Artículo Académico/ Academic Article
Recibido: 25-10-2022, Aprobado tras revisión: 12-01-2023
Forma sugerida de citación: Bonilla, G.; Barahona, E.; Proaño, X.; Guaman, W. (2023): “Evaluación del Funcionamiento de la
Protección Diferencial 87 en Transformadores Monofásicos Ante Presencia de Fallas, Mediante un Prototipo Didáctico”. Revista
Técnica “energía”. No. 19, Issue II, Pp. 99-109
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v19.n2.2023.543
© 2023 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Evaluation of the Operation of the Differential Protection 87 in Single-Phase
Transformers in the Presence of Faults, Through a Didactic Prototype
Evaluación del Funcionamiento de la Protección Diferencial 87 en
Transformadores Monofásicos Ante Presencia de Fallas, Mediante un
Prototipo Didáctico
G. A. Bonilla1 E. G. Barahona1 X. A. Proaño1 W. P. Guamán1
1 Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas, Universidad Técnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador
Email: gabriela.bonilla7949@utc.edu.ec; edgar.barahona5119@utc.edu.ec; xavier.proano@utc.edu.ec;
wilian.guaman8956@utc.edu.ec
Abstract
In the present work, the construction of a didactic
prototype was carried out that allows evaluating the
operation of the differential protection 87, through
the parameterization of variables, for which several
parameters are considered, such as the minimum
operating current, the starting current or the pending
operation, which together with the measured data,
such as the primary and secondary current, which
make it possible to determine the value corresponding
to the differential current, allowing emulation of the
differential protection function 87 and its percentage
variant. To achieve the above, Arduino current
sensors were used, which together with the Nano
microprocessor, of the same brand, will allow data
collection, which after processing, will be
communicated to LabVIEW where a constant is used,
which allows scaling the values obtained in order to
develop the programming logic that allows the entry
of parameters, selection of CT's, calculation of the
differential and minimum operating current, as well
as the identification of the operating zones.
Resumen
En el presente trabajo se realizó la construcción de un
prototipo didáctico que permite evaluar el
funcionamiento de la protección diferencial 87,
mediante la parametrización de variables, para lo
cual se consideran varios parámetros, como la
corriente mínima de operación, la corriente de
arranque o la pendiente de operación, los cuales
conjuntamente con los datos medidos, como la
corriente el primario y secundario, que posibilitan
determinar el valor correspondiente a la corriente
diferencial, permitiendo emular la función de
protección diferencial 87 y su variante porcentual.
Para lograr lo anteriormente expuesto, se empleó
sensores de corriente de Arduino, los cuales en
conjunto con el microprocesador Nano, de la misma
marca, permitirá la toma de datos, lo cuales tras su
procesamiento, serán comunicados a LabVIEW
donde se emplea una constante, la cual permite
escalar los valores obtenidos para así, poder
desarrollar la lógica de programación que permite el
ingreso de parámetros, selección de TC’s, cálculo de
la corriente diferencial y mínima de operación, así
como también la identificación de las zonas de
operación.
Index terms

terms Prototype, differential
protection 87, parameterization, transformer,
parameter input, calculations, operating zone,
practical guides, user´s guide
Palabras clave

Prototipo, protección diferencial 87,
parametrización, transformador, ingreso de
parámetros, cálculos, zona de operación, guías
prácticas, guía de usuario.
99
Edición No. 19, Issue II, Enero 2023
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas eléctricos en la actualidad son de gran
prioridad dado a que los mismos permiten que la energía
sea aprovechada por los diferentes usuarios en el ámbito
industrial, comercial y residencial. Dentro de los sistemas
eléctricos de potencia el transformador es el elemento
más costoso y difícil de reponer en poco tiempo por lo
que este elemento debe ser protegido ante fallas que
puedan provocar el daño del mismo, una de las
principales protecciones, es la diferencial cuya
numeración es la 87, la cual permite evitar daños en el
transformador a causa de fallas internas al esquema de
protección.
Es así que la presente propuesta tecnológica tiene por
objetivo evaluar el funcionamiento de la función de
protección 87 en un transformador monofásico mediante
un prototipo didáctico, de esta forma, se busca constituir
una herramienta que permita identificar el principio de
funcionamiento de la protección diferencial 87,
considerando los parámetros que rigen su
funcionamiento, así como también el rol de cada uno de
los agentes que se relacionan con la actuación de la
función de protección.
De esta manera armoniza los diferentes agentes que
se relacionan dentro de situaciones reales donde se
emplea la función de protección, por una parte, el
prototipo cuenta con diferentes elementos que en
conjunto simulan una parte de un sistema eléctrico; así
como también cuenta con una etapa en la cual el usuario
debe conectar los diferentes elementos de esta
protección, lo que permite mediante la práctica
profundizar en el funcionamiento de esta protección.
Para lograr que el prototipo didáctico funcione
adecuadamente se llevó a cabo un proceso que relaciona
aspectos teórico-prácticos, el cual se encuentra
especificado en el desarrollo del presente documento, de
igual forma, contiene información relacionada al proceso
que ha permitido concebir el prototipo didáctico,
mostrando los antecedentes que cimentan la presente
investigación, el marco teórico que recopila las diferentes
temáticas que permiten la evaluación de los principios de
funcionamiento, los materiales y métodos que permiten
desarrollar los objetivos de la propuesta tecnológica, así
como también los resultados obtenidos procedentes de la
construcción y funcionamiento del prototipo didáctico,
permitiendo que este pueda ser replicado y empleado en
diferentes espacios educativos.
2. DESARROLLO
Las corrientes de falla surgen a partir de ciertas
anomalías las cuales aparecen por la existencia de
condiciones desfavorables de operación en el sistema,
por lo tanto, en cuanto a fallas eléctricas se refiere, estas
provocan condiciones anormales de operación
perjudicando a los elementos de sistema, una falla
eléctrica, incide directamente en las componentes de
corriente y voltaje, llegando a ser excesivas por lo cual
requiere de elementos de protección, [1].
Los relés de protección ayudan a proteger los equipos que
conforman el sistema eléctrico, como el transformador,
las líneas de transmisión o distribución, barras, etc., es
por esta razón que se clasifica a las protecciones por
equipos, función, señal de entrada, y principios de
operación, [2].
La protección 87T, más conocida como protección
diferencial del transformador, basa su funcionamiento
principalmente en la comparación de señales de
corriente, dicha protección funciona ante la presencia de
fallas internas, y puede contar con características
porcentuales variables.
Como se mencionó anteriormente el relé diferencial
compara dos corrientes las cuales a su vez se las coteja
con la corriente diferencial (ID), cuando dicha corriente
ID, sea distinta de cero significa que el relé debe
funcionar desconectando los circuitos y protegiendo los
equipos, para lo cual se identifican primero las corrientes
primarias y secundarias del transformador, como se
observa en la Fig. 1., [3].
Figura 1: Diagrama de Relé Diferencial
Se debe tomar en cuenta, que en un relé diferencial
existen dos zonas de operación, las cuales se delimitan
por la ubicación del transformador de corriente (TC),
como se observa en la Fig. 2.
Figura 2: Pendiente de Operación del Relé
2.1. Diagrama de flujo de procesos del módulo
didáctico de protección diferencial
Para poder determinar el funcionamiento del módulo
es necesario identificar los parámetros con los cuales
operará la protección diferencial 87T, según [3], donde
100
Bonilla et al. / Evaluación de la Protección Diferencial en Transformadores Monofásicos, Mediante un Prototipo Didáctico
se menciona la necesidad de monitorear los niveles de
corriente en el lado primario y lado secundario del
transformador, y así verificar bajo qué circunstancias
actúa la protección 87T.
Para el diseño didáctico del módulo, se consideraron
tanto las características físicas y técnicas, de cada uno de
los elementos que integran las etapas de alimentación,
medición y de cargas. Debido a las exigencias que se
plantean a los técnicos eléctricos, hoy en día surge la
necesidad de disponer de sistemas de capacitación
modernos, orientados a la práctica, que muestren a los
estudiantes el estado actual de la técnica y les transmitan
la habilidad necesaria para actuar por sí mismos, por esta
razón con la finalidad de una mejor forma de aprendizaje,
se decidió que el prototipo didáctico de la protección 87,
pueda brindar las ventajas y facilidades ofrecidas por los
sistemas de paneles didácticos de Lucas Nülle, [4].
En base a los parámetros de funcionamiento que se
observan en la Fig. 3., se elegirán los materiales y
elementos que más acorde se encuentren con respecto al
funcionamiento del módulo.
Figura 3: Diagrama de Flujo de los Procesos del Módulo
Didáctico de Protección Diferencial
2.2. Materiales
Para poder escoger de forma acertada los materiales
usados en la construcción del módulo se consideró un
trabajo por etapas, de tal manera que se logró identificar
la alimentación, elemento protegido, análisis y toma de
datos, simulación de falla, y banco de cargas.
2.2.1 Etapa de alimentación
Dentro de esta etapa se considera el medio físico que
permita la conexión necesaria entre el módulo y la fuente
de energía, para este caso se ha considerado
implementarlo a la red eléctrica. Para proveer de un
adecuado servicio eléctrico al módulo se empleó un
tomacorriente trifásico de 32 A como se puede observar
en la tabla 1.
La protección necesaria para la alimentación del módulo
se determina, a partir de la norma NEC 2017, dentro del
artículo 210.20, donde se menciona que un circuito
derivado que suministra cargas continuas o no continuas,
el dispositivo de protección no debe ser inferior a la carga
no continua más el 125% de la carga continua, (29).
   
(1)
      
Tabla 1: Materiales Generales del Módulo
Material
Características
Tomacorrientes
- Enchufe Pin & Sleeve
- IP67 6H Rojo
- 32 A 3P+T 380-415 V AC
Portafusibles
- Corriente nominal 32A
-Curva de fusible AM GG
- Tensión nominal 500 V AC
- Tensión nominal del aislamiento 500 V AC
50/60 Hz
- 3 polos
Fusibles
- Corriente que soporta 5 A
2.2.2 Etapa de elemento protegido
Para poder simular el funcionamiento de la protección
diferencial, se tomó como elemento protegido a un
transformador monofásico, cuya potencia es de 500 W,
su voltaje de entrada es 220V y el voltaje de salida es de
110 V por lo tanto la relación de transformación es de
2/1.
Considerando trabajar con una potencia que se
encuentre cercana al límite de potencia que ofrece el
transformador, estableciendo así un rango de
funcionamiento del 90%.
2.2.3 Etapa de análisis y toma de datos de corriente y
voltaje
La etapa de análisis y toma de datos es la parte central
del módulo, ya que mediante esta se podrá llegar a
evaluar el funcionamiento de la protección diferencial 87,
por lo cual se necesita de ciertos instrumentos de
medición que permitan identificar el valor de las
corrientes que circulan por la entrada y salida del
transformador, considerando así usar TC´s,
Para poder enlazar la toma de medidas se necesita de
una unidad programable, que permita procesar los datos
provenientes del TC, usando así un Arduino Nano.
Considerando la versatilidad de Arduino, se
consideró implementar sensores de corriente alterna, que
cumplirían con la misma función de un transformador de
corriente TC, de igual forma se implementaron sensores
de voltaje, los cuales interactúan con la placa Arduino.
De esta manera, mediante la toma de datos que provienen
de Arduino, a través del puerto de comunicación serial
mini USB se procede a establecer comunicación con un
programa ejecutable desarrollado en LabVIEW 2019.
101
Edición No. 19, Issue II, Enero 2023
De acuerdo con los requerimientos de la protección
87, se debe tomar en cuenta ciertas consideraciones
adicionales, una de ellas es el hecho de trabajar con
voltaje y corriente alterna, por ende, al ser estas señales
sinusoidales, se implementa un filtro pasa bajos.
Una vez que se haya obtenido una señal fiable, ésta
pasará hacia el programa ejecutable desarrollado en
LabVIEW 2019, el cual se comportará como un medio de
comunicación entre el usuario y el módulo, así como
también se encargará de emular el funcionamiento de la
protección diferencial 87. Los materiales usados en esta
etapa se observan en la tabla 2.
Tabla 2: Materiales Electrónicos Para la Toma de Datos del
Módulo
Material
Sensor de Corriente
ASC712-20 A
Sensor de Voltaje AC
ZMPT101B
Arduino Nano
2.2.4 Etapa de simulación de fallas del módulo
Para poder evaluar el comportamiento del
transformador monofásico ante la presencia de una
corriente de falla, es necesario que esta se presente en el
módulo, sin embargo, con la finalidad de obtener
resultados similares, sin poner en riesgo la integridad de
los elementos, se considera simular la falla. Razón por la
cual se integró una etapa donde mediante resistencias se
pueda unir una rama derivada del secundario y el
primario que permite saturar la corriente en ambos
devanados, simulando una sobre corriente.
Por lo que es necesario integrar el valor de las
resistencias en pasos, de esta forma considerando
herramientas de cálculo como la Ley de Ohm, la corriente
a saturar en el secundario es:
 
   
 
  
Considerando la corriente que circula por el banco de
cargas, y la necesaria para saturar la corriente en el
secundario y el primario se obtiene la corriente que debe
pasar por la resistencia de la rama:
● Resistencia en la rama del devanado primario:
  
(2)
      
 󰇛󰇜 󰇛 󰇜 
● Resistencia en la rama del devanado secundario:
  
(3)
      
 󰇛󰇜󰇛 󰇜 
Por lo cual, los materiales seleccionados para simular
la falla en el devanado secundario y primario se observan
en la tabla 3.
Tabla 3: Materiales del banco de cargas para la simulación de
falla
Material
Características
Focos
Incandescentes
- Potencia: 50 W
- Voltaje: 110/220 V
Interruptor
- Voltaje: 110/220 V
Amperímetro
- Corriente máxima: 10 A
- Voltaje de alimentación: 3-12 V DC
2.2.5 Etapa de banco de cargas del módulo
Se implementó elementos que permitan demandar
corriente al sistema, a través de cargas que se obtuvieron
de la siguiente forma:
 
  
Se planeó el diseño del módulo con tres cargas de un
valor de 0.9090 A, dando un total de 2.7272 A.
 󰇛󰇜 󰇛 󰇜 
Los materiales usados para esta etapa se presentan en la
tabla 4.
Tabla 4: Materiales del Banco de Cargas del Módulo
Material
Características
Focos
Incandescentes
- Potencia: 100 W
- Voltaje: 110 V
Interruptor
- Voltaje: 110/220 V
Amperímetro
- Corriente máxima: 10 A
- Voltaje de alimentación: 3-12 V DC
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Bonilla et al. / Evaluación de la Protección Diferencial en Transformadores Monofásicos, Mediante un Prototipo Didáctico
Para la conexión entre las diferentes etapas del
módulo se empleó ciertos elementos que se puede
observar en la tabla 5, los cuales garantizan una correcta
conexión, brindando seguridad y facilidades al usuario.
Tabla 5: Materiales Para Conexiones del Módulo
Material
Características
Conectores
- Tipo: Banana para chasis
- Diámetro interior: 0.4 cm
- Diámetro: 1 cm
- Color: Negro y Rojo
Cable
conductor
-AWG: 16
- Temperatura: 200 °C
- Color: Negro/Rojo
2.3. Diseño de Módulo
Como se mencionó en el punto 2.1, el diseño del
módulo está basado en los sistemas de paneles didácticos
de Lucas Nülle, apreciada en la Fig. 4.
Figura 4: Diseño y Medidas Correspondientes a la Estructura del
Módulo
Para las distintas etapas mostradas anteriormente, se
construyeron cajas, mismas que se pueden observar en la
Fig. 5., donde se colocaran los elementos anteriormente
descritos.
Figura 5: Caja del Transformador Para el Módulo
2.3.2 Etapa de elemento protegido
Para esta etapa se consideró un diseño en el cual se
nos permita una fácil identificación y conexión, como se
observa en la Fig. 6. En este caso se tienen 3 cajas con un
transformador monofásico en cada una.
Figura 6: Diseño de la Parte Delantera de la Caja del Elemento
Protegido
2.3.3 Etapa de análisis y toma de datos de corriente y
voltaje
Ya que esta etapa corresponde al análisis y toma de
datos, aquí es donde nos centramos en la programación e
interpretación de los datos obtenidos.
Para la toma de datos se emplea el microprocesador
Arduino Nano, el cual nos ayudará para el procesamiento
de datos de voltaje y corriente obtenidos a través de
sensores, en los datos obtenidos de corrientes y voltajes
primarias y secundarias, se aplicó un muestreo y filtrado
de las señales correspondientes, ya completado este
proceso se realiza la comunicación con el software
LabVIEW 2019 a través del protocolo de comunicación
VISA, permitiéndonos clasificar los datos en corrientes

correspondientes al lado primario y secundario.
Para el análisis de los datos se tienen tres subetapas.
● Primera subetapa
Se puede identificar la toma de datos medidos y se
centra en la actuación de la protección diferencial, en
donde se podrá ingresar el parámetro de corriente mínima
de operación, así como también los TAP’s
correspondientes al lado primario y secundario, de esta
manera se obtendrá la corriente diferencial, donde en
caso de que esta sea mayor a la corriente mínima de
operación la protección actuaria.
● Segunda subetapa
Se constituye el cálculo e ingreso de ciertos
parámetros asociados la protección diferencial 87
porcentual, estos permitirán determinar el
funcionamiento de la protección e identificar el
comportamiento del transformador ante la presencia de
las corrientes de falla
● Tercera subetapa
Permite identificar la zona de operación y no
operación de la protección, en esta se muestra de forma
gráfica los parámetros que se han establecido dentro de
la segunda etapa, permitiendo evidenciar de forma más
didáctica bajo que rangos actúa la protección diferencial.
Tomando en cuenta estas consideraciones de
103
Edición No. 19, Issue II, Enero 2023
funcionamiento el diseño de la etapa de análisis y toma
de datos contempla la implementación de diodos pilotos,
los cuales serán los encargados de indicar si la protección
diferencial actúa o no, como se observa en la Fig. 7.
Figura 7: Diseño de la parte delantera de la caja del Relé
Diferencial
2.3.4 Etapa de simulación de fallas del modulo
Como se muestra en la tabla 4, los elementos usados
en esta etapa simulan fallas a través de una saturación de
cargas colocadas ya sea en el lado primario secundario
del transformador tal como se mencionó en el punto
2.2.4, llegando a simular una falla de alta impedancia.
En la Fig. 8., se puede observar el diseño implementado
para esta etapa.
Figura 8: Diseño de la Parte Delantera de las Cajas
Correspondientes a los Bancos de Carga para Simulación de Falla
2.3.5 Etapa de banco de cargas del módulo
En esta etapa se contempla la demanda de corriente
que puede abastecer al transformador dentro de los
límites técnicos de este, su diseño es igual a los
observados en la Fig. 8.
3. DESARROLLO DE ALGORITMO DE
PROGRAMACIÓN
En la Fig. 9., se presenta el diagrama de flujo que
corresponde a la emulación del relé diferencial 87, donde
se puede evidenciar cada proceso que permite el
funcionamiento de la etapa de toma y análisis de datos.
Figura 9: Diagrama de Flujo de la Etapa de Toma y Análisis de
Datos
3.1. Toma de Datos
La toma de datos permite conocer la magnitud de
corriente que circula por el lado primario y secundario
del transformador, así como también los voltajes en
bornes del bobinado primario y secundario. Los datos
medidos que se reflejan en las posteriores etapas del
algoritmo de programación, deben ser lo más confiables
y reales posible, puesto que de ello dependerá que los
resultados finales sean fiables, debido a esto se usa filtros
y muestreo de las señales.
Datos de voltaje
El sensor ZMPT101B de Arduino cuyo principio de
funcionamiento, se basa en un transformador el cual
refleja el valor que se encuentra en corriente alterna,
mediante una relación establecida por la conversión de
corriente alterna a corriente continua, como se observa en
la Fig. 10.
Figura 10: Código de Medición de Voltaje a Través de Sensores en
el Primario y Secundario
Datos de corriente
El sensor ACS712-20A, tiene un rango de medición
de 0A a 20A, considerando que la máxima corriente que
se presenta en el sistema es de 4.09 A. El funcionamiento
de este sensor de tipo hall, por lo que el sensor entrega un
valor de 2.5V al detectar una corriente de 0A, así a partir
de dicha relación y en función de la sensibilidad, la cual
está definida por el fabricante y para el sensor
seleccionado se encuentra en un valor nominal de 100
mV/A, se establece una relación lineal entre el voltaje de
salida del sensor y la corriente, que se establece de la
siguiente forma, permitiendo el despeje de la corriente
para poder obtener el valor de esta.
  
(4)
104
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Para que el algoritmo de programación funcione
correctamente se necesitó cambiar los valores obtenidos
de bytes a voltaje, como se observa en la Fig. 11.
  
Figura 11: Código de Medición de Corriente a Través de sensores
en el Primario y Secundario
Al realizar estos procesos se obtuvieron las siguientes
señales de corriente de las Figs. 12 y 13., las cuales se
puede evidenciar que presentan una inestabilidad de
corriente debido a la sensibilidad del sensor y a la
presencia de ruido.
Figura 12: Señal Percibida por el Sensor N°1
Figura 13: Señal Percibida por el Sensor N°2
3.2. Muestreo de Señales
Para poder facilitar el análisis de los datos mostrados
se usa el muestreo también denominado Discretización
de señal, es el primer paso a realizar en un proceso en el
cual se quiere convertir de una señal analógica con
tiempo y amplitud a una señal digital con tiempos y
amplitud discretos. Dicha conversión (Conversión A/D),
se realiza porque las señales digitales tienen varias
ventajas al momento en la que son procesadas y tiene
facilidad de multiplexaje, [5].
Para establecer el muestreo, se definió el tiempo
durante el cual se desea tomar valores correspondientes a
la señales, dado a que la fluctuación de valores no es
significativa y considerando la importancia de la
segmentación de las señales se consideró tomar muestras
por un tiempo de 0.05 segundos, lo cual representó tomar
medidas durante 3 ciclos, para poder definir un valor
promedio de los datos seleccionados, durante este tiempo
se obtuvieron corrientes máximas (,2) y
mínimas (,2), por lo que a partir de estas se
determinó un valor promedio de corriente, obtenido las
señales de las Figs. 14 y 15.
Figura 14: Muestreo de la Señal en el Sensor N°1
Figura 15: Muestreo de la Señal en el Sensor N°2
En caso del voltaje se lleva a cabo el mismo proceso.
3.3. Filtro Pasabajos
Después de aplicar el muestreo se consideró la
aplicación de un filtro pasabajos para poder tener señales
que no presentan una distorsión significativa.
Se aplicó un filtro pasa bajos de media móvil, funciona
igual que un filtro analógico pasa-bajo, ya que atenúa la
frecuencia más alta y solo deja pasar frecuencias más
bajas, pero este tipo de filtro, se considera como un filtro
digital ya que se lo puede aplicar a un Arduino, y
funciona de manera que va creando promedios de cada
lectura tomada y nos entrega una salida de datos más
estables que los que se obtienen en la lectura original,
para poder realizar este tipo de filtrado se basa en la
siguiente ecuación, [6].
 󰇛 󰇜
(5)
󰇛 󰇜 󰇜
Se considera que entre más pequeño el valor de Alpha
es mejor la atenuación del sistema, considerando un
Alpha de 0.2. Las señales obtenidas se pueden observar
en las Figs. 16 y 17.
105
Edición No. 19, Issue II, Enero 2023
Figura 16: Filtrado de la Señal en el Sensor N°1
Figura 17: Filtrado de la Señal en el Sensor N°2
3.4. Comunicación Serial
Una vez que la etapa de toma y procesamiento de datos
a culminado, se procedió con la etapa de comunicación,
donde a través de un proceso de comunicación VISA RS-
232, el cuál es una herramienta que permite establecer
una comunicación virtual a través de un puerto serial
entre Arduino y LabVIEW 2019, se enviaron los datos
procesados para su posterior utilización en el emulador
de la protección diferencial 87 del prototipo didáctico.
3.5. Emulación de la Protección Diferencial
La emulación de la protección diferencial fue llevada
a cabo en el software LabVIEW 2019, considerando las
herramientas que este brinda su entorno de programación
gráfico. Dentro de la programación realizada, se brindan
las condiciones para evaluar el funcionamiento de la
protección diferencial 87; así como también su variante
porcentual, donde se buscó graficar su correspondiente
zona de operación
Figura 17: Bloque de Comunicación Serial
Se implementó una constante k con el valor de 100,
la cual tiene como finalidad escalar los valores de
corriente que se emplearán en las próximas etapas, como
se muestra en la Fig. 17.
● Protección diferencial
Para poder llevar a cabo el funcionamiento de la
protección diferencial 87 fue necesario considerar los
parámetros a ingresar, en este caso se contempló el
ingreso de la corriente mínima de operación, así como
también el valor del TAP y el valor de los TC 's ubicados
en el lado de alta y baja del transformador.
Cada parámetro a ingresar se aseguró con valores
máximos y mínimos de ingreso, como en la corriente
mínima de operación la cual se pueden ingresar valores
de 0-10 A, los valores nominales de los TAP 1 y 2 son 5.
Los valores de rango de los TC´s 1 y 2 son del 1 al 10.
También se usó una función de comparación,
seleccionar (select), la cual toma una condición y opera
dentro de lo establecido, por ejemplo, en el caso del TAP
primario (TAP1), en caso de ingresar un valor mayor a
10, la condición TAP > 10, se cumpliría por lo que
cambiaría el valor ingresado por 10, y así para los tres
parámetros como se indica en la ¡Error! No se encuentra
el origen de la referencia. De igual forma, la interfaz
brinda la opción de escoger el valor del TC que mejor se
acople al caso práctico en ejecución, para ello se ha
considerado integrar los valores comerciales.
Una vez ingresados los datos en la interfaz mostrada
en la Fig. 18, se procede con los cálculos correspondiente
para saber si la protección diferencial actuario o no
enviando un mensaje de activación.
Figura 18: Interfaz Correspondiente a la Primera Etapa
● Protección diferencial porcentual
Para emular el funcionamiento de la protección
diferencial 87 de carácter porcentual fue necesario
considerar los parámetros que se asocian con el principio
de funcionamiento de la misma, por lo tanto, en el
presente caso se consideró que, a más de los datos
medidos de corriente y voltaje, es necesario el ingreso de
106
Bonilla et al. / Evaluación de la Protección Diferencial en Transformadores Monofásicos, Mediante un Prototipo Didáctico
la pendiente de operación, la corriente de arranque y los
valores del TAP correspondiente a los TC’s del primario
y secundario respectivamente.
También se tienen valores de restricción mínimos y
máximos, en el caso de la pendiente de operación (m) es
de 0% a 100%, la corriente de arranque es de 0 a 5 A, y
los valores de los TC´s pueden varias en un rango del 1
al 10, siendo su valor nominal 5. Se aplica la misma
función de comparación (selec), para los TAP´s.
Una vez definidos los valores procede la emulación de la
protección diferencial 87 porcentual, definiendo la
corriente diferencial, la corriente de restricción y la
corriente mínima de operación, una vez obtenidos todos
estos valores se realiza la comparación de las señales para
poder observar si la protección diferencial porcentual
actúa o no, enviando un mensaje de actuación como se ve
en la Fig. 19.
Figura 19: Interfaz Correspondiente a la Segunda Etapa y Zona
de Operación
Una vez que se ha establecido el funcionamiento de
los bloques de programación correspondiente a la
protección diferencial 87 y su variante porcentual es
importante que los indicadores físicos de funcionamiento
(focos piloto) se accionen en función de los valores que
se analicen, para ello se ha asignado el valor de 1 para la
protección diferencial 87 y 2 para la protección
diferencial 87 porcentual, de esta forma, mediante un
ciclo “while” se evaluará que datos debe comunicarse a
Arduino para la activación de los focos piloto.
● Zona de operación
Una vez que efectuó la emulación correspondiente a
la protección diferencial 87 porcentual, se puede
identificar su zona de operación en función de los
parámetros que se definieron previamente, para ello, en
el presente bloque se considera que, a partir de los 69
datos medidos, y los cálculos correspondientes se podrá
visualizar la actuación de la protección.
Para poder realizar la gráfica correspondiente a la
zona de operación de la protección se consideró tomar los
datos correspondientes a la corriente diferencial,
corriente de arranque, corriente de restricción y la
corriente mínima de operación. En función de las
características de funcionamiento de la herramienta
gráfica “XY” de LabVIEW 2019, se implementó un
arreglo, en forma de vectores que permita graficar cada
punto de la zona de operación, esté a su vez, se encuentra
dentro de un bucle “while” el cual se limitó por un botón
que permite cambiar la gráfica en caso de que los
parámetros que considera la protección diferencial 87
porcentual hayan sido alterados.
4. RESULTADOS
Los sensores empleados dentro de la etapa de toma de
datos deben ser sometidos a un análisis previo que
permita determinar la confiabilidad de los mismos,
puesto que este particular permitirá demostrar la
fiabilidad de los resultados que se obtengan a partir del
módulo.
Se realizó las pruebas correspondientes a la
protección 87 en todas sus características, obteniendo
resultados adecuados en el laboratorio, pero no se indican
como tal estos elementos en el presente texto ya que solo
se tomó en cuenta a los puntos más relevantes.
Para poder determinar el error de medida de los
sensores se emplea la metodología anteriormente
indicada dentro del capítulo cuatro, donde en base a una
premisa confiable se podrá obtener ciertas conclusiones.
En el caso de la toma de datos, se hará una comparación
entre los resultados obtenidos por los sensores de
corriente y voltaje de Arduino, y un multímetro de la
marca Fluke, modelo; para determinar el error que existe
dentro de la toma de datos se emplea las siguientes
fórmulas:
Error de corriente
 

Donde:
corresponde al valor medido por el instrumento
de medición.
: corresponde al valor medido por el sensor de
corriente.
Error de voltaje
  
 
Donde:
corresponde al valor medido por el instrumento
de medición.
: corresponde al valor medido por el sensor de
voltaje.
● Caso N°1
Para el primer caso se consideró comparar las
corrientes obtenidas, cuando la etapa del elemento
protegido esté interconectada con la etapa de carga,
obteniendo una potencia de la carga de hasta 300W.
107
Edición No. 19, Issue II, Enero 2023
Medición de corriente
Tabla 6: Error Entre Corrientes Medidas con el Sensor y el
Multímetro Fluke
Primario
Secundario
I
Fluke
I
sensor
%
error
I Fluke
I
sensor
%
error
1,32
1,312
0,61
2,35
2,61
0,47
Medición de voltaje
Tabla 7: Datos de Corriente Medida
Primario
Secundario
V
Fluke
V
sensor
%
error
V
Fluke
V
sensor
%
error
210,0
213,3
1,6
100,0
107,0
7
Casos prácticos: Falla en el lado Secundario del
transformador para la protección diferencial
Tabla 8: Datos de Corriente Medida
Corriente Medida
Corriente medida en el primario (I1) A
205,15
Corriente medida en el secundario (I2) A
395,3
Para la protección diferencial se debe ingresar la
corriente mínima de operación, así como también los
TAP correspondientes a los TC’s, los cuales son
considerados parámetros, mostrados en la tabla 8.
Tabla 9: Parámetros Requeridos Para la Actuación de la
Protección Diferencial
Parámetros
Corriente mínima de operación (I minop)
1
TAP TC1
4
TAP TC2
5
TC1
250
TC2
400
Tabla 9: Resultados del Caso de Estudio Obtenidos en el Módulo
Didáctico
Resultados
Corriente en el secundario TC1
3,28
Corriente en el secundario TC2
4,94
Corriente diferencial Id
1,66
Para poder comprar los valores obtenidos en el
módulo didáctico presentados en la tabla 9, se procede a
realizar el cálculo manualmente.
Para la corriente en el secundario del TC1 se obtiene
  


 

  
Para la corriente en el secundario del TC2 se obtiene:
  

  
Corriente diferencial

      
Por lo tanto, en base al principio de funcionamiento que
rige a la protección diferencial 87, se puede determinar
que:
 > 
1,659 > 1
Llegando a la conclusión que la protección diferencial
actúa.
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El proceso de construcción del módulo se
desarrolló enfocado en brindar las facilidades
correspondientes para llevar a cabo casos
prácticos que permitan evaluar el
funcionamiento de la protección 87, por lo
tanto, la parte estructural permite identificar
plenamente los elementos empleados en cada
caso, de igual forma, las conexiones internas de
cada etapa brindan la seguridad de que cada
interconexión se realizará de manera adecuada
y eficiente.
● El error que se pudo determinar entre las
mediciones de corriente del módulo y las
mediciones realizadas con un multímetro son
menores al 1.6 % en los 3 casos de estudio. •
Una vez que se han planteado los casos
prácticos, como el caso N°2, que permitirán al
usuario parametrizar y evaluar el
funcionamiento de la función de protección
diferencial 87, se confirma que la corriente de
arranque es un parámetro que permite el cambio
de estado de la protección, puesto que si el valor
pasa de 0.1 A a 0.2 A, se presentan las
condiciones para la actuación de la protección,
lo cual se corrobora en la gráfica de la zona de
operación.
● El módulo cuenta con las herramientas
necesarias para poder parametrizar las variables
asociadas a la protección diferencial, como la
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Bonilla et al. / Evaluación de la Protección Diferencial en Transformadores Monofásicos, Mediante un Prototipo Didáctico
pendiente, la corriente de arranque en caso de la
protección diferencial porcentual, mientras que
en la zona de protección diferencial se puede
ingresar el valor de la corriente mínima de
operación, permitiendo.
● Si bien es cierto cada una de las etapas que
constituyen el módulo de protecciones
eléctricas, son de vital importancia para el
funcionamiento del módulo, la etapa medular
del mismo la constituye la toma y análisis de
datos, puesto que esta es la encargada de emular
el funcionamiento del relé diferencial, a la vez
que permite la comunicación entre el usuario y
el módulo.
● Se recomienda que para posibles trabajos
futuros se realice una implementación de la
funcionalidad de bloqueo ante energizaciones
de transformadores.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Danilo Vizuete y Sares Jóse, “Diseño e
implementación de un módulo didáctico de
protecciones y sistemas eléctricos de potencia
aplicado a sistemas de generación”, Universidad
Politecnica Salesiana SEDE Guayaquil, Guayaquil,
2017. [En línea]. Disponible en:
https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/141
90/1/UPS-GT001880.pdf
[2] J. E. Guerrero, “GUÍA DE SELECCIÓN DE
SISTEMA DE PROTECCIÓN EN
SUBESTACIONES POR MEDIO DE RELÉS
BASADOS EN MICROPROCESADORES
APLICADO EN SUBESTACIONES DE
TRANSMISIÓN”, p. 100.
[3] R. Caiza y M. Ramos, “Análisis de la pendiente de
operación del relé diferencial frente a fallas trifásicas
en régimen permanente, aplicado a un banco de
transformadores trifásicos (Yd1)”, Trabajo de
Titulación, UNIVERSIDAD TÉCNICA DE
COTOPAXI, Latacunga, 2019.
[4] “Tecnología de accionamientos Sistemas de
capacitación, Electrónica de potencia, Máquinas
eléctricas - PDF Free Download».
https://docplayer.es/23576674-Tecnologia-de-
accionamientos-sistemas-de-capacitacion-
electronica-de-potencia-maquinas-electricas.html
(accedido 28 de diciembre de 2022).
[5] Jimmy Corté, Cano Hugo, y Chaves José,
“FUNDAMENTOS Y APLICACIÓN DEL
MUESTREO EN SEÑALES UBICADAS EN LAS
BANDAS ALTAS DEL ESPECTRO”, Red Rev.
Científicas América Lat. El Caribe Esp. Port., vol.
XIV, n.o 39, p. 7, sep. 2008.
[6] W. O. Hachen, «Implementación de filtros pasa
bajos”, Medium, 26 de junio de 2020.
https://willyexe97.medium.com/implementaci%C3
%B3n-de-filtros-pasa-bajos-d50626c972be
(accedido 9 de febrero de 2022).
Gabriela Alejandra Bonilla.-
Nació en Latacunga en 1999. Su
ciclo escolar lo cursó en la escuela
Elvira Ortega, sus estudios
secundarios los realizó en la
Unidad Educativa Jean Piaget, sus
estudios superiores los completó en
la Universidad Técnica de
Cotopaxi, en la carrera de Ingeniería en Electricidad,
Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Su
título actual es Ingeniera Eléctrica. Su campo de
investigación se encuentra relacionado con las energías
alternativas y renovables, eficiencia energética y
protección ambiental.
Geovanny Barahona Vaca.-
Nació en Riobamba en el año 2000.
Su ciclo escolar lo cursó en la
Unidad Educativa “San Vicente de
Paúl”, posteriormente sus estudios
los complemento en la Unidad
Educativa “Carlos Cisneros”,
obteniendo el título de Bachiller en
Mecatrónica, actualmente ha culminado sus estudios
universitarios en la Universidad Técnica de Cotopaxi, en
la Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas en la
carrera de Ingeniería en Electricidad.
Xavier Proaño Maldonado.-
Nació en Latacunga Ecuador, en
1985. Recibió su título de
Ingeniero Eléctrico de la Escuela
Politécnica Nacional en 2010; de
Master en Gestión de Energías de
la Universidad Técnica de
Cotopaxi en 2013. Su campo de
estudio se encuentra relacionado con Alto Voltaje,
Energías Renovables, Protecciones Eléctricas y Sistemas
Eléctricos de Potencia. Docente de planta a tiempo
completo de la Carrera de Ing. Eléctrica en la Facultad de
Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas de la UTC,
Ecuador.
Wilian Guamán Cuenca.- Nació
en Riobamba, Ecuador en 1989.
Recibió su título de Ingeniero en
Electromecánica por la Universidad
de las Fuerzas Armadas “ESPE” en
2013 y su título de Master
Universitario en Ingeniería de la
Energía por la Universidad
Politécnica de Madrid en 2017. Actualmente trabaja
como docente en la carrera de Electricidad de la
Universidad Técnica de Cotopaxi y sus campos de
investigación están relacionados con el análisis de
sistemas eléctricos de potencia.
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