falla eléctrica

En un sistema eléctrico , una falla es un defecto que produce una anomalía en la corriente eléctrica . Una corriente de falla es cualquier corriente eléctrica anormal. Por ejemplo, un cortocircuito en el que un cable con corriente toca un cable neutro o de tierra es una falla. Una falla de circuito abierto ocurre si un circuito se interrumpe por una falla en un cable conductor de corriente (fase o neutro) o por un fusible o disyuntor quemado . En una falla a tierra , la corriente fluye hacia la tierra.

En un sistema polifásico , una falla puede afectar a todas las fases por igual, lo que se denomina una "falla simétrica". Si solo algunas fases se ven afectadas, la "falla asimétrica" ​​resultante resulta más compleja de analizar. El análisis de este tipo de fallas suele simplificarse mediante métodos como el de componentes simétricas . En sistemas trifásicos , una falla puede involucrar una o más fases y la tierra, o bien ocurrir únicamente entre fases.

La corriente de cortocircuito prevista ante una falla previsible puede calcularse en la mayoría de los casos. En los sistemas eléctricos, los dispositivos de protección detectan las fallas y activan interruptores automáticos y otros dispositivos para limitar la interrupción del servicio. El diseño de sistemas para detectar e interrumpir fallas en el sistema eléctrico es el objetivo principal de la protección de sistemas eléctricos .

Según su persistencia, las fallas se clasifican en transitorias, semipermanentes y persistentes. ^{[ 1 ]} Según su simetría, las fallas se clasifican en asimétricas y simétricas. Según su origen, las fallas se clasifican en internas y externas.

En realidad, la resistencia en una falla puede variar desde valores cercanos a cero hasta valores bastante altos en relación con la resistencia de 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 eléctricos son altamente no lineales, por lo que una simple resistencia no constituye un modelo preciso. Es necesario considerar todos los casos posibles para un buen análisis. ^{[ 6 ]}

Las fallas simétricas pueden analizarse mediante los mismos métodos que cualquier otro fenómeno en los sistemas de potencia, y de hecho existen muchas herramientas de software para realizar este tipo de análisis automáticamente (véase el estudio de flujo de potencia ). Sin embargo, existe otro método que es igual de preciso y suele ser más instructivo.

En primer lugar, se hacen algunas suposiciones simplificadoras. Se supone que todos los generadores eléctricos del sistema están en fase y funcionan a la tensión nominal del sistema. Los motores eléctricos también pueden considerarse generadores, ya que, en caso de fallo, suelen suministrar energía en lugar de consumirla. A continuación, se calculan las tensiones y corrientes para este caso base .

A continuación, se considera que la ubicación de la falla recibe una fuente de voltaje negativo , igual al voltaje en esa ubicación en el caso base, mientras que todas las demás fuentes se establecen a cero. Este método utiliza el principio de superposición .

Para obtener un resultado más preciso, estos cálculos deben realizarse por separado para tres intervalos de tiempo distintos:

• El subtransitorio es el primero y está asociado con las corrientes más grandes.
• El estado transitorio se sitúa entre el estado subtransitorio y el estado estacionario.
• El estado estacionario se produce después de que todos los transitorios hayan tenido tiempo de estabilizarse.

Una falla asimétrica rompe los supuestos fundamentales de la energía trifásica, a saber, que la carga está equilibrada en las tres fases. Por consiguiente, es imposible utilizar directamente herramientas como el diagrama unifilar , donde solo 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 puede aplicar el análisis trifásico.

En el método de componentes simétricas, el sistema de potencia se considera como una superposición de tres componentes:

• un componente de secuencia positiva , en el que las fases están en el mismo orden que el sistema original, es decir, abc
• un componente de secuencia negativa , en el que las fases están en el orden opuesto al del sistema original, es decir, acb
• un componente de secuencia cero , que en realidad no es un sistema trifásico, sino que las tres fases están en fase entre sí.

Para determinar las corrientes resultantes de una falla asimétrica, primero se deben conocer las impedancias por unidad de secuencia cero, positiva y negativa de las líneas de transmisión, generadores y transformadores involucrados. Luego se construyen tres circuitos separados utilizando estas impedancias. Los circuitos individuales se conectan entre sí en una disposición particular que depende del tipo de falla que se esté estudiando (esto se puede encontrar en la mayoría de los libros de texto de sistemas de potencia). Una vez que los circuitos de secuencia están conectados correctamente, la red se puede analizar utilizando técnicas clásicas de análisis de circuitos. La solución produce voltajes y corrientes que existen como componentes simétricas; estos deben transformarse nuevamente en valores de fase utilizando la matriz A.

Para seleccionar dispositivos de protección como fusibles e interruptores automáticos , es necesario analizar la corriente de cortocircuito prevista . Para que un circuito esté correctamente protegido, la corriente de falla debe ser lo suficientemente alta como para que el dispositivo de protección se active en el menor tiempo posible; además, el dispositivo de protección debe ser capaz de soportar la corriente de falla y extinguir cualquier arco resultante sin destruirse ni mantener el arco durante un tiempo prolongado.

La magnitud de las corrientes de falla varía considerablemente según el tipo de sistema de puesta a tierra utilizado, el tipo de alimentación y el sistema de puesta a tierra de la instalación, así como su proximidad a la fuente de alimentación. Por ejemplo, para una alimentación doméstica de 230 V, 60 A TN-S en el Reino Unido o de 120 V/240 V en EE. UU., las corrientes de falla pueden alcanzar unos pocos miles de amperios. Las grandes redes de baja tensión con múltiples fuentes pueden presentar niveles de falla de hasta 300 000 amperios. Un sistema con puesta a tierra de alta resistencia puede limitar la corriente de falla entre línea y tierra a tan solo 5 amperios. Antes de seleccionar los dispositivos de protección, es fundamental medir de forma fiable la corriente de falla prevista en el origen de la instalación y en el punto más alejado de cada circuito, y aplicar correctamente esta información a la configuración de los circuitos.

Las líneas eléctricas aéreas son las más fáciles de diagnosticar, ya que el problema suele ser obvio; por ejemplo, un árbol ha caído sobre la línea o un poste de servicios públicos está roto y los conductores están en el suelo.

La localización de fallas en un sistema de cableado puede realizarse con el circuito desenergizado o, en algunos casos, con el circuito energizado. Las técnicas de localización de fallas se dividen en métodos terminales, que utilizan voltajes y corrientes medidos en los extremos del cable, y métodos de rastreo, que requieren inspección a lo largo del cable. Los métodos terminales permiten localizar la zona general de la falla y agilizan el rastreo en cables largos o enterrados. ^{[ 7 ]}

En sistemas de cableado muy simples, la ubicación de la falla suele encontrarse mediante la inspección de los cables. En sistemas de cableado complejos (por ejemplo, el cableado de aeronaves), donde los cables pueden estar ocultos, las fallas se localizan con un reflectómetro de dominio temporal . ^{[ 8 ]} El reflectómetro de dominio temporal envía un pulso a través del cable y luego analiza el pulso reflejado para identificar fallas dentro del cable eléctrico.

En los cables telegráficos submarinos históricos, se utilizaban galvanómetros sensibles para medir las corrientes de falla; al realizar pruebas en ambos extremos de un cable averiado, se podía aislar la ubicación de la falla con una precisión de pocos kilómetros, lo que permitía recuperar el cable y repararlo. El bucle de Murray y el bucle de Varley eran dos tipos de conexiones para localizar fallas en los cables.

En ocasiones, una falla de aislamiento en un cable de alimentación no se manifiesta a voltajes bajos. Un equipo de prueba de impacto 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 el punto de falla. Si bien esta prueba contribuye a dañar el cable, resulta práctica porque, de todos modos, habría que volver a aislar el punto de falla una vez detectado. ^{[ 9 ]}

En un sistema de distribución con puesta a tierra de alta resistencia, un alimentador puede sufrir una falla a tierra, pero el sistema continúa funcionando. El alimentador afectado, pero energizado, se puede identificar mediante un transformador de corriente anular que conecta todos los conductores de fase del circuito; solo el circuito con la falla a tierra mostrará una corriente neta desequilibrada. Para facilitar la detección de la corriente de falla a tierra, la resistencia de puesta a tierra del sistema puede conmutarse entre dos valores, de modo que la corriente de falla emita pulsos.

El fabricante suele proporcionar la corriente de cortocircuito prevista para baterías de mayor tamaño, como las baterías de ciclo profundo utilizadas en sistemas de alimentación autónomos .

En Australia, cuando no se proporciona esta información, la corriente de falla prevista en amperios "debe considerarse como 6 veces la capacidad nominal de la batería a una tasa de C ₁₂₀ A·h", según la norma AS 4086 parte 2 (Apéndice H).

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