¿Qué es un fallo a tierra?
Definición
Un fallo a tierra es una conexión conductora de electricidad no intencionada entre un conductor eléctrico y tierra o partes conectadas a tierra. Si este fallo se produce en una red con un punto neutro rígidamente conectado a tierra, también se denomina fallo a tierra con cortocircuito a tierra, lo que suele provocar la desconexión inmediata de la red.
En las redes con punto neutro aislado y en las redes compensadas, no hay corriente de cortocircuito; la corriente de defecto viene determinada por la capacitancia conductor-tierra de la red y, en la red compensada, por el grado de compensación. En caso de defecto a tierra en redes de media tensión o de alta tensión con compensación de defecto a tierra, la red puede seguir funcionando.
Los sistemas con un punto neutro aislado sólo pueden seguir funcionando en casos excepcionales con un tamaño de sistema pequeño (corriente de defecto a tierra capacitiva pequeña) en caso de defecto. Si las faltas a tierra se producen simultáneamente en varios puntos del sistema, se produce una doble falta a tierra o una falta a tierra múltiple, que puede provocar elevadas corrientes de cortocircuito incluso en sistemas aislados y compensados.
¿Qué ocurre durante un fallo a tierra?
A continuación se muestra el comportamiento de las tensiones fase-tierra en caso de defecto a tierra en el sistema aislado y compensado:
- Triángulo de tensión simétrico en una red sana
- Proceso de descarga de la fase defectuosa: La tensión entre fase y tierra del conductor de la fase afectada (aquí U1E) se desploma; en el caso de una falta a tierra completa, U1E alcanza el valor cero.
- Proceso de carga de las fases sanas: Las tensiones fase-tierra de las fases sanas aumentan en el factor √3 hasta el valor de las tensiones entrelazadas, la tensión homopolar UNE (suma vectorial de las tres tensiones L-E Une = UL1+UL2+UL2) aumenta desde el valor de funcionamiento (en la «red ideal» 0 V, en realidad unos pocos voltios) hasta un valor superior (corresponde como máximo al valor de la tensión fase-tierra en el caso de una falta a tierra saturada)
- Estado de falta a tierra estacionaria (sólo con una falta a tierra permanente): Las capacitancias fase-tierra CLE de los dos conductores sin falta se recargan continuamente. Las tensiones de las fases sanas permanecen en el valor aumentado (en el valor de falta a tierra saturado de las tensiones interconectadas) mientras persista la falta a tierra. La tensión homopolar también conserva su valor aumentado.
Proceso de carga y descarga con fallo a tierra
Los procesos de carga y descarga son procesos transitorios de corta duración. Una vez finalizado este proceso transitorio de alta frecuencia, que se suele denominar «wiper de falta a tierra», en el caso de una falta a tierra estacionaria en la red aislada fluye la corriente de falta a tierra capacitiva ICE en el lugar de la falta, que está formada por la suma de todas las capacitancias conductor-tierra de la red y, por lo tanto, está correlacionada, entre otras cosas, con el tamaño de la red. Independientemente de la localización de la falta, IF = ICE se aplica a la corriente de falta en el sistema aislado en caso de una falta a tierra saturada. Los flujos de corriente en el sistema aislado se explican mediante el siguiente ejemplo.
Causas y ejemplos de fallos a tierra
Un fallo a tierra puede tener muchas causas
- líneas de alta tensión combadas si la línea toca la superficie del suelo u objetos en el suelo.
- Aislamientos envejecidos o dañados.
- aisladores sucios
- objetos extraños como árboles, ramas o pájaros en las líneas aéreas
Cómo se produce una falta a tierra / Ejemplos de faltas a tierra
- Las sobretensiones en una red eléctrica pueden dañar el aislamiento y provocar un fallo a tierra
- Fatiga o desgaste del material estacionario, que provoca daños en el aislamiento. Si se daña el aislamiento (dieléctrico) de los cables, también suelen producirse fallos de reencendido
- Cortocircuitos a tierra en líneas aéreas, por ejemplo, debido al contacto con árboles
- Contacto con tierra en líneas aéreas
¿En qué situaciones/en qué lugares se producen fallos a tierra con especial frecuencia?
- Obras de construcción: En las obras suele aumentar la probabilidad de que se produzcan daños mecánicos en cables e hilos, lo que puede provocar fallos a tierra.
- Infraestructuras antiguas o descuidadas: en instalaciones eléctricas y redes de suministro anticuadas o mal mantenidas, aumenta el riesgo de fallos de aislamiento y otros problemas que pueden provocar fallos a tierra.
- Zonas con líneas de alta tensión colgantes: El contacto entre una línea de alta tensión y la superficie del suelo u objetos en el suelo da lugar a una falta a tierra.
- Cableado subterráneo: En situaciones en las que los cables eléctricos están enterrados, existe un mayor riesgo de fallos a tierra debido al movimiento del suelo, la corrosión y la humedad.
- Zonas residenciales: Las faltas a tierra pueden producirse en zonas residenciales, especialmente si la infraestructura eléctrica está anticuada o hay problemas con el cableado. Las líneas de alta y media tensión de las zonas residenciales también pueden provocar faltas a tierra si están dañadas o se comban.
- Instalaciones industriales: En entornos industriales, como fábricas e instalaciones de producción, hay un mayor riesgo de fallos a tierra debido a los complejos sistemas eléctricos y a la elevada carga eléctrica.
Consecuencias y problemas de las faltas a tierra
Las faltas a tierra plantean los siguientes problemas o peligros
- Si la red no dispone de compensación de derivaciones a tierra, en el punto de la derivación a tierra fluyen elevadas corrientes eléctricas en el suelo que pueden provocar elevadas tensiones de paso y tensiones de contacto que ponen en peligro la vida de personas y animales. Si no se respetan las tensiones de paso y contacto permitidas en caso de fallo a tierra (en una instalación con puesta a tierra rígida y, por lo general, también en una instalación aislada), la instalación debe desconectarse inmediatamente.
- El fallo a tierra puede provocar chispas y arcos y, por tanto, incendios.
- Las redes sin compensación de derivación a tierra deben desconectarse en caso de derivación a tierra y se produce un corte del suministro eléctrico.
- En un sistema aislado y compensado, las tensiones de los conductores sanos aumentan en caso de fallo a tierra, lo que supone una tensión adicional para el aislamiento. Por ello, las redes de muy alta tensión funcionan con una puesta a tierra rígida, ya que el esfuerzo adicional de aislamiento no resultaría económico.
Anulación/compensación del fallo a tierra
Las bobinas de Petersen se utilizan en redes de media y alta tensión para que, en caso de defecto a tierra unipolar, la corriente capacitiva a través del punto de defecto se compense con una corriente inductiva de aproximadamente la misma magnitud pero en sentido contrario. Para ello, la bobina debe ajustarse a una resistencia inductiva XL en el estado sano de la red, que corresponde aproximadamente a la resistencia capacitiva XC de la red.
La compensación de defecto a tierra en el sistema trifásico se muestra en el siguiente ejemplo análogo al ejemplo para el sistema aislado. Con la compensación completa por la bobina de compensación, la corriente capacitiva de defecto a tierra Ice se compensa totalmente y, en caso de defecto a tierra, la corriente en el lugar del defecto pasa a ser IF=0.
Las redes reales no suelen estar totalmente compensadas, sino que suelen funcionar ligeramente sobrecompensadas, ya que la tensión homopolar alcanza su valor máximo cuando está totalmente compensada (en el punto de resonancia) y, por tanto, una de las tensiones conductoras también asume el valor más excesivo.
El grado de sobrecompensación o subcompensación se indica mediante el denominado factor de desintonización v.
v = (IL – IC) / IL
El punto de resonancia y, por tanto, el punto de sintonización ideal de la bobina de supresión de derivaciones a tierra cambia en las redes reales, ya que la capacitancia de la red cambia debido a la conmutación. El control automático de la bobina es importante para garantizar que siempre esté sintonizada de la forma más adecuada posible para el estado actual de la red. Esto puede hacerse con el regulador de bobina de compensación REG-DP de A. Eberle. El REG-DP calcula la compensación correcta de las derivaciones a tierra de forma automática y continua midiendo la curva de resonancia.
Localización del fallo a tierra
Aunque es posible continuar el funcionamiento de la red en las fases compensadas, la falta a tierra sigue suponiendo una carga adicional para la red al aumentar las tensiones de las fases sanas. Por lo tanto, es necesario detectar y localizar las faltas a tierra de forma rápida y fiable.
Existen diversos algoritmos de localización para detectar y localizar la falta a tierra, dependiendo de las condiciones marco respectivas.
Con el fin de aprovechar de forma óptima las ventajas de los distintos métodos de localización de faltas a tierra para las diferentes situaciones de falta a tierra, tipos de red y condiciones de medición, se implementan diversos métodos en los indicadores de falta a tierra y dispositivos de localización de faltas a tierra de A. Eberle:
- Método qui (método qu2)
- Método Qui para fallos intermitentes / reencendido qui
- Método de la corriente reactiva / método sin(phi)
- Método vatimétrico / método cos(phi) (con o sin aumento de la corriente residual)
- Método de armónicos
- Localización de impulsos
Diferenciación de nuestros dispositivos de localización según el método de localización
La siguiente tabla muestra un resumen de los dispositivos de localización de A. Eberle y los métodos implementados en cada caso para la localización de averías a tierra. Los indicadores combinados de cortocircuito y derivación a tierra EOR-3DS y EOR-1DS disponen de una función de detección de cortocircuitos para la visualización y señalización de cortocircuitos, además de las funciones de localización de derivaciones a tierra.
Otra característica importante de los dispositivos de localización de A. Eberle es su alto grado de flexibilidad y adaptabilidad a diferentes ámbitos de aplicación. Los dispositivos están diseñados para que puedan utilizarse en diversos entornos industriales, ya sea en la generación de energía, la distribución o la automatización industrial. Además, ofrecen funciones de diagnóstico avanzadas que permiten supervisar y analizar con precisión las redes eléctricas. Esta versatilidad convierte a los productos de A. Eberle en la opción preferida de las empresas que buscan soluciones de localización fiables y potentes para sus instalaciones eléctricas.
Diferenciación de nuestros dispositivos de localización según sus características principales
Aquí se presentan claramente las principales características de los distintos dispositivos de localización de A. Eberle:
EOR-D
- Amplia funcionalidad de localización
- Monitorización de hasta 4 tomas con un dispositivo (hasta 16 tomas por subbastidor)
- Combinable con otros dispositivos A. Eberle en subracks de 19″:
- REG-D – regulador de tensión para transformadores de tomas
- REG-DP – regulador de libre programación para bobinas Petersen
- PQI-D – Power Quality Interface para redes de baja, media y alta tensión
EOR-1DS
- Variante económica con los siguientes métodos de localización:
- método qu2 wiper
- localización por impulsos
- Detección adicional de cortocircuitos
- Manejo y parametrización sencillos sin software
- Conexión Modbus RTU integrada
EOR-3DS
- Amplia funcionalidad de localización de fallos en tierra (algoritmos como EOR-D)
- Métodos de localización adicionales para el EOR-1DS, tales como
- Método qui para reencendido de fallas
- Método de armónicos
- Amplia funcionalidad para la subestación local inteligente (SCADA, seguridad, conmutación)
- Puede utilizarse como unidad de digitalización para subestaciones locales
Localización precisa de las faltas a tierra y análisis exhaustivo de la red
Los análisis de los métodos proporcionan información direccional para cada línea supervisada (defecto hacia delante/circuito de salida defectuoso o hacia atrás/circuito de salida sin defecto). Es posible localizar y ubicar la falta a tierra desde todas las pantallas (véase el ejemplo). Cuantos más dispositivos de localización estén distribuidos por la red, más precisa será la localización de la avería.
Los avanzados dispositivos de localización de A. Eberle no sólo proporcionan información direccional precisa de las averías detectadas, sino que también permiten un análisis y una supervisión exhaustivos de toda la red eléctrica. Gracias a la integración de las últimas tecnologías de sensores y algoritmos, estos dispositivos permiten el registro y la evaluación continuos de los parámetros de la red. Esto mejora el rendimiento en la detección de averías y permite prevenirlas de forma proactiva. Además, los dispositivos de localización también pueden almacenar datos históricos e identificar tendencias para apoyar el análisis y la optimización de la red a largo plazo. Como resultado, los productos de A. Eberle no sólo proporcionan una localización fiable de las faltas a tierra, sino que también contribuyen a la eficiencia y fiabilidad de toda la red eléctrica.
Método de localización de la falta a tierra
A continuación se describen brevemente los distintos métodos de localización de la falta a tierra:
Proceso de limpieza
- Umbral de respuesta de la tensión homopolar Uen ajustable
- Evaluación del proceso transitorio al inicio de la falta a tierra
- Detección extremadamente fiable gracias a la evaluación integradora (método qu2)
- Funciona tanto en sistemas compensados como aislados
- a diferencia de los «métodos estacionarios», se pueden detectar todas las faltas a tierra (incluidos los cortacircuitos a tierra)
Procedimiento Qui
- Ampliación del método qu2 para reconocer fallos de reencendido específicos y separados
- Metodología del método qu2 aplicada a una ventana de observación deslizante y observación del número de reencendido
Método de la corriente reactiva / método sin(φ)
- Umbral de respuesta de la tensión homopolar Uen ajustable
- Aplicable en un sistema aislado
- Se analiza el ángulo entre la tensión homopolar y la corriente homopolar. En el sistema aislado, puede deducirse fácilmente si el circuito de salida supervisado es defectuoso (I0 y U0 se comportan inductivamente) o no (I0 y U0 se comportan capacitivamente).
Método wattmétrico (con o sin aumento de la corriente residual en vatios)
- Evaluación de la corriente residual en vatios, que sigue circulando por el lugar de la avería incluso en la red totalmente compensada.
- Medición precisa necesaria para determinar el ángulo entre I0 y U0 a fin de determinar correctamente la corriente residual en vatios.
- Posibilidad de tener en cuenta los fallos del transformador mediante parametrización
- Umbral de respuesta de la tensión homopolar Uen ajustable, umbral de respuesta de la corriente residual de vatios ajustable por circuito de salida
- La corriente de vataje residual puede aumentarse incrementando la corriente de vataje residual (resistencia paralela a la bobina de compensación) para simplificar la determinación correcta del sentido de la corriente vatométrica
Método de los armónicos
- Umbral de respuesta de la tensión homopolar Uen ajustable
- Aplicación del principio del método de la corriente reactiva para redes compensadas mediante el uso de frecuencias más altas (por ejemplo, 250 Hz)
- en el EOR-D, también es posible el método de armónicos con comparación de los valores de corriente de varios alimentadores (evaluación comparativa). En caso contrario
- Es posible elegir entre diferentes armónicos (p. ej. 5º – 250 Hz). También se puede parametrizar una frecuencia armónica libre
Localización de impulsos
- Mediante la conmutación cíclica de un condensador o un inductor en paralelo a la bobina de compensación, se genera un patrón de impulsos en caso de fallo a tierra, que es reconocido por el dispositivo de localización.
- es posible una «localización profunda» hasta el lugar de la avería
- opcionalmente se puede parametrizar un umbral para la tensión homopolar Uen
- con nuestro indicador de averías EOR-1DS, además de la cantidad de corriente, se analiza el cambio de ángulo provocado por la pulsación, por lo que ya no es necesario mantener un grado de compensación específico para detectar correctamente el patrón de pulsos
Ventajas del control de derivaciones a tierra
con los indicadores combinados de cortocircuito y falta a tierra de A. Eberle
Welche Vorteile sind durch konstante Erdschlussüberwachung gegeben?
Con nuestros indicadores de cortocircuito y fallo a tierra es posible realizar un seguimiento constante de los fallos a tierra:
La vigilancia constante de los fallos a tierra en los sistemas eléctricos y las redes eléctricas ofrece varias ventajas, entre ellas
- Prevención de cortes: La identificación a tiempo de los fallos a tierra y su rectificación ayuda a prevenir o minimizar los cortes de suministro eléctrico, garantizando la continuidad de las operaciones en las plantas industriales y el suministro a los consumidores en las redes eléctricas públicas.
- Reducción de los tiempos de inactividad: La rápida eliminación de las faltas a tierra gracias a la monitorización continua se traduce en tiempos de inactividad más cortos, lo que aumenta la productividad y la eficiencia en diversas áreas de aplicación.
- Ahorro de costes: Al prevenir daños importantes y fallos de alimentación, pueden evitarse importantes costes de reparación y pérdidas económicas.
- Planificación del mantenimiento: La vigilancia de las derivaciones a tierra ayuda a planificar los trabajos de mantenimiento, ya que supervisa continuamente el estado de los sistemas eléctricos y puede predecir cuándo es necesario realizar tareas de mantenimiento.
- Cumplimiento de la normativa de seguridad: la compensación de las derivaciones a tierra para reducir las corrientes residuales y las tensiones de contacto admisibles, así como la vigilancia continua de las derivaciones a tierra, suelen ser la solución óptima para cumplir la normativa de seguridad aplicable junto con un modo de funcionamiento económico, especialmente en la gama de media tensión.
- Análisis de datos: la supervisión continua permite recopilar numerosos datos sobre el estado del sistema eléctrico. Estos datos pueden utilizarse para analizar y optimizar el funcionamiento.
- En general, la vigilancia constante de las derivaciones a tierra contribuye a aumentar la fiabilidad y seguridad de los sistemas eléctricos, minimizar los fallos y aumentar la eficacia operativa. Esto es especialmente importante en aplicaciones críticas y en entornos en los que la seguridad humana y el impacto ambiental son de vital importancia.
Worauf kommt es bei Erdschlussüberwachung an?
¿Qué es importante para la vigilancia de las derivaciones a tierra?
Capacidad de detección: El sistema de vigilancia de faltas a tierra debe ser capaz de detectar y notificar las faltas a tierra de forma fiable. Los dispositivos de A. Eberle disponen de diversos algoritmos de localización (véase más arriba), que pueden combinarse según las necesidades. De este modo, siempre se dispone de una solución adecuada y fiable para las distintas aplicaciones (tipo de red, precisión de medición disponible, filosofía de funcionamiento).
Rapidez de detección: los dispositivos de supervisión deben detectar y notificar los fallos con rapidez para permitir una respuesta rápida y la subsanación del fallo antes de que se produzcan daños mayores. El método wiper con el que trabajan nuestros dispositivos detecta el fallo en unos 100 ms, los métodos de localización estacionaria evalúan la dirección del fallo en aproximadamente un segundo, y con la localización por impulsos depende de la duración del patrón de impulsos establecido. Esto significa que las faltas a tierra se detectan muy rápidamente y que la localización puede comenzar de inmediato (aunque la detección de faltas a tierra no sea tan crítica en cuanto al tiempo como, por ejemplo, la desconexión de cortocircuitos mediante dispositivos de protección).
Capacidad de localización: el sistema debe ser capaz de localizar el punto exacto de la falta a tierra o de la corriente de fuga para facilitar la localización y la reparación. Por ello, todos nuestros procedimientos proporcionan un mensaje de localización direccional
Alarmas: El sistema debe poder activar alarmas para informar al personal de explotación o a las autoridades competentes de la presencia de un defecto a tierra. Estas alarmas pueden ser visuales, sonoras o a través de redes y sistemas de comunicación. Por lo tanto, dispone de una amplia gama de opciones para la conexión a sistemas de control (salidas binarias para todos los indicadores de averías de A. Eberle, Modbus para EOR-1DS, EOR-3DS y EOR-D (varios protocolos comunes de tecnología de control).
Registro de datos: Los dispositivos de vigilancia deben registrar y almacenar datos sobre las faltas a tierra y las corrientes de fuga detectadas para permitir su posterior análisis y trazado. Por lo tanto, todos los dispositivos de localización de A. Eberle registran libros de registro y registros de fallos para que los fallos puedan analizarse retrospectivamente.
Mantenimiento y diagnóstico: El sistema debe disponer de funciones de autodiagnóstico y autocomprobación para garantizar que funciona correctamente e informar de las necesidades de mantenimiento. Los dispositivos de seguimiento de A. Eberle disponen de supervisión activa del estado y notificación en caso de avería, así como de entradas en el libro de registro y actualizaciones periódicas del software.
Integración en el sistema global: el control de las derivaciones a tierra debe integrarse perfectamente en el sistema eléctrico global para permitir una supervisión y un control eficaces. Por ello, nuestros indicadores de cortocircuito y fallo a tierra están disponibles en varios diseños de hardware.
Supervisión remota: En algunos casos, es conveniente poder supervisar el equipo de supervisión de forma remota para poder reaccionar ante los fallos aunque el personal de operación no se encuentre in situ. Con nuestro indicador de averías estrella, el nuevo EOR-3DS, es posible el acceso remoto «Gestión y operaciones» a través de MQTT. Con el EOR-D clásico, el acceso remoto es posible a través de un servidor COM.
Escalabilidad: En función del tamaño y la complejidad de la red, el sistema de vigilancia de faltas a tierra debe ser escalable para poder satisfacer los requisitos. Con el nuevo EOR-3DS, las actualizaciones masivas y la gestión automatizada en grupos de dispositivos son posibles utilizando MQTT para «Gestión y Operaciones». El dispositivo es capaz de escalarse en grandes cantidades y de funcionar de forma remota en la red.
Evaluación de datos y generación de informes: los datos recopilados deben analizarse y generar informes para identificar tendencias y patrones y contribuir a la optimización de las operaciones. Por lo tanto, EOR-1DS y especialmente EOR-3DS proporcionan una variedad de valores medidos (también MQTT & IoT), que garantizan la transparencia y la seguridad en su red.
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