Introducción a los fallos eléctricos

Las redes eléctricas, las máquinas y los equipos suelen estar sujetos a varios tipos de fallos mientras están en funcionamiento. Cuando se produce una avería, los valores característicos (como la impedancia) de las máquinas pueden cambiar de los valores existentes a otros diferentes hasta que se solucione la avería.

Puede haber muchas probabilidades de que aparezcan averías en la red del sistema eléctrico, incluyendo el alumbrado, el viento, la caída de árboles en las líneas, el fallo de los aparatos, etc.

Fallas eléctricas

Una falla en un sistema de energía eléctrica puede definirse como , cualquier condición anormal del sistema que implique la falla eléctrica de los equipos, tales como , transformadores, generadores, barras de distribución, etc.

El inicio de la falla también involucra fallas en el aislamiento y fallas en la ruta de conducción que resultan en cortocircuito y circuito abierto de los conductores.

En condiciones normales o de operación segura, los equipos eléctricos en una red de sistema de energía operan a voltaje y corriente normales. Una vez que se produce el fallo en un circuito o dispositivo, los valores de tensión y corriente se desvían de sus rangos nominales.

Los fallos en la red eléctrica provocan sobrecorriente, subtensión, desequilibrio de las fases, potencia invertida y sobretensiones. Esto provoca la interrupción del funcionamiento normal de la red, fallos en los equipos, incendios eléctricos, etc.

Por lo general, las redes de sistemas de energía están protegidas con equipos de protección de interruptores, como disyuntores y relés, para limitar la pérdida de servicio debido a los fallos eléctricos.

Tipos de fallos

Los fallos eléctricos en el sistema de energía trifásico se clasifican principalmente en dos tipos, a saber, fallos de circuito abierto y de cortocircuito. Además, estos fallos pueden ser simétricos o asimétricos. Analicemos estas fallas en detalle.

Fallas de circuito abierto

Estas fallas ocurren debido a la falla de uno o más conductores. La figura siguiente ilustra los fallos de circuito abierto para una, dos y tres fases (o conductores) en condición de abierto.

Las causas más comunes de estos fallos incluyen fallos de unión de cables y líneas aéreas, y el fallo de una o más fases del disyuntor y también debido a la fusión de un fusible o conductor en una o más fases.

Los fallos de circuito abierto también se denominan fallos en serie. Son fallos de tipo asimétrico o desequilibrado, excepto los fallos abiertos trifásicos.

Considere que una línea de transmisión está trabajando con una carga equilibrada antes de que se produzca un fallo de circuito abierto. Si una de las fases se funde, la carga real del alternador se reduce y esto hace que aumente la aceleración del alternador, con lo que éste funciona a una velocidad ligeramente superior a la de sincronización. Esta sobrevelocidad provoca sobretensiones en otras líneas de transmisión.

Por lo tanto, las condiciones de apertura monofásica y bifásica pueden producir el desequilibrio de las tensiones y corrientes del sistema eléctrico que provoca grandes daños en los equipos.

Causas

Ruptura del conductor y mal funcionamiento del disyuntor en una o más fases.

Efectos

• Funcionamiento anormal del sistema
• Peligro para el personal y los animales
• Exceso de tensiones por encima de los valores normales en determinadas partes de la red, lo que provoca además fallos de aislamiento y desarrollo de fallos de cortocircuito.

Aunque los fallos de circuito abierto pueden tolerarse durante más tiempo que los de cortocircuito, éstos deben eliminarse lo antes posible para reducir los daños mayores.

Fallas de cortocircuito

Un cortocircuito puede definirse como una conexión anormal de muy baja impedancia entre dos puntos de diferente potencial, ya sea hecha intencional o accidentalmente.

Son el tipo más común y severo de fallas, resultando en el flujo de altas corrientes anormales a través de los equipos o líneas de transmisión. Si se permite que estos fallos persistan, incluso durante un breve período, se producen grandes daños en el equipo.

Los fallos de cortocircuito también se denominan fallos de derivación. Estas faltas se producen debido al fallo de aislamiento entre los conductores de fase o entre la tierra y los conductores de fase o ambos.

Las distintas condiciones posibles de falta de cortocircuito incluyen la falta de tres fases a tierra, la falta de tres fases a tierra, la falta de fase a fase, la falta de una fase a tierra, la falta de dos fases a tierra y la falta de una fase a tierra, como se muestra en la figura.

La falta de tres fases a tierra y la falta de tres fases a tierra son faltas de cortocircuito equilibradas o simétricas, mientras que las demás faltas son faltas asimétricas.

Causas

Pueden deberse a efectos internos o externos

• Entre los efectos internos se encuentran la avería de las líneas o equipos de transmisión, el envejecimiento del aislamiento, el deterioro del aislamiento en el generador, el transformador y otros equipos eléctricos, las instalaciones incorrectas y el diseño inadecuado.
• Entre los efectos externos se encuentran la sobrecarga de los equipos, el fallo del aislamiento debido a las sobretensiones de iluminación y los daños mecánicos por parte del público.

Efectos

• Los fallos de arco pueden provocar incendios y explosiones en equipos como transformadores y disyuntores.
• Las corrientes anormales provocan el sobrecalentamiento de los equipos, lo que a su vez conduce a la reducción de la vida útil de su aislamiento.
• Las tensiones de funcionamiento del sistema pueden estar por debajo o por encima de sus valores de aceptación, lo que crea un efecto perjudicial para el servicio prestado por el sistema eléctrico.
• El flujo de energía se ve severamente restringido o incluso completamente bloqueado mientras persiste el fallo de cortocircuito.

Fallas simétricas y asimétricas

Como se ha comentado anteriormente que las fallas se clasifican principalmente en fallas de circuito abierto y de cortocircuito y de nuevo estas pueden ser simétricas o asimétricas.

Fallas simétricas

Una falla simétrica da lugar a corrientes de falla simétricas que están desplazadas entre sí. La falta simétrica también se denomina falta equilibrada. Esta falta se produce cuando las tres fases se cortocircuitan simultáneamente.

Estas faltas rara vez se producen en la práctica en comparación con las faltas asimétricas. Los dos tipos de fallos simétricos incluyen línea a línea a línea (L-L-L) y línea a línea a tierra (L-L-L-G) como se muestra en la figura siguiente.

Una ocurrencia aproximada de fallos simétricos está en el rango del 2 al 5% de los fallos totales del sistema. Sin embargo, si estas fallas ocurren, causan un daño muy severo a los equipos aunque el sistema permanezca en condiciones de equilibrio.

El análisis de estas fallas es necesario para seleccionar la capacidad de ruptura de los disyuntores, elegir los relés de fase de ajuste y otros equipos de protección. Estas faltas se analizan por fase utilizando la matriz de impedancia del bus o el teorema de Thevenins.

Faltas asimétricas

Las faltas más comunes que se producen en la red del sistema eléctrico son las faltas asimétricas. Este tipo de falla da lugar a corrientes de falla asimétricas (que tienen diferentes magnitudes con desplazamiento de fase desigual). Estas faltas también se denominan faltas desequilibradas, ya que provocan corrientes desequilibradas en el sistema.

De acuerdo con la discusión anterior, las faltas asimétricas incluyen tanto las faltas de circuito abierto (condición de apertura monofásica y bifásica) como las faltas de cortocircuito (excluyendo L-L-L-G y L-L-L).

La figura siguiente muestra los tres tipos de faltas simétricas que se producen debido a las condiciones de cortocircuito, a saber, la falta de fase o línea a tierra (L-G), la falta de fase a fase (L-L) y la falta doble de línea a tierra (L-L-G).

Una sola falta de línea a tierra (LG) es una de las faltas más comunes y las experiencias muestran que el 70-80 por ciento de las faltas que se producen en el sistema de energía son de este tipo. Se forma un camino de cortocircuito entre la línea y la tierra. Se trata de fallos menos graves en comparación con otros fallos.

Un fallo de línea a línea se produce cuando un conductor vivo entra en contacto con otro conductor vivo. Los vientos fuertes son la causa principal de esta falla durante la cual el balanceo de los conductores aéreos puede tocarse. Se trata de fallos menos graves y su frecuencia puede oscilar entre el 15 y el 20%.

En los fallos de doble línea a tierra, dos líneas entran en contacto entre sí y con la tierra. Se trata de faltas graves y su frecuencia es de aproximadamente el 10% en comparación con el total de faltas del sistema.

Las faltas asimétricas se analizan utilizando métodos de componentes asimétricos para determinar la tensión y las corrientes en todas las partes del sistema. El análisis de estas faltas es más difícil en comparación con las faltas simétricas.

Este análisis es necesario para determinar el tamaño de un disyuntor para la mayor corriente de cortocircuito. La mayor corriente suele producirse para las faltas L-G o L-L.

Dispositivos de protección contra faltas

Cuando la falta se produce en cualquier parte del sistema, debe despejarse en un período muy corto para evitar mayores daños a los equipos y al personal y también para evitar la interrupción de la energía a los clientes.

El sistema de eliminación de fallos utiliza varios dispositivos de protección, como relés y disyuntores, para detectar y eliminar el fallo.
A continuación se indican algunos de estos dispositivos de eliminación o limitación de fallos.

Fusible

Abre el circuito cuando existe un fallo en el sistema. Está formado por un fino hilo de cobre encerrado en una carcasa de vidrio o de dos contactos metálicos. La alta corriente de fallo aumenta la temperatura del cable y, por lo tanto, se funde. Un fusible requiere la sustitución manual del cable cada vez que se funde.

Fusible

Interruptor automático

Es el dispositivo de protección más común que puede abrir o cerrar el circuito, ya sea manualmente o a través de un control remoto, en condiciones normales de funcionamiento.

Hay varios tipos de interruptores disponibles en función de la tensión de funcionamiento, incluidos los interruptores de freno de aire, aceite, vacío y SF6. Para obtener más información sobre los disyuntores, siga el enlace adjunto.

Lea :Diferentes tipos de disyuntores

Relés de protección

Son los dispositivos de detección de fallos. Estos dispositivos detectan el fallo e inician el funcionamiento del disyuntor para aislar el circuito defectuoso. Un relé consta de una bobina magnética y contactos (NC y NO). La corriente de falla energiza la bobina y esto hace que se produzca el campo, con lo cual los contactos se accionan.

Algunos de los tipos de relés de protección son

• Relés de magnitud
• Relés de impedancia
• Relés direccionales
• Relés piloto
• Relés diferenciales

Leer :Clasificación de los relés

Pararrayos

Las sobretensiones en la red del sistema eléctrico se producen cuando los rayos caen sobre las líneas de transmisión y los equipos. Esto provoca altas tensiones y corrientes en el sistema. Estos fallos de iluminación se reducen mediante la colocación de descargadores de iluminación en los equipos de transmisión.

Contribuidores de imágenes:

1)Fallos eléctricos: forschung-stromnetze.info

2)Fusible : hayley-group.co.uk

3)Interruptor automático : oez.com

4)Relés: epub1.rockwellautomation.com