En un sistema de energía eléctrica , una falla o corriente de falla es cualquier corriente eléctrica anormal . Por ejemplo, un cortocircuito es una falla en la que un cable con corriente toca un cable neutro o de tierra. Una falla de circuito abierto ocurre si un circuito se interrumpe por una falla de un cable que transporta corriente (fase o neutro) o un fusible o disyuntor quemado . En sistemas trifásicos , una falla puede involucrar una o más fases y tierra, o puede ocurrir solo entre fases. En una "falla a tierra" o "falla a tierra", la corriente fluye hacia la tierra. La posible corriente de cortocircuito de una falla predecible se puede calcular para la mayoría de las situaciones. En los sistemas de energía, los dispositivos de protección pueden detectar condiciones de falla y operar disyuntores y otros dispositivos para limitar la pérdida de servicio debido a una falla.
En un sistema polifásico , una falla puede afectar a todas las fases por igual, lo que es una "falta simétrica". Si sólo algunas fases se ven afectadas, el "fallo asimétrico" resultante resulta más complicado de analizar. El análisis de este tipo de fallas a menudo se simplifica mediante el uso de métodos como el de componentes simétricos .
El diseño de sistemas para detectar e interrumpir fallas en el sistema de energía es el principal objetivo de la protección del sistema de energía .
Una falla transitoria es una falla que ya no está presente si se desconecta la energía por un corto tiempo y luego se restablece; o un fallo de aislamiento que afecta sólo temporalmente a las propiedades dieléctricas de un dispositivo y que se restablecen al cabo de poco tiempo. Muchas fallas en las líneas eléctricas aéreas son de naturaleza transitoria. Cuando ocurre una falla, el equipo utilizado para la protección del sistema de energía opera para aislar el área de la falla. Entonces se solucionará una falla transitoria y la línea eléctrica podrá volver a ponerse en servicio. Ejemplos típicos de fallas transitorias incluyen:
Los sistemas de transmisión y distribución utilizan una función de recierre automático que se usa comúnmente en líneas aéreas para intentar restaurar la energía en caso de una falla transitoria. Esta funcionalidad no es tan común en los sistemas subterráneos ya que las fallas suelen ser de naturaleza persistente. Las fallas transitorias aún pueden causar daños tanto en el lugar de la falla original como en cualquier otro lugar de la red a medida que se genera la corriente de falla.
Una falla persistente está presente independientemente de la energía que se aplique. Las fallas en los cables eléctricos subterráneos suelen ser persistentes debido a daños mecánicos en el cable, pero a veces son de naturaleza transitoria debido a los rayos. [1]
Una falta asimétrica o desequilibrada no afecta por igual a cada una de las fases. Tipos comunes de falla asimétrica y sus causas:
Una falta simétrica o equilibrada afecta por igual a cada una de las fases. En las fallas de las líneas de transmisión, aproximadamente el 5% son simétricas. [3] Estas fallas son raras en comparación con las fallas asimétricas. Dos tipos de falla simétrica son línea a línea a línea (LLL) y línea a línea a línea a tierra (LLLG). Las fallas simétricas representan del 2 al 5% de todas las fallas del sistema. Sin embargo, pueden causar daños muy graves al equipo aunque el sistema permanezca equilibrado.
Un extremo es donde la falla tiene impedancia cero, lo que genera la máxima corriente de cortocircuito posible . Teóricamente, todos los conductores se consideran conectados a tierra como por un conductor metálico; esto se llama "falla atornillada". Sería inusual en un sistema de energía bien diseñado tener un cortocircuito metálico a tierra, pero tales fallas pueden ocurrir por accidente. En un tipo de protección de líneas de transmisión, se introduce deliberadamente una "falla atornillada" para acelerar el funcionamiento de los dispositivos de protección.
Una falla a tierra (falla a tierra) es cualquier falla que permite la conexión involuntaria de los conductores del circuito de potencia a tierra. [ cita necesaria ] Tales fallas pueden causar corrientes circulantes objetables o pueden energizar las carcasas de los equipos a un voltaje peligroso. Algunos sistemas especiales de distribución de energía pueden diseñarse para tolerar una única falla a tierra y continuar en funcionamiento. Los códigos de cableado pueden requerir que un dispositivo de monitoreo de aislamiento emita una alarma en tal caso, de modo que se pueda identificar y remediar la causa de la falla a tierra. Si se desarrolla una segunda falla a tierra en dicho sistema, puede resultar en sobrecorriente o falla de los componentes. Incluso en sistemas que normalmente están conectados a tierra para limitar las sobretensiones , algunas aplicaciones requieren un interruptor de falla a tierra o un dispositivo similar para detectar fallas a tierra.
De manera realista, la resistencia en una falla puede ser desde cercana a cero hasta bastante alta en relación con la resistencia de la carga. Se puede consumir una gran cantidad de energía en la falla, en comparación con el caso de impedancia cero donde la energía es cero. Además, los arcos son altamente no lineales, por lo que una resistencia simple no es un buen modelo. Es necesario considerar todos los casos posibles para un buen análisis. [4]
Cuando el voltaje del sistema es lo suficientemente alto, se puede formar un arco eléctrico entre los conductores del sistema de energía y tierra. Un arco de este tipo puede tener una impedancia relativamente alta (en comparación con los niveles operativos normales del sistema) y puede ser difícil de detectar mediante una simple protección contra sobrecorriente. Por ejemplo, un arco de varios cientos de amperios en un circuito que normalmente transporta mil amperios puede no activar los disyuntores de sobrecorriente, pero puede causar daños enormes a las barras colectoras o a los cables antes de que se convierta en un cortocircuito completo. Los sistemas de energía de servicios públicos, industriales y comerciales tienen dispositivos de protección adicionales para detectar corrientes relativamente pequeñas pero no deseadas que escapan a tierra. En el cableado residencial, las regulaciones eléctricas ahora pueden requerir interruptores de circuito contra fallas de arco en los circuitos de cableado de los edificios, para detectar pequeños arcos antes de que causen daños o un incendio. Estas medidas se toman, por ejemplo, en lugares donde hay agua corriente.
Las fallas simétricas se pueden analizar mediante los mismos métodos que cualquier otro fenómeno en los sistemas de energía y, de hecho, existen muchas herramientas de software para realizar este tipo de análisis de forma automática (consulte el estudio de flujo de energía ). Sin embargo, existe otro método que es igual de preciso y suele ser más instructivo.
Primero, se hacen algunas suposiciones simplificadoras. Se supone que todos los generadores eléctricos del sistema están en fase y funcionan al voltaje nominal del sistema. Los motores eléctricos también pueden considerarse generadores, porque cuando ocurre una falla, generalmente suministran energía en lugar de consumirla. Luego se calculan los voltajes y las corrientes para este caso base .
A continuación, se considera que la ubicación de la falla recibe alimentación de una fuente de voltaje negativo, igual al voltaje en esa ubicación en el caso base, mientras que todas las demás fuentes se establecen en cero. Este método hace uso del principio de superposición .
Para obtener un resultado más preciso, estos cálculos deben realizarse por separado para tres rangos de tiempo distintos:
Una falla asimétrica rompe los supuestos subyacentes utilizados en la energía trifásica, es decir, que la carga está equilibrada en las tres fases. En consecuencia, es imposible utilizar directamente herramientas como el diagrama unifilar , donde sólo se considera una fase. Sin embargo, debido a la linealidad de los sistemas de potencia, es habitual considerar las tensiones y corrientes resultantes como una superposición de componentes simétricas , a las que se les puede aplicar el análisis trifásico.
En el método de componentes simétricos, el sistema eléctrico se ve como una superposición de tres componentes:
Para determinar las corrientes resultantes de una falla asimétrica, primero se deben conocer las impedancias de secuencia cero, positiva y negativa por unidad de las líneas de transmisión, generadores y transformadores involucrados. Luego se construyen tres circuitos separados utilizando estas impedancias. Luego, los circuitos individuales se conectan entre sí en una disposición particular que depende del tipo de falla que se estudia (esto se puede encontrar en la mayoría de los libros de texto sobre sistemas de energía). Una vez que los circuitos de secuencia están conectados correctamente, la red se puede analizar utilizando técnicas clásicas de análisis de circuitos. La solución da como resultado voltajes y corrientes que existen como componentes simétricos; estos deben transformarse nuevamente en valores de fase utilizando la matriz A.
Se requiere un análisis de la posible corriente de cortocircuito para seleccionar dispositivos de protección como fusibles y disyuntores . Si un circuito debe protegerse adecuadamente, la corriente de falla debe ser lo suficientemente alta como para operar el dispositivo de protección en el menor tiempo posible; Además, el dispositivo de protección debe poder resistir la corriente de falla y extinguir cualquier arco resultante sin destruirse ni sostener el arco durante un período de tiempo significativo.
La magnitud de las corrientes de falla difiere ampliamente según el tipo de sistema de puesta a tierra utilizado, el tipo de suministro y sistema de puesta a tierra de la instalación y su proximidad al suministro. Por ejemplo, para un suministro doméstico de 230 V en el Reino Unido, 60 A TN-S o 120 V/240 V en EE. UU., las corrientes de falla pueden ser de unos pocos miles de amperios. Las grandes redes de bajo voltaje con múltiples fuentes pueden tener niveles de falla de 300.000 amperios. Un sistema puesto a tierra de alta resistencia puede restringir la corriente de falla de línea a tierra a solo 5 amperios. Antes de seleccionar los dispositivos de protección, se debe medir de manera confiable la posible corriente de falla en el origen de la instalación y en el punto más alejado de cada circuito, y esta información se debe aplicar adecuadamente a la aplicación de los circuitos.
Las líneas eléctricas aéreas son más fáciles de diagnosticar ya que el problema suele ser obvio; por ejemplo, un árbol ha caído sobre la línea o un poste de electricidad está roto y los conductores están tirados en el suelo.
La localización de fallas en un sistema de cable se puede realizar con el circuito desenergizado o, en algunos casos, con el circuito encendido. Las técnicas de localización de fallas se pueden dividir en términos generales en métodos terminales, que utilizan voltajes y corrientes medidas en los extremos del cable, y métodos de seguimiento, que requieren inspección a lo largo del cable. Se pueden utilizar métodos terminales para localizar el área general de la falla, para acelerar el rastreo en un cable largo o enterrado. [5]
En sistemas de cableado muy simples, la ubicación de la falla a menudo se encuentra mediante la inspección de los cables. En sistemas de cableado complejos (por ejemplo, cableado de aviones) donde los cables pueden estar ocultos, las fallas de cableado se localizan con un reflectómetro en el dominio del tiempo . [6] El reflectómetro en el dominio del tiempo envía un pulso a lo largo del cable y luego analiza el pulso reflejado que regresa para identificar fallas dentro del cable eléctrico.
En los históricos cables telegráficos submarinos se utilizaban galvanómetros sensibles para medir las corrientes de falla; Al realizar pruebas en ambos extremos de un cable defectuoso, se pudo aislar la ubicación de la falla dentro de unas pocas millas, lo que permitió agarrar y reparar el cable. El bucle Murray y el bucle Varley eran dos tipos de conexiones para localizar fallas en cables.
A veces, un fallo de aislamiento en un cable de alimentación no se manifiesta con tensiones más bajas. Un equipo de prueba "thumper" aplica un pulso de alta energía y alto voltaje al cable. La localización de la falla se realiza escuchando el sonido de la descarga en la falla. Si bien esta prueba contribuye al daño en el sitio del cable, es práctica porque, en cualquier caso, la ubicación con falla tendría que volver a aislarse cuando se encuentre. [7]
En un sistema de distribución puesto a tierra de alta resistencia, un alimentador puede desarrollar una falla a tierra pero el sistema continúa en operación. El alimentador en falla, pero energizado, se puede encontrar con un transformador de corriente tipo anillo que recoge todos los cables de fase del circuito; sólo el circuito que contiene una falla a tierra mostrará una corriente neta desequilibrada. Para que la corriente de falla a tierra sea más fácil de detectar, la resistencia de puesta a tierra del sistema se puede cambiar entre dos valores para que la corriente de falla pulse.
La posible corriente de falla de baterías más grandes, como las baterías de ciclo profundo utilizadas en sistemas de energía independientes , suele ser proporcionada por el fabricante.
En Australia, cuando no se proporciona esta información, la posible corriente de falla en amperios "debe considerarse 6 veces la capacidad nominal de la batería a la velocidad C 120 A·h", según AS 4086 parte 2 (Apéndice H).
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