Sistemas de protección marítima en buques modernos: de la teoría a las pruebas reales a bordo

Introducción: del diagrama unifilar al blackout… o a la fiabilidad

La electrificación ha convertido el buque moderno en una microred altamente exigente. Los Integrated Power Systems (IPS) conectan propulsión, “hotel loads” y servicios auxiliares a barras principales comunes, a menudo en anillo cerrado con varios generadores alimentando los mismos embarrados.

Esta arquitectura permite máxima eficiencia y redundancia, pero solo bajo una condición:

que el sistema de protección haga exactamente lo que sus ajustes prometen, en todas las configuraciones de operación.

La tesis “Protection of Electrical Power Systems in Maritime Applications – Analysis of Directional Overcurrent Protection Methods” demuestra que el corazón de esta fiabilidad no está solo en el estudio de cortocircuito o en el software de simulación, sino en la validación real de los relés bajo condiciones representativas.

Este artículo traduce esas conclusiones al terreno práctico de armadores, astilleros e integradores de sistema, y muestra cómo usar equipos EuroSMC (Quasar, Mentor 12, Raptor, Prime, PME, ROOTS, PTE-50-CE Pro) para pasar de la teoría a un plan de pruebas repetible, documentado y defendible ante armador y sociedad de clasificación.

1. ¿Qué hace diferente la protección de potencia en buques?

Frente a una red terrestre convencional, el sistema eléctrico de un buque presenta características muy particulares:

IPS y anillos cerrados: generadores, propulsión y consumos auxiliares comparten barras principales comunes, a menudo con varias alimentaciones activas en configuración de anillo cerrado.
Distancias eléctricas muy cortas: tramos de cable <100 m implican corrientes de cortocircuito muy elevadas y casi simultáneas en varios relés.
Potencia de cortocircuito variable: el nivel de cortocircuito cambia radicalmente según el número de grupos en servicio (modo puerto, tránsito, DP, emergencia…).
Alta penetración de motores y variadores: la propulsión puede representar hasta un 90 % de la carga, afectando fuerte y dinámicamente a tensiones y corrientes durante arranques y fallos.
Puesta a tierra aislada o de alta resistencia (IT/HRG): las corrientes de tierra son bajas; los fallos fase-fase (PP), doble fase-tierra (PPG) y trifásicos (3P) dominan el diseño de protección.

Conclusión:

La continuidad de servicio depende de una protección rápida y selectiva, robusta frente a cambios de configuración (generadores conectados, anillo abierto/cerrado) y de carga.

2. Sobrecorriente direccional (ANSI-67): la columna vertebral de la selectividad a bordo

En redes terrestres de media tensión, a menudo se combinan diferenciales (ANSI-87) y distancia (ANSI-21) para lograr selectividad. En buques:

La distancia (21) suele ser poco práctica: alcance difícil de ajustar en distancias cortas, sensibilidad al reparto de corrientes y a la potencia de cortocircuito.
El diferencial (87) es excelente para generadores y, a veces, barras, pero extenderlo a todos los cables y lazos del anillo suele ser costoso y muy dependiente de CTs.

Por eso, muchas arquitecturas marítimas se apoyan en:

Sobrecorriente direccional ANSI-67 como herramienta principal para la protección selectiva de embarrados, cables de anillo y alimentadores en sistemas de IPS.

La tesis compara distintos métodos de polarización de relés direccionales en un modelo de anillo de 8 barras y muestra que:

Polarización de secuencia positiva (V₁/I₁) y cross-polarization (Vyz/Ix) proporcionan direccionalidad fiable y tiempos de disparo rápidos (<1 periodo) para fallos PP y 3P.
Las variantes de autopolarización (Vx/Ix, Vxy/Ix, Vxy/Ixy) pueden perder direccionalidad en fallos PP, especialmente si el fallo es franco (impedancia muy baja).
El principal reto no es tanto el algoritmo de polarización como la coordinación en anillos cerrados y los cambios de configuración (grupos conectados, anillo abierto para mantenimiento, etc.).

La tesis no se queda en la simulación:

se utiliza un relé comercial MV (DEIF MVR-215 con ANSI-67 basado en secuencia positiva) probado con un equipo de ensayo que reproduce registros COMTRADE en tiempo real.

Este mismo enfoque (“simular fallos realistas, reproducirlos en el relé y verificar la respuesta”) es exactamente el terreno donde equipos EuroSMC como Quasar y Mentor 12, combinados con ROOTS, aportan valor diferencial.

Esquema conceptual 1 – Anillo cerrado en buque con ANSI-67

Este esquema simplificado ayuda a visualizar dónde se ubican los ANSI-67 y dónde será crítico probar la dirección de disparo, el bloqueo inverso y la coordinación temporal.

3. De la tesis a la sala de máquinas: plan de pruebas por elemento

A continuación se propone una estrategia de pruebas ordenada por tipo de elemento, indicando la filosofía de ensayo y qué equipos EuroSMC pueden utilizarse.

Tabla 1 – Elementos a probar vs. funciones y equipos EuroSMC recomendados

Elemento del sistema	Funciones a probar (ejemplos)	Tipo de prueba	Equipos EuroSMC recomendados
Generadores y barras principales	50/51, 67, 27/59, 32, 24, 81, 87	Secundaria (relés)	Quasar, Mentor 12, PTE-50-CE Pro, ROOTS
Propulsión y grandes motores/variadores	50/51, 49, 51R, 27, 40, 47, 55, 81, 87	Secundaria dinámica	Quasar, Mentor 12, ROOTS
Alimentadores, cables y lazos de anillo	67F/67R, bloqueo inverso, interlocks, esquemas lógicos	Secundaria + lógica	Quasar, Mentor 12, ROOTS
Interruptores y aparamenta MV	Tiempos, resistencia de contactos, sincronismo	Primaria + DRM	Raptor, Prime-600, PME-500-TR / PME-600-T / PME-700-TR
Sistema de puesta a tierra (IT/HRG)	51G/67N, filosofía primer/segundo fallo	Secundaria	Quasar, Mentor 12, ROOTS

3.1 Generadores y embarrados principales

Funciones típicas: 50/51, 67, 32, 27/59, 24, 81, 87.

Objetivos de prueba

Verificar pickup y curvas tiempo-corriente (50/51).
Confirmar que 67 opera correctamente en sentido directo/inverso para PP y 3P en diferentes configuraciones de generadores.
Verificar la coordinación entre relés de generador, barra y alimentadores.
Analizar el efecto de variaciones de frecuencia y de impedancia de fallo en los tiempos de actuación.

Enfoque recomendado (inyección secundaria)

Con un juego de pruebas como Quasar o Mentor 12, controlado por ROOTS, puede:

Ejecutar rampas de pickup (estáticas o binarias) para 50/51/67.
Verificar automáticamente curvas IDMT (SI/VI/EI) a 2, 5 y 10×In.
Usar las funciones de Fault y Fault Playback para reproducir fallos Pre-fault / Fault / Post-fault con forma de onda realista y reproducción de COMTRADE generados en su estudio de cortocircuito.
Crear secuencias que barran frecuencia (58–62 Hz) y resistencia de fallo, midiendo el impacto en tiempos de disparo.

Valor añadido:
El uso de COMTRADE playback (registro → banco de pruebas → relé) permite demostrar que el relé responde en el tiempo y con la selectividad esperada ante escenarios extremos (solo dos grupos en línea, anillo abierto, etc.).

3.2 Propulsión y grandes motores

En muchos IPS, los motores de propulsión dominan el perfil de carga y condicionan fuertemente la dinámica del sistema.

Objetivos de prueba

Discriminar entre arranque de motor, sobrecargas de corta duración y fallos reales.
Garantizar que la protección del motor y la protección aguas arriba (alimentador/barra) coordinan sin provocar un blackout por un fallo local.

Estrategia con Quasar / Mentor 12 + ROOTS

Simular perfiles de arranque realistas: corriente de inrush, aceleración, régimen permanente.
Inyectar condiciones de rotor bloqueado, pérdida de fase y sub-tensión, verificando que:
- El motor dispara cuando debe (49, 51R, etc.).
- La protección de alimentador/barra no dispara indebidamente durante el arranque.

Esto permite fijar con confianza ajustes como multiplicadores térmicos, tiempos de arranque máximo y ajustes de 51/67 aguas arriba.

3.3 Alimentadores, cables y lazos de anillo

Aquí es donde la combinación de 67 direccional, bloqueo inverso y lógica de interbloqueos permite sustituir, en muchos casos, esquemas diferenciales complejos.

Objetivos

Validar 67F/67R en ambos extremos de cada cable crítico.
Verificar que el bloqueo inverso y la lógica de interlocks aíslan correctamente el tramo fallado sin abrir innecesariamente el anillo.
Confirmar que el comportamiento global del sistema coincide con el estudio de coordinación.

Con Quasar / Mentor 12 + ROOTS

Ejecutar ensayos extremo a extremo: inyectar fallos simulados desde un lado, con polarización de tensión adecuada, y observar:
- Relé local → trip.
- Relé remoto → bloqueo.
Utilizar las entradas/salidas binarias reales y virtuales (GOOSE en el caso de Quasar) para comprobar la lógica de protección: bloqueo inverso, disparos de barra, esquemas de permisivo, etc.
Reproducir el mismo escenario COMTRADE en varios relés, de forma secuencial, para comparar respuestas y validar la selectividad global del esquema.

3.4 Interruptores y aparamenta: inyección primaria y temporización

Un relé perfectamente ajustado es inútil si el interruptor no abre a tiempo. En una microred compacta como la de un buque, cada milisegundo cuenta.

Objetivos

Medir tiempos de apertura/cierre bajo corriente real.
Comprobar resistencia de contactos y condición mecánica.
Verificar que las barras, uniones y CTs soportan la corriente prevista.

Enfoque con Raptor, Prime-600 y serie PME

Raptor: sistema de inyección primaria modular, capaz de suministrar hasta 15 kA mediante técnica de paso de conductor y módulos MS/SL, ideal para probar interruptores, barras y transformadores de corriente.
Prime-600: micro-ohmímetro de alta corriente con función de Dynamic Resistance Measurement (DRM), que permite evaluar el estado de contactos principales y de arco en interruptores sellados (vacío/SF₆) sin desmontarlos.
PME-500-TR / PME-600-T / PME-700-TR: analizadores de interruptores que combinan:
- Control de bobinas de apertura/cierre.
- Medida de tiempos de contacto y sincronismo entre polos.
- En el caso del PME-700-TR, medición de resistencia de contactos en tres polos en cuatro hilos con inyección de 10 A.

Resultado: puede validar tiempos totales de despeje (relé + breaker) frente a los márgenes de coordinación asumidos en su estudio, y construir una historia de vida de cada interruptor crítico.

3.5 Fallos a tierra en sistemas de alta resistencia o aislados (IT/HRG)

En muchas aplicaciones marítimas, el primer fallo a tierra no produce una corriente suficiente para disparar protecciones de sobrecorriente. La estrategia suele ser:

Primer fallo → alarma, mantenimiento planificado.
Segundo fallo o niveles elevados → disparo selectivo.

Con Quasar o Mentor 12, puede:

Inyectar corrientes residuales bajas para verificar sensibilidad de 51G/67N.
Probar la transición entre modo alarma y modo disparo según la filosofía acordada entre diseñador, armador y sociedad de clasificación.

4. Hoja de ruta práctica para astilleros y operadores

Un programa realista de pruebas para un nuevo buque o una gran reforma podría estructurarse así:

Antes de pruebas de mar

Validar ajustes de relés (generadores, barras, alimentadores, motores) con Quasar/Mentor 12 + ROOTS, usando plantillas automáticas.
Realizar pruebas de inyección primaria con Raptor, Prime-600 y PME en interruptores principales y barras.
Archivar todos los informes en el expediente técnico del buque.

Tras el primer año de servicio

Repetir una versión acotada del plan de relés, centrada en lazos críticos (anillos, propulsión, generador de emergencia).
Repetir pruebas de tiempo de interruptores en los más exigidos.

En cada dique seco / gran modificación

Revisar estudio de coordinación incluyendo nuevos motores, variadores o generadores.
Actualizar ajustes de relés y re-ejecutar pruebas automáticas con ROOTS.
Verificar con inyección primaria que los nuevos cuadros, barras y acoplamientos actúan según lo diseñado.

Con el tiempo se obtiene un histórico trazable de desempeño de la protección, muy valioso al hablar de riesgo, disponibilidad y cumplimiento con armadores y sociedades de clasificación.

5. Preguntas para abrir la conversación (y evitar sorpresas en mar abierto)

Para cerrar, algunas preguntas que puede plantearse su organización:

¿Se han probado los relés direccionales en todas las configuraciones realistas de generadores (puerto, tránsito, DP, emergencia)?
¿Los márgenes de coordinación siguen siendo válidos tras medir los tiempos reales de los interruptores con inyección primaria?
¿Cómo demuestra, con evidencias, que un fallo en un bus de propulsión no apagará todo el buque?
¿Su estrategia de pruebas sigue la filosofía de un único fabricante de relés… o una visión de sistema como la desarrollada en la tesis y aplicada aquí?

Si estas preguntas resuenan, EuroSMC puede ayudarle.

Combinando equipos de ensayo de relés e inyección primaria (Quasar, Mentor 12, PTE-50-CE Pro, Raptor, Prime-600, PME) con software ROOTS para pruebas automatizadas, podemos trabajar con su equipo y sus socios para convertir la teoría avanzada de protección en aplicaciones marítimas en una estrategia de pruebas repetible, documentada y defendible, desde la oficina de diseño hasta la sala de máquinas.

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