparar o combinar el relé 47 con funciones de relé adyacentes que también solucionan problemas relacionados con las fases. Comprender las distinciones ayuda a diseñar esquemas de protección efectivos.

Relé 47 frente a relé 46 (relé de corriente de equilibrio de fase)

El relé del Dispositivo 46 mide el desequilibrio de corriente en lugar del desequilibrio de voltaje. Detecta corriente de secuencia negativa (I2) en lugar de tensión de secuencia negativa (V2). Si bien ambos relés responden a condiciones de desequilibrio de fases, normalmente se utiliza un relé 46 cuando hay transformadores de corriente (CT) disponibles y cuando el objetivo es proteger una máquina o alimentador específico en función de la corriente real que fluye a través de él. Un relé 47, que mide voltaje, proporciona protección a nivel de sistema que es independiente de la carga que esté conectada, lo que lo hace adecuado para proteger el bus de suministro o detectar problemas incluso antes de que se conecte cualquier carga.

En la práctica, los elementos de relé 46 y 47 a menudo se incluyen juntos en un IED de protección de motor para proporcionar una protección de fase integral: el elemento 47 detecta problemas de secuencia de fases del lado del suministro, mientras que el elemento 46 detecta un desequilibrio de corriente del lado de la carga que podría indicar un devanado defectuoso o una falla mecánica en el motor.

Relé 47 frente a relé 27 (subtensión)

Un relé 27 se dispara cuando la magnitud del voltaje cae por debajo de un umbral. No responde a cambios de secuencia de fases. Una inversión de fase con los tres voltajes en la magnitud nominal no causaría que un relé 27 funcione en absoluto. El relé 47 llena este vacío monitoreando la secuencia en lugar de la magnitud, lo que los convierte en funciones complementarias en lugar de redundantes.

47 Relé versus relé de pérdida de fase

Un relé de pérdida de fase (a veces comercializado como relé de fase abierta) es un dispositivo más simple, generalmente de menor costo, que solo detecta cuando una de las tres fases desaparece por completo. No mide la secuencia ni el desequilibrio, solo la presencia o ausencia de voltaje en cada fase. Por el contrario, un relé 47 puede detectar inversión de fase y desequilibrio significativo incluso cuando las tres fases están presentes. Para una protección integral, un relé 47 proporciona un superconjunto de lo que ofrece un relé de pérdida de fase, aunque se pueden usar relés de pérdida de fase dedicados en aplicaciones sensibles al costo donde solo se necesita detección de fase abierta.

Prueba y puesta en marcha de un relé 47

Como todos los relés de protección, el relé 47 debe probarse durante la puesta en servicio y en intervalos de mantenimiento regulares para confirmar que funcionará correctamente cuando sea necesario. La prueba de relé para un elemento 47 normalmente implica los siguientes pasos:

1. Inyectar voltajes trifásicos balanceados. en los terminales de entrada de voltaje del relé en la secuencia correcta (A-B-C) y verifique que el relé permanezca en el estado no operado.
2. Intercambiar dos fases (por ejemplo, inyecte la secuencia A-C-B) y verifique que el relé se active y se dispare dentro del retardo de tiempo especificado.
3. Inyectar un conjunto desequilibrado de voltajes. donde el voltaje de una fase se reduce para simular una condición de desequilibrio de fase, luego verifique que el relé responda en el umbral V2/V1 esperado.
4. Eliminar completamente el voltaje de una fase y confirme los disparos del relé para verificar la detección de fase abierta.
5. Verificar el retraso de tiempo midiendo el tiempo real transcurrido entre el arranque y la salida de disparo usando un temporizador o un software de prueba de relé.
6. Comprobar contactos de salida para un funcionamiento adecuado utilizando un probador de continuidad o un equipo de prueba de relé de inyección secundaria.

Los relés digitales 47 modernos a menudo pueden realizar autodiagnósticos y generar registros de prueba automáticamente. Los dispositivos compatibles con IEC 61850 se pueden probar de forma remota mediante la simulación de mensajes GOOSE utilizando herramientas de software. Los registros de las pruebas de puesta en servicio deben conservarse como parte de la documentación de protección de la instalación y consultarse durante futuras actividades de mantenimiento.

Los intervalos de mantenimiento para las pruebas de relés varían según la industria y el estándar. Los estándares IEEE C37.118 y NERC PRC rigen la protección de la transmisión de servicios públicos. Muchas empresas de servicios públicos prueban sus relés de protección en un ciclo de 6 años para relés numéricos y un ciclo de 4 años Para tipos electromecánicos. Las instalaciones industriales suelen seguir las recomendaciones del fabricante o programas de mantenimiento internos.

Errores comunes al aplicar un relé 47

A pesar de su función relativamente simple, el relé 47 a veces se aplica o configura mal en el campo. Estos errores pueden provocar disparos molestos o, peor aún, fallas en la protección del equipo durante una falla genuina.

• Conexiones PT incorrectas: Si los secundarios del transformador potencial que alimentan el relé 47 están cableados en la secuencia incorrecta, el relé puede interpretar una secuencia correcta del sistema como invertida y dispararse innecesariamente, o viceversa. Siempre verifique el cableado del PT con un medidor de rotación de fases antes de habilitar el elemento 47.
• Ajustar la pastilla demasiado baja: Un arranque V2 configurado por debajo del 10% del nominal puede hacer que el relé se dispare durante condiciones de suministro normales pero ligeramente desequilibradas, particularmente en áreas atendidas por alimentadores de distribución largos donde es inherente cierto desequilibrio de voltaje. Esto provoca repetidos viajes molestos y pérdida de confianza en el sistema de protección.
• Omitir la supervisión de tensión: Sin una inhibición de voltaje mínimo, el relé puede dispararse durante un corte de energía total cuando los voltajes están cerca de cero, generando una falsa alarma de "fallo de secuencia de fases" que complica el análisis posterior al evento.
• Omitir el relé durante el mantenimiento: Omitir temporalmente el relé 47 durante el mantenimiento y olvidar restaurarlo deja al equipo desprotegido. Todas las anulaciones de relés deben registrarse y someterse a un procedimiento de restauración formal.
• Suponiendo que el relé reemplaza toda la protección de fase: El relé 47 detecta desequilibrio de secuencia y voltaje, pero no reemplaza la protección contra sobrecarga térmica, protección contra sobrecorriente o protección contra falla a tierra. Siempre debería ser parte de un esquema de protección coordinada, no una salvaguardia independiente.

El caso de costo-beneficio para instalar un relé 47

El argumento económico a favor del relevo 47 es sencillo. El costo del relé en sí (ya sea una simple unidad independiente de entre 100 y 300 dólares o un IED multifunción con el elemento 47 incluido, entre muchos otros, entre 1.000 y 10.000 dólares) es trivialmente pequeño en comparación con el costo potencial del equipo que protege.

Considere un escenario del mundo real: un motor trifásico de 500 hp que impulsa una bomba de proceso crítico en una planta química. Reemplazar el motor por sí solo puede costar entre $30 000 y $80 000, sin contar:

• Costos de grúa y aparejos para remoción y reinstalación: $5,000–$20,000
• Plazo de entrega de rebobinado o reparación: 2 a 6 semanas
• Tiempo de inactividad de la producción a razón de $10 000 a $100 000 por día dependiendo del proceso
• Daños secundarios al equipo impulsado (impulsores de bomba, sellos, acoplamientos)
• Posibles incidentes ambientales o de seguridad si el proceso es peligroso.

Un relé de secuencia de fases de 200 dólares que previene un solo evento de este tipo se amortiza miles de veces. Esta es la razón por la que muchas compañías de seguros y contratistas de adquisiciones de ingeniería (EPC, por sus siglas en inglés) especifican que la protección de secuencia de fases es obligatoria para motores de más de 10 hp en instalaciones donde la continuidad del proceso es crítica.

Más allá de la protección del equipo, el monitoreo confiable de la secuencia de fases mejora la confiabilidad general del sistema y reduce la frecuencia de las investigaciones de la causa raíz después de fallas inexplicables del motor o incidentes en la dirección de rotación. También simplifica el cumplimiento normativo en industrias donde los estándares de seguridad eléctrica requieren protección documentada contra modos de falla específicos.