Disparos intempestivos en interruptores diferenciales

Con el incremento de los armónicos en las instalaciones, algunos dispositivos de protección se ven afectados, produciéndose disparos de alguna de las protecciones diferenciales ante situaciones en las que no debería haberse producido este fenómeno, teniendo en cuenta las características técnicas de los equipos de protección.

En ocasiones se manifiesta los denominados disparos por simpatía. Ante algún fenómeno particular se produce la apertura de diversos diferenciales de manera simultánea, y lo más curioso es que no solo se disparan varios diferenciales del mismo cuadro, sino que también afecta a otros que no tienen nada que ver, ya que pertenecen a diferentes cuadros de distribución.

Las causas más comunes de disparos intempestivos de los diferenciales son como consecuencia de:

-          Sobrecargas transitorias

-          Circulación de corrientes de cortocircuito

-          Corriente de arranque de motores

-          Corriente de arranque de fluorescencias

-          Cierre sobre cargas capacitivas

-          Descargas electrostáticas

-          Corrientes armónicas

-          Disparos por simpatía

-          Pérdidas transitorias del régimen de neutro

CIRCULACION DE CORRIENTES ARMÓNICAS FIJAS O TRANSITORIAS

Se pueden producir disparos en el propio circuito, debido a los armónicos que circulan por esa parte de la instalación y como consecuencia de ello, aparece la intervención de una corriente adicional en el secundario del transformador toroidal del propio diferencial, parte del circuito de la que depende directamente el mecanismo de disparo.

Con la intervención de esa corriente adicional podemos decir que los equipos sufren una modificación en su forma de actuar, haciendo que estos dispositivos den la sensación de que estuvieran mal ajustados.

Realmente lo que ocurre, es que se produce un fenómeno que podemos calificar como un efecto de descalibración de los equipos diferenciales, precisamente como consecuencia de la circulación de las frecuencias elevadas diferentes, múltiplos de los 50 Hz.

También es este el caso de los disparos por simpatía que ya he tratado en otro artículo y recomiendo su lectura en el siguiente link:

http://www.mediafire.com/view/hd552sp1k9lex18/Disparos_intempestivos_por_simpatia_en_diferenciales.pdf

FUGAS DIFERENCIALES ELEVADAS

Las fugas diferenciales elevadas se deben a momentos especiales, en los que se realizan conexiones o desconexiones de equipos con cargas relativamente importantes. La apertura y cierre de estos aparatos de seccionamiento o protección producen sobretensiones o subtensiones transitorias.

Otra causa de disparo de los diferenciales, viene como consecuencia de la necesidad de proteger los equipos contra las emisiones radiadas y conducidas procedentes de otros aparatos y evitar, a la vez, que ellos mismos perturben a los demás. Se conoce con el nombre de Compatibilidad Electromagnética (CEM) cuya normativa es de obligado cumplimiento.

Se protegen los equipos con filtros CEM, de compatibilidad electromagnética. Estos filtros provocan fugas a tierra considerables que, en ocasiones, pueden provocar el disparo de los diferenciales.

Estos filtros suelen estar constituidos por unas R C, que se conectan entre cada una de las fases y tierra y entre neutro y tierra, haciendo muy delicado el momento de la puesta en tensión de estos elementos, debido a la carga puntual de los condensadores; como también se incrementan de una manera permanente las fugas de la instalación, se debe llegar a soluciones tales como la diversificación y situación de las protecciones diferenciales más ceca de las cargas, para que aquellas protejan menos circuitos que antes y así soporten menos fugas permanentes reduciendo los riesgos.

CLASIFICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DIFERENCIALES

Se han desarrollado diferentes gamas de diferenciales para las distintas aplicaciones, por lo que se pueden describir distintos diferenciales clasificados por su tipo:

-          TIPO AC

-          TIPO A

-          TIPO B

Los de Tipo AC están protegidos contra disparos intempestivos debido a sobrecargas transitorias y tienen un funcionamiento correcto con corrientes de fuga a tierra perfectamente senoidales, detectando solamente fugas de corriente alterna, siendo por tanto insensibles a las corrientes rectificadas (corrientes pulsantes), con o sin una componente continua.

Los del Tipo A están protegidos contra disparos intempestivos debido a sobrecargas transitorias y han sido preparados para que funcionen correctamente con corrientes pulsantes y con una componente continua de hasta 6 mA.

Los del Tipo B están protegidos contra disparos intempestivos debido a sobrecorrientes transitorias y se han diseñado para un funcionamiento correcto con cualquier componente continua.

DIFERENCIALES SUPERINMUNIZADOS

Debido a la creciente utilización de equipos electrónicos, los dispositivos de protección diferencial han tenido que evolucionar para poder proteger con eficacia las cargas electrónicas.

Algunos receptores, tales como balastos electrónicos, dimers, variadores de velocidad, arrancadores y otros tipos de receptores, pueden perturbar las líneas eléctricas introduciendo en ellas o derivando hacia tierra corrientes de altas frecuencias, que aunque por si solas no representan ningún peligro de electrocución para las personas, pueden producir el bloqueo o cegado del diferencial, impidiendo que éste actúe en presencia de otros defectos, que sí son peligrosos.

Para este tipo de cargas, se han creado los diferenciales superinmunizados, “si”, que incrementan notablemente la seguridad y permiten mejorar, además, la continuidad de servicio.

En los dispositivos diferenciales superinmunizados, un circuito acumula la energía del transitorio, lo que le permite discriminar si se trata de un defecto diferencial real, produciendo el disparo, o si se trata de un transitorio evitando los disparos intempestivos.

Estos equipos incorporan un bloque de superinmunización que aporta claras mejoras sobre los diferenciales de clase A estándar, que les permiten superar sin disparo la gran mayoría de las sobretensiones transitorias provocadas por descargas atmosféricas, gracias a los circuitos de acumulación de energía. Este circuito también permite evitar el tipo de disparo intempestivo más habitual: “el disparo por simpatía”, que es debido a las sobretensiones transitorias provocadas por maniobras en la red.

Por tanto, la influencia de las altas frecuencias, que podían producir dos problemas, disparo intempestivo o riesgo de no disparo, quedan resueltos con los diferenciales superinmunizados.

Importancia de los regímenes de neutro en las instalaciones eléctricas

En todo sistema trifásico de alta o baja tensión existen tres tensiones simples, medidas entre cada una de las fases y un punto común llamado “punto neutro”. En régimen equilibrado estas tres tensiones están desfasadas 120 º y tienen por valor:

Siendo U la tensión compuesta medida entre fases (ver figura adjunta correspondiente a un esquema trifásico).

Físicamente, el neutro es el punto común de tres arrollamientos montados en estrella. Este neutro puede ser accesible o no, distribuido o no. En media tensión, la distribución del neutro no se realiza en España y poco frecuente en países europeos; sin embargo, es muy habitual en U.S.A. En baja tensión, la distribución del neutro es utilizada en todos los países.

En una instalación de alta o baja tensión. El neutro puede o no estar conectado a tierra. Se habla en tal caso de régimen de neutro.

La conexión del neutro a tierra puede ser realizada directamente, o intercalando una resistencia o una reactancia. En el primer caso, se dice que se tiene un neutro directamente a tierra y en el segundo, que el neutro es impedante.

Cuando no existe ninguna conexión del neutro a tierra, se dice que el neutro es aislado.

En una red, el régimen de neutro juega un papel muy importante. Durante un defecto de aislamiento, o de una puesta accidental de una fase a tierra, los valores alcanzados por las corrientes de defecto, las tensiones de contacto y las sobretensiones están estrechamente ligados al modo de conexión del neutro a tierra.

Un neutro unido directamente a tierra contribuye a limitar las sobretensiones; en cambio, engendra corrientes de defecto muy importantes. Al contrario, un neutro aislado limita las corrientes de defecto a valores muy escasos, pero favorece la aparición de sobretensiones elevadas.

En toda instalación, la continuidad de servicio en presencia de un defecto de aislamiento esta igualmente ligada al régimen de neutro. Un neutro aislado permite la continuidad del servicio en baja y alta tensión, con la condición de respetar la seguridad y protección de bienes y personas. Un neutro directo a tierra o escasamente impedante, impone la desconexión de la red donde aparece un primer defecto de aislamiento.

La importancia de los daños que aparecen en ciertos equipos tales como motores y alternadores cuando se presenta un defecto de aislamiento interno, está igualmente ligado al régimen de neutro.

En una red con neutro directo a tierra, una máquina afectada por un defecto de aislamiento, se ve fuertemente dañada debido a los elevados valores de las corrientes de defecto. 

En una red con neutro aislado o fuertemente impedante, los desperfectos son reducidos, pero es necesario que los equipos tengan un nivel de aislamiento compatible con los niveles de sobretensión que pueden desarrollarse en este tipo de redes.

El régimen de neutro tiene igualmente una influencia importante sobre la naturaleza y el nivel de las perturbaciones electromagnéticas generadas en una instalación eléctrica.

Los esquemas que favorecen corrientes de defecto elevadas y su circulación en las estructuras metálicas de los edificios son muy perturbadores.

Al contrario, los esquemas que tienden a reducir estas corrientes y garantizan una buena equipotencialidad de las masas son poco perturbadores.

La elección del régimen de neutro, tanto en baja como en alta tensión, depende a la vez de la naturaleza de la instalación y la de la red. Está igualmente influenciada por la naturaleza de los receptores, la necesidad de la continuidad de servicio y la limitación de los niveles de perturbación impuestos a los equipos sensibles.

Ejecución del neutro puesto a tierra por resistencia de limitación en instalaciones de Alta Tensión

Elección del valor de la corriente límite

Con el fin de limitar las sobretensiones transitorias que pueden originarse en las redes durante un defecto de aislamiento, es recomendable que la corriente limitada por la resistencia no sea inferior al doble de la corriente capacitiva total de la red, (ver figura 1).

Ir ≥ 2 IC

Figura 1: Elección de la corriente limitada por la resistencia de puesta a tierra del neutro

Realización de la puesta a tierra del neutro

■ Puesta a tierra cuando el neutro es accesible

Una resistencia se intercala entre el borne de salida del neutro y la puesta a tierra, sea directamente (ver fig. 2-a), sea por intermedio de un transformador monofásico cargado en el secundario por una resistencia equivalente (ver fig. 2-b). Esta solución es aplicable siempre que la red esté alimentada por un transformador en el que el acoplamiento de sus bobinas secundarias sea en estrella con neutro accesible, o por un alternador con neutro accesible.

Figura 2: Puesta a tierra cuando el neutro es accesible

■ Puesta a tierra por la creación de un neutro artificial

Cuando el neutro de la fuente de alimentación no es accesible (arrollamientos en triángulo), la puesta a tierra se realiza por un neutro artificial llamado también “generador homopolar” conectado sobre el juego de barras principal.

La realización de este neutro artificial puede ser realizada de diferentes maneras:

- La utilización de un transformador estrella-triángulo, la resistencia de limitación está conectada entre el punto neutro del primario y tierra, el triángulo está cerrado sobre el mismo (ver fig. 3-a).

- Utilización de un transformador estrella-triángulo donde el punto neutro primario está directamente conectado a tierra, una resistencia de limitación de corriente de defecto se intercala para cerrar el triángulo secundario abierto (ver fig. 3-b), está solución es económicamente preferible al caso (a) porque la resistencia es de BT en lugar de ser de MT.

- Utilización de una bobina zigzag, la resistencia de limitación está conectada entre el punto neutro de la bobina y tierra (ver fig. 3-c).

- Utilización de un transformador de tres arrollamientos (ver fig. 3-d):

● el neutro del primario acoplado en estrella está directamente conectado a tierra 

● el secundario acoplado en estrella alimenta las cargas

● el terciario acoplado en triángulo abierto se cierra sobre una resistencia de limitación.

Las soluciones más empleadas son las indicadas en (b) y (c) de la figura 3.

Figura 3: Principales esquemas para la creación de un punto neutro artificial en alta tensión.

■ Problema de la puesta a tierra por resistencia cuando varias fuentes funcionan en paralelo sobre un mismo juego de barras

1º caso : Cada fuente posee una resistencia de puesta a tierra no desconectable.

La corriente de defecto a tierra varía según el número de fuentes en servicio (ver fig. 4-a), es necesario utilizar protecciones de máxima corriente a tierra direccionales para localizar los defectos que ocurren en los enlaces que conectan las fuentes de los juegos de barras.

2º Caso : Cada fuente posee una resistencia de puesta a tierra desconectable. 

Un dispositivo de conmutación permite tener, cualquiera que sea el número de fuentes en servicio, nada más que un solo punto neutro a tierra (ver fig. 4-b). 

El sistema de protección es complejo porque se necesita una selectividad lógica teniendo en cuenta la posición de los dispositivos de conmutación y del estado de las diferentes protecciones contra defectos a tierra. Esta solución es muy poco utilizada.

Figura 4: Puesta a tierra del punto neutro en el caso de varias fuentes funcionando en paralelo

3º Caso : Ninguna fuente posee una resistencia de puesta a tierra.

Se crea un punto neutro artificial en el juego de barras del cuadro principal (ver fig. 5). Este dispositivo permite eliminar los problemas del 1º y 2º caso. En efecto, la corriente de defecto es constante cualquiera que sea el número de fuentes en servicio; las protecciones a disponer en la instalación son simples porque no necesitan protecciones direccionales ni lógica compleja. Se observará que mientras una fuente no esté conectada al juego de barras, la porción de red, incluyendo esta fuente y la canalización que conecta al juego de barras está utilizada con neutro aislado. Cuando este modo de explotación es frecuente, deben disponerse los dispositivos particulares para la vigilancia del aislamiento de esta porción de la red, la vigilancia puede realizarse por un relé de tensión residual conectado a los bornes de la fuente.

Figura 5: Punto neutro artificial en el juego de barras principal

Dispositivos de protección

La protección contra defectos de aislamiento está asegurada por dispositivos diferenciales que miden las corrientes residuales que fluyen a tierra. A título de ejemplo, se indica en la figura 6 el detalle de las protecciones a instalar en una red equipada con dos transformadores que funcionan en paralelo y un generador homopolar conectado en el juego de barras principal.

Ici : corriente capacitiva que se cierra por la salida i

It : corriente limitada que se cierra por la resistencia de puesta a tierra del punto neutro.

IrDi : nivel de tarado del dispositivo de protección instalado en la salida i, IrDi ≥ 1,3 Ici

IrN : nivel de tarado del dispositivo de protección instalado en la resistencia de puesta a tierra del punto neutro, IrN ≥ 1,25 IrDi max. i

tD : temporización asociada a los dispositivos de protección instalados en las salidas, el valor de tD es elegido de manera que asegure la selectividad con los dispositivos de protección de aguas abajo.

tA : temporización asociada a los dispositivos de protección instalados en las llegadas, tA es independiente de tD.

tN : temporización asociada a los dispositivos de protección instalados en la resistencia de puesta a tierra del punto neutro, 

Figura 6: Protección contra defectos a tierra – caso de dos transformadores funcionando en paralelo.

POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:

http://www.mediafire.com/download/ha2f7g62fzdveyd/Ejecuci%C3%B3n_del_neutro_puesto_a_tierra_por_resistencia_de_limitaci%C3%B3n.pdf

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Hoja de cálculo del factor “K” de desclasificación por armónicos en Transformadores

Los transformadores utilizados específicamente para el confinamiento y control de los armónicos en una determinada zona de la instalación, no son transformadores convencionales, ya que estos sufrirían un calentamiento excesivo (mayores pérdidas), sufrirían un alto factor de desclasificación, y en el peor de los casos podrían llevar al transformador a su destrucción.

Estos transformadores se construyen con unos materiales y características especiales para este fin, ya que han de estar preparados para poder soportar en permanencia los efectos de los armónicos, con la misión de mantener unas prestaciones mínimas de calidad de tensión. Las principales características y soluciones adoptadas para este tipo de transformadores son:

-    Sobredimensionamiento de los conductores primarios para soportar las corrientes de circulación reflejadas de los armónicos “triplen”.

-   Las secciones del neutro y sus conexiones se dimensionan para una corriente doble de la de línea.

-   El núcleo está diseñado para una menor densidad de flujo. Se emplea menor cantidad de material, pero de mejor calidad, por ejemplo acero magnético M6.

-  Las pérdidas por corrientes de Foucault en los conductores de los transformadores se pueden reducir empleando varios conductores paralelos aislados entre sí. A veces se utilizan conductores de tipo fleje y otras técnicas de interpolación y transposición de conductores.

-     Tienen una capacidad térmica especial.

Por tales circunstancias, un transformador convencional no puede ni debe funcionar a su potencia nominal y debe o cambiarse por otro de mayor potencia o disminuirse la carga. El transformador se “desclasifica” asociándole una potencia equivalente.

La potencia equivalente de un transformador es la correspondiente a la sinusoidal que provoque las mismas pérdidas que las producidas con la corriente no sinusoidal aplicada. Esta potencia equivalente es igual a la potencia basada en el valor eficaz de la corriente no sinusoidal multiplicada por  el factor “K”.

Este factor “K” se define como aquel valor numérico que representa los posibles efectos de calentamiento de una carga no lineal sobre el transformador y está definido en las normas UNE EN 50541-2 y UNE EN 50464-3.

Para facilitar el cálculo del factor de desclasificación “K” se adjunta una hoja de cálculo en el cual solo se deberá introducir, haciendo doble clic en el centro de la página Word para que se transforme en Excel, los siguientes datos:

-       La intensidad correspondiente al rango de armónico en la columna B.  (medida realizada justo en la salida del secundario del transformador). 

-       La potencia del transformador en la casilla I6.

-       La tensión nominal de placa del transformador en la casilla I7.

Esto es todo, la hoja de cálculo proporciona el factor K en la casilla I11 y la potencia máxima exigible al transformador en la casilla I12, adicionalmente el software también facilita la tasa total de distorsión armónica THDi en la casilla I10 y su espectro armónico.

Link para acceder a la hoja de cálculo:

http://www.mediafire.com/view/poajdhh2kbjrt2t/Tasa_de_desclasificacion_armonica_(2).doc