Tipos de fallas en sistemas trifásicos.

Los tipos de fallas en una red de energía eléctrica dependen de la estructura de la red y del tratamiento de los puntos estrella de los transformadores que alimentan esta red de energía .

Estructura de red

Una red eléctrica en un sistema de suministro es una estructura de líneas conectadas galvánicamente con un cierto voltaje nominal . Una red se separa de otros niveles de voltaje mediante transformadores y las redes con el mismo voltaje nominal se separan mediante acoplamientos . Para la selección de la protección de red y su configuración, se hace una distinción esencialmente entre tres tipos de conexión de red.

La red de radiación es simple y clara. Las líneas se alejan radialmente del punto de alimentación (por ejemplo, generador ). Hay distribuciones claras de potencia real y potencia reactiva . La selectividad se logra mediante relés de protección mediante una simple clasificación de corriente y tiempo . Por otro lado, la confiabilidad del suministro es baja, ya que en caso de falla, todos los sistemas y consumidores detrás de esta falla se alteran. La constancia de voltaje es baja porque no hay ecualización del flujo de carga. Las redes de doble haz mejoran la fiabilidad del suministro a través de una segunda línea paralela entre las estaciones consideradas. El gasto en tecnología de protección debe incrementarse debido a la diferencia adicional en la dirección de las líneas paralelas.

La red en anillo aumenta considerablemente la fiabilidad del suministro. Dado que existe un equilibrio de carga en la red, la constancia de la tensión mejora. La selectividad suficiente se logra mediante la protección contra sobrecorriente.

La red de malla es una estructura de red formada por varias líneas de intersección que están conectadas entre sí en el punto de intersección. Allí están protegidos por fusibles. Los puntos de cruce se denominan nodos , el sistema cerrado entre los nodos se llama malla y cada sección de línea se llama malla . Las redes de malla se utilizan preferiblemente en redes de baja tensión. Ofrecen una seguridad de suministro ideal. Sin embargo, el desembolso económico que implica la creación de una red en malla es considerable. Hay dificultades para reconstruir el sistema de suministro después de una falla en la red. La red está protegida con relés de red de malla especiales para las alimentaciones y con fusibles para las líneas de malla.

Como redes malladas, se hace referencia a las redes históricamente desarrolladas que no pueden ser ni una red radial ni una red en anillo clasificarse y aún no formar una red en malla. Estas redes ofrecen la máxima seguridad de suministro. La constancia de voltaje es óptima, porque mediante la regulación transversal y longitudinal de los transformadores se puede lograr el flujo de potencia activa y reactiva deseado con pérdidas mínimas en la red. La selectividad solo se puede lograr con relés de protección de distancia . Las desventajas de estas redes son la protección de red relativamente cara y la alta potencia de cortocircuito , que aumenta con el grado de mallado.

Tratamiento de punto neutro

Solo ciertos tipos de errores requieren el apagado inmediato de la parte defectuosa del sistema o la red. Estos tipos de errores incluyen cortocircuitos y errores de tipo cortocircuito. El tratamiento del punto neutro de los transformadores que alimentan la red (puesta a tierra operativa ) es decisivo para los tipos de error . El tipo de tratamiento de punto neutro se especifica para la tecnología de protección. Todos los sistemas de protección deben seleccionarse y ajustarse en consecuencia.

  • Con la puesta a tierra rígida del punto neutro , todos los puntos neutros del transformador están directamente conectados a tierra. No hay ninguna resistencia conectada entre el punto estrella y el sistema de puesta a tierra. Esto es común, por ejemplo, en redes de baja tensión como el sistema TT y los sistemas TN .
  • Con la puesta a tierra del punto de estrella semirrígido , al menos un punto de estrella está directamente puesto a tierra. Sin embargo, no todos los demás puntos estelares están conectados a tierra.
  • La conexión a tierra del punto de estrella de baja resistencia es la conexión de una resistencia fija entre el punto de estrella y la tierra . En esta red, ningún punto estelar puede conectarse directamente a tierra. Con este tratamiento de punto neutro , una resistencia o reactancia determina la corriente de falla a tierra. Este tratamiento de punto neutro se denomina NOSPE y se suele utilizar en el nivel de tensión más alto en la red de transporte de 220 kV o 400 kV.
  • Sin una conexión a tierra de puntos de estrella , existe una red aislada en la que todos los puntos de estrella permanecen sin conexión a tierra, incluso si hay una conexión a tierra de alta resistencia a través de los puntos de estrella de los transformadores de tensión. En la zona de baja tensión, denominada red informática , en el caso de un área pequeña (redes industriales) también en la zona de media tensión.
  • La conexión a tierra del punto de estrella de resonancia o la red eliminada está presente cuando uno o más puntos de estrella están conectados a tierra a través de inductancias de inductancia de falla a tierra, la llamada bobina Petersen . El tamaño de los reactores de falla a tierra depende de la corriente capacitiva de falla a tierra de la red. El tratamiento de punto neutro de esta red compensada se denomina RESPE y se utiliza en redes de media tensión y a nivel de red de distribución de 110 kV.

Tipos de errores

  • Cortocircuito unipolar (falla a tierra)

Cortocircuito entre conductor y tierra con puesta a tierra efectiva en estrella. La corriente de cortocircuito fluye desde el conductor a través de la resistencia de arco y a través de tierra hasta el punto de estrella. Con esta relación de resistencia en el circuito de falla, aproximadamente el 75% del voltaje a tierra cae debido a la resistencia relativamente alta y los altos voltajes de paso y voltajes de contacto surgen en la ubicación de la falla .

  • Cortocircuito bipolar

Cortocircuito entre dos conductores en un sistema. Una corriente de cortocircuito fluye en ambos conductores afectados. El voltaje en el punto de falla es prácticamente cero, pero se acumula hacia el punto de alimentación. La impedancia en el punto de cortocircuito también es la más pequeña y aumenta hacia el punto de alimentación. El voltaje y la impedancia del bucle de falla no son lineales, ya que dependen de las resistencias en el punto de cortocircuito (por ejemplo, resistencia de arco). Además, cuando ocurre el cortocircuito, la energía eléctrica se extrae del punto de alimentación , por lo que la corriente de cortocircuito tampoco es un valor constante. El ángulo de cortocircuito, que representa el cambio de fase entre la corriente y el voltaje en el lugar de la falla o en el cortocircuito, es siempre inductivo. Esto significa que la corriente va por detrás del voltaje.

  • Cortocircuito tripolar

Cortocircuito entre tres conductores en un sistema. Esta falla representa el mayor estrés en las redes y dispositivos de conmutación. En su mayor parte, los cortocircuitos tripolares se inician por una falla a tierra unipolar o una falla a tierra , que se expande a un cortocircuito bipolar o tripolar debido a una migración del arco y un aumento de voltaje en los conductores sanos. También pueden producirse cortocircuitos multipolares con contacto a tierra. Estos procesos son asimétricos porque no todos los conductores se ven afectados por igual. En el caso de un cortocircuito tripolar sin contacto a tierra, corrientes de prácticamente el mismo tamaño fluyen en los tres conductores. Estos son impulsados ​​por los voltajes de estrella del punto de alimentación. El ángulo de cortocircuito también es inductivo aquí, la corriente va por detrás del voltaje.

  • Cortocircuito bipolar con contacto a tierra

Cortocircuito entre dos conductores y contacto a tierra de uno de estos conductores en redes con tratamiento de punto neutro ineficaz. Los efectos de la corriente corresponden aproximadamente a los de un cortocircuito bipolar sin contacto a tierra.

  • falla a tierra

Conexión conductiva de un conductor a tierra en redes con tratamiento de punto neutro ineficaz. Las fallas a tierra ponen en peligro los sistemas de ingeniería eléctrica en un alto grado, porque en la red conectada a tierra inductivamente ocurren aumentos de voltaje en los conductores no afectados por la falla a tierra, que a menudo se expanden a cortocircuitos de dos o tres polos. Además, pueden producirse sobretensiones en la red debido al aumento de tensión. Por lo tanto, en el caso de una falla a tierra, no es solo la corriente la causa de daño lo que interesa, sino sobre todo la frecuencia natural de la red y su división en inductancias y capacitancias. En la red compensada, existe un reactor de falla a tierra entre el punto estrella del transformador y tierra. Este tiene la función de compensar la corriente capacitiva de la línea en caso de falla a tierra mediante una corriente inductiva ajustable. Queda una corriente de falla a tierra residual, que es causada por las resistencias efectivas en el circuito. Además, la corriente residual a tierra depende del ajuste del reactor de falla a tierra, es decir, de la compensación excesiva o insuficiente de la red. Las fallas a tierra en una red con conexión a tierra inductiva pueden continuar funcionando durante un máximo de dos horas, dependiendo de la capacidad del reactor de falla a tierra. La detección de fallas a tierra se realiza a través del relé de falla a tierra .

  • Doble falla a tierra

Conexión conductiva de dos conductores (p. Ej., L1 y L2 y E) mediante impedancia de tierra. Esto significa la falla a tierra de dos conductores diferentes en diferentes ubicaciones en redes con puesta a tierra ineficaz del punto neutro. Una corriente de cortocircuito fluye dependiendo de la impedancia en los conductores afectados y la impedancia de tierra. La caída de voltaje entre los conductores depende de la impedancia de tierra entre las ubicaciones de las fallas.

  • Conexión del cuerpo (conexión a tierra)

Conexión conductiva de un punto en el devanado de una máquina eléctrica giratoria a tierra (carcasa). Fluye una corriente de falla a tierra que está limitada por el tipo de medida de protección utilizada para que no ocurra un incendio de hierro en la ruta de la corriente. Hay un aumento de la tensión conductor-tierra en los conductores no afectados.

  • Fallo a tierra del rotor

Conexión conductiva de un punto en el devanado del rotor de una máquina eléctrica giratoria a tierra. Este error no tiene efecto al principio, pero conlleva el riesgo de expansión de la falla a tierra doble del rotor.

  • Rotor doble falla a tierra

Conexión de dos puntos diferentes del devanado del rotor a tierra. Una parte del devanado del rotor está puenteada. Esto conduce a un debilitamiento asimétrico de la excitación del generador y, por lo tanto, a la caída o destrucción del generador.

  • Cortocircuito entre vueltas

Bridging giros dentro de un sinuoso. Como resultado, los voltajes de fase cambian así como los voltajes de fase a fase. Esto da como resultado una carga desequilibrada. Con los generadores, se crea un campo de rotación inverso en el rotor.

  • Bobinado corto

Conexión conductiva entre dos devanados diferentes de una máquina eléctrica. Se produce una corriente de cortocircuito parcial y una caída de tensión en los conductores afectados.

  • Conductor roto

Interrupción involuntaria de un conductor en el sistema trifásico. Este error da como resultado una interrupción en el suministro de energía y una falla de voltaje del conductor en cuestión. El sistema entra en carga desequilibrada.

  • sobrecarga

Un flujo de corriente en el equipo que está por encima del valor nominal se llama sobrecarga. Se produce un calentamiento inadmisible y una mayor caída de tensión. La sobrecarga prolongada del equipo puede provocar un envejecimiento prematuro del aislamiento .

  • Retorno de la turbina

Funcionamiento de un generador como motor después de una falla del motor primario (por ejemplo, una turbina ) sin una falla en la red. El efecto es la aparición de daños en la máquina de accionamiento (calentamiento inadmisible).

  • Potencia inversa

Retroalimente desde una red de bajo voltaje (red en malla) a una red de nivel superior. El transformador de alimentación está sobrecargado.

  • Sobretensión de frecuencia de funcionamiento

Aumento significativo de la tensión de funcionamiento por encima de la tensión nominal debido a errores en el sistema de control o deslastre de carga. Este error se produce en segundos y no tiene ningún efecto si el aislamiento se coordina correctamente. Esta sobretensión también incluye aumentos de tensión como resultado de las capacidades de línea en líneas de alta tensión descargadas, efecto Ferranti . Estos pueden exceder la tensión máxima de funcionamiento y poner en grave peligro el aislamiento. Como contramedidas, son posibles las reactancias de carga como inductancia adicional o los denominados circuitos de excitación (desconexión simultánea de ambos disyuntores en una línea).

  • Sobretensiones de conmutación y falla a tierra

Aumento de la tensión de funcionamiento en caso de fallas a tierra intermitentes o al conmutar inductancias grandes. Este error se produce en el rango de milisegundos y, dependiendo de la situación de la red, provoca vibraciones en la red. Estos pueden poner especialmente en peligro los convertidores de tensión . Por tanto, se habla de sobretensiones internas.

  • Oleadas atmosféricas

Los efectos de las tormentas eléctricas (sobretensiones de rayos) provocan ondas viajeras con un fuerte aumento de voltaje y grandes amplitudes . Estos eventos ocurren en el rango de microsegundos. Las ondas viajeras que emanan del lugar de origen provocan averías en el aislamiento. Esto se llama sobretensiones externas.

Asimetría en el sistema trifásico, que provoca sobrecarga térmica y vibraciones en máquinas eléctricas rotativas.

Caída de frecuencia inadmisible debido a sobrecarga de la red o uso insuficiente del generador.

  • Fallo de aceite

Deterioro de la calidad del aceite aislante como resultado de inclusiones de agua o aire o una disminución involuntaria del nivel de aceite en el equipo correspondiente (por ejemplo, transformador de aceite).

  • Columpios

Las oscilaciones se ven solo parcialmente como un error independiente. Más bien, son el resultado de cortocircuitos o grandes cambios de carga en determinadas situaciones de red. La oscilación es una perturbación en la estabilidad de la red. Ocurren en redes de varios lados con relativamente poco mallado. Las líneas de acoplamiento entre centrales eléctricas se ven particularmente afectadas. Las oscilaciones sincrónicas se atribuyen a fluctuaciones de carga. Las oscilaciones asincrónicas son causadas por cortocircuitos, lo que equivale al hecho de que las centrales eléctricas que abastecen a la central eléctrica no pueden apartarse del camino. Por tanto, la tecnología de protección debe diferenciar si los cortocircuitos se convierten en péndulos o los péndulos en cortocircuitos. En el primer caso la protección debe bloquearse temporalmente, en el segundo caso debe dispararse.

literatura

  • Lutz Hofmann: Suministro de energía eléctrica . 1ª edición. cinta 3 : Comportamiento del sistema y cálculo de sistemas trifásicos. Verlag De Gruyter Oldenbourg, 2019, ISBN 978-3-11-060824-3 .
  • H. Koettnitz, G. Winkler y K. Weßnigk: Fundamentos de los procesos operativos eléctricos en sistemas de energía eléctrica. VEB Editorial alemana para la industria básica, Leipzig.