Esta clase de relés se utilizó originalmente para proteger las líneas de transmisión y se creía que medían la distancia desde la ubicación del relé hasta una falla. Actualmente, se aplican varios tipos a los sistemas de energía para proteger las líneas durante fallas, los generadores durante la pérdida de excitación y el sistema durante los cambios de energía. Los términos más comúnmente utilizados y descritos en esta sección son: relé de distancia, relé de impedancia, relé mho.

Protección de distancia

La protección de distancia se define como una protección contra cortocircuitos. El relé de distancia se basa en la evaluación de una impedancia medida que se calcula a partir de mediciones locales de voltaje y corriente. El principio de la ubicación de la falla es que la impedancia de cortocircuito medida como se ve desde el relé de distancia es proporcional a la distancia a la ubicación de la falla.

Las fallas en las líneas de transmisión se detectan comúnmente mediante relés de protección que miden y responden a una u otra forma de la relación de voltaje a corriente. Esta relación es la impedancia o un componente de la impedancia. Estos relés se denominan relés de distancia porque (idealmente) la impedancia medida es proporcional a la distancia a lo largo de una línea de transmisión homogénea desde la ubicación del relé hasta la falla.

A esta clase de relés de distancia se le asigna el número de dispositivo 21.

Si la impedancia de línea es Z , el alcance de cada relé es nZ; n oscila entre 0,75 y 0,90 en algunas aplicaciones y más de 1,0 en algunas otras.

Zonas de protección de relés que protegen una línea de transmisión

La impedancia medida durante el funcionamiento normal de una línea es la relación entre el voltaje en el terminal de línea y la corriente que fluye en la línea; este valor suele ser alto y predominantemente resistivo. Pero, durante las fallas, esta impedancia es de naturaleza más baja y altamente reactiva.

Un cambio en la impedancia detectada se usa para determinar si ha ocurrido una falla, y también si la falla está en su zona de protección o en otra parte del sistema. Esto se logra limitando la operación del relé a un cierto rango de impedancia observada, comúnmente llamado " alcance".

Las características de operación comúnmente utilizadas se muestran en la siguiente figura. El punto de medición para un relé de distancia está ubicado en el origen de las figuras, y el relé está diseñado para operar generalmente cuando la impedancia medida cae dentro del área sombreada en las figuras.

Características de uso general en relés de distancia genéricos

La principal ventaja de usar un relé de distancia para fallas multifásicas, que no involucran tierra, es que su zona de operación es una función solo de la impedancia de la línea protegida y la resistencia de falla (excepto en las situaciones en las que hay una entrada de corriente desde el terminal remoto de la línea o hay acoplamiento mutuo con líneas en el mismo derecho de vía).

Esta es aproximadamente una constante fija, independientemente de los niveles de magnitudes de corriente de falla. Por lo tanto, un relé de distancia tiene un alcance fijo , a diferencia de un relé de sobrecorriente cuyo alcance varía a medida que cambian las condiciones de funcionamiento del sistema.

En consecuencia, no es necesario cambiar la configuración de los relés de distancia a menos que cambien las características de la línea. Esto hace que los relés de distancia sean ideales para la protección primaria y de respaldo para fallas en las líneas de transmisión.

Los relés que responden a la magnitud de la impedancia medida se clasifican como relés de impedancia. La medición se toma determinando la relación entre el voltaje rms de la línea en la ubicación del relé y la corriente rms que fluye en la línea en la ubicación del relé. Estos relés se aplican comúnmente para detectar fallas en líneas de transmisión.

Las características operativas del relé de impedancia y el "alcance", trazados en un sistema de coordenadas rectangulares, se muestran en la figura siguiente. Dado que un relé de impedancia responde a las mediciones en todos los cuadrantes, generalmente se utiliza una unidad direccional para limitar el alcance al lado de línea del relé, como se muestra en esta figura.

Con esta combinación, el relé de impedancia responde solo a las impedancias medidas que se encuentran en la parte sombreada de este diagrama.

Características de funcionamiento de relés de impedancia y compensación de impedancia

Una variación de los relés de impedancia, denominados “relés de impedancia offset”, cuya característica también se muestra en la Figura 12, se utiliza para iniciar la protección del portador de la línea eléctrica. Estos relés miran desde el disyuntor hacia la línea y hacia el bus de la estación . Además, los relés de impedancia se pueden utilizar para proteger los generadores y las líneas de transmisión de condiciones fuera de sintonía.

En los generadores, esta condición se debe a que la potencia que atraviesa el entrehierro es menor que la carga en el eje, que es una función del voltaje de suministro y su desplazamiento de fase del voltaje del sistema receptor.

Los relés de distancia pueden ser diseñados para tener características de funcionamiento circular, representados en un plano de impedancia, que pasa por el origen del plano como se muestra en la figura siguiente. Este tipo de relé se llama un relé Mho o relé de admisión. Una fracción n de la impedancia de línea Z L es una medida de la distancia de la falla en la línea desde la ubicación del relé.

El ángulo de par máximo es el ángulo de impedancia en el que el relé es más sensible.

Características operativa de un relé mho

En los relés de distancia, la impedancia de distancia de falla realmente medida depende de la magnitud real de la corriente y el voltaje, las conexiones del relé, el tipo de falla y las impedancias en la falla, además de la impedancia de línea. Es imposible eliminar con éxito estas características adicionales en la medición de distancia para todas las posibles condiciones de funcionamiento.

Por lo tanto, se emplean esquemas compuestos que emplean varios relés y diferentes características de relé.

Un esquema de distancia comprende relés de arranque, unidad de medición de impedancia, temporizadores de zona y relés de disparo.

Para satisfacer los requisitos económicos y técnicos de cualquier red en particular, se necesita una variedad de esquemas entre los que se puede elegir. Los esquemas generalmente empleados para cumplir con los requisitos de protección de las redes de baja, media y alta tensión pueden clasificarse en tres grupos principales:

1. 1.- Esquemas diseñados para protección contra fallas de fase solamente.
2. 
   
3. 2.- Esquemas diseñados para la protección contra todo tipo de fallas - fase y tierra - usando unidades separadas para cada tipo de falla (también denominados esquemas no conmutados).
4. 
   
5. 3.- Esquemas diseñados para protección contra varios tipos de fallas usando un solo conjunto de unidades pero incorporando características de conmutación (también conocidas como esquemas conmutados).

Los relés de protección de distancia de paso son aquellos en los que no se utiliza la aplicación piloto . Se emplean varias zonas para proteger una línea de transmisión. Las características típicas de la distancia de tiempo para un relé de tres pasos se muestran en la siguiente figura.

Características típicas de la distancia de tiempo para un relevador  de 3 pasos (zonas)

La primera zona (zona 1) es una zona de protección instantánea y está configurada para dispararse sin retardo de tiempo intencional. La zona 1 generalmente se establece para aproximadamente el 80% de la línea de transmisión. Esta limitación es necesaria para asegurar un amplio margen contra un posible sobre alcance debido a transitorios de corriente, errores del transformador de corriente y voltaje y variación de la impedancia de línea.

La segunda zona (zona 2) está configurada para proteger la línea más un margen adecuado.

Aunque la zona 1 y la zona 2 brindan protección total a la línea de transmisión, se emplea una tercera zona 3 de alcance directo como respaldo para la zona 2 y se puede emplear como respaldo remoto. Este relé debe tener una demora de tiempo para coordinarse con el relé de la zona remota 1 y la zona 2.