PROTECCIONES DIFERENCIALES CONTRA DEFECTOS DE AISLAMIENTO

 

SOLUCIONES 100% EFECTIVAS GARANTIZADAS

      Nuestra empresa tiene dilatada experiencia en la solución de problemas en los armarios eléctricos que contienen VFs (Variadores de Frecuencia) para accionar motores, e inversores para energía fotovoltaica, estos dos tipos de aparatos están basados en la misma tecnología de PWM y funcionan de la misma forma, produciendo los mismos tipos de problemas. Montajes Alhama S.L.U. fabrica productos que eliminan de forma definitiva las anomalías que producen los convertidores durante su funcionamiento. De forma paralela también fabricamos componentes eléctricos que permiten eliminar los problemas en otros armarios que no tienen variadores, pero que son afectados por los armarios que tienen convertidores o variadores. La solución del problema de la electro erosión en rodamientos de los motores eléctricos causada por efecto de las tensiones elevadas PWM que se acoplan al eje de éstos, consiste en la instalación de componentes construidos a medida para cada motor que eliminan la totalidad de los problemas a la salida del VF o convertidor, se trata de "Resonadores Vectoriales" que son instalados entre el convertidor y el motor. 

      Con esta solución se puede prescindir de cables apantallados entre variador y motor, se eliminan las sobretensiones en el motor, la distancias de cables largos a la salida de los variadores requiere obligatoriamente inductancias de compensación, cuando se instala un Resonador Vectorial a la salida del variador de frecuencia, los cables entre variador y motor pueden ser de cualquier longitud, muy cortos o muy largos sin que afecte su longitud al funcionamiento del variador o motor, los cables apantallados que conectan los variadores a los motores deben ser balanceados de coste superior para que reducir en parte la radiación electromagnética, cuando se instalan Resonadores Vectoriales los cables no tienen que ser balanceados pues desaparece el problema, la instalación de convertidores fotovoltaicos y variadores de frecuencia necesita redes de puesta a tierra separadas de la instalación de baja tensión para evitar introducir el ruido generado por éstos aparatos en la red eléctrica a través la puesta a tierra del neutro de los transformadores con resonadores las puestas a tierra pueden ser las mismas que para la instalación eléctrica de B.T., por diversas causas la temperatura y las pérdidas de energía por efecto Joule de los motores accionados mediante VFs siempre es superior a la de motores accionados mediante contactores o arrancadores, con la incorporación de Resonadores Vectoriales la temperatura en el motor será siempre menor, los acoplamientos capacitivos del cable de salida del VF desaparecen, la radiación de AF (alta frecuencia) que causa mal funcionamiento de sensores o comunicaciones desaparece, la vida esperada de los aislamientos del motor será igual que la esperada para motores que no son accionados mediante variador. En resumen, todos los problemas y anomalías que causan los variadores de frecuencia para el accionamiento de motores eléctricos o convertidores fotovoltaicos en su salida, desaparecen con la instalación de Resonadores Vectoriales.

 

SOLUCION DEFINITIVA PARA LOS DISPAROS FORTUITOS DE LAS PROTECCIONES DIFERENCIALES

      El incremento de componentes electrónicos y variadores de frecuencia en entornos industriales y terciarios provoca un notable aumento de los disparos intempestivos de los interruptores diferenciales. En la imagen siguiente se muestra el filtro estanco desarrollado por nuestra empresa para instalar entre el transformador toroidal y el relé diferencial. Este filtro produce una atenuación de 36 dB/octava al paso de las corrientes de alta frecuencia que son las responsables de los disparos diferenciales indeseados. Cada uno de estos filtros es verificado y certificado individualmente con el analizador de espectro, y analizador de EMI. En ocasiones nos preguntamos porque salta la protección diferencial sin motivo aparente, lo cierto es que siempre hay una razón, aunque no sea visible, y en dichas ocasiones localizar el origen del disparo diferencial puede suponer un quebradero de cabeza, y darle solución puede ser doblemente laborioso.

 

 

     

      Estos filtros de 24 dB/Octava eliminan el problema de los disparos reflejos y los disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, que causan paradas intermitentes de las máquinas y pérdidas de producción imprevistas. Cuando se realizan pruebas de los dispositivos de protección contra defectos de aislamiento (prueba de disparo diferencial), sucede que el circuito que se dispara durante dicha prueba, sea carga capacitiva como baterías de condensadores, variadores de frecuencia, o cargas inductivas como motores, transformadores, inductancias, etc., éstos circuitos descargan la energía acumulada devolviéndola a la red, durante el instante de la desconexión, provocando el efecto denominado “pulso transitorio de sobretensión de naturaleza inductiva o capacitiva”, es el típico chispazo que se producen en una desconexión eléctrica. La conexión o desconexión de motores de elevada potencia, así como las conmutaciones de redes en media y alta tensión, producen igualmente pulsos inductivos de sobretensión. Estos pulsos tienen una duración muy breve, ósea, que la frecuencia de estos pulsos es muy alta, los mismos causan ondas oscilantes en la tensión de red de la misma frecuencia que el pulso, que tienen una duración mayor que el propio pulso que las creó. Este tipo de fenómenos es visto por las protecciones deferenciales como una falta de aislamiento, actuando y disparado para despejar el supuesto defecto. Instalando los filtros que Montajes Alhama diseña para estas aplicaciones, el problema de este tipo de disparos queda solucionado, el componente filtro se conecta en serie entre el transformador toroidal y el relé de protección diferencial. Se trata de un circuito eléctrico que tiene una banda de paso de frecuencias extremadamente estrecha, la cual solo deja pasar las frecuencias comprendidas entre 50 y 60 Hz como las de red, de este modo las frecuencias elevadas provocadas por los pulsos, que tiene una duración menor que la frecuencia de la red, o las componentes de corriente continua provocadas por el funcionamiento de los variadores de frecuencia, y los armónicos de éstos, así como el ruido de las comunicaciones acoplado a las redes eléctricas, no provocaran el disparo de las protecciones diferenciales. Las protecciones diferenciales solo actuaran en presencia de un defecto de aislamiento a la frecuencia de 50 a 60 Hz, discriminando todo lo demás. Es una solución muy sencilla y económica, pero extremadamente eficaz.   

 

 

      Otra solución para los disparos intempestivos de las protecciones diferenciales consiste en instalar o cambiar las protecciones normales de clase A o AC por protecciones diferenciales superinmunizadas, pero éstas últimas solo se fabrican para corrientes hasta 63 A, donde el transformador toroidal se encuentra integrado en el interior del aparato diferencial con un circuito con tiempo de retardo fijo para filtrar en parte las corrientes de alta frecuencia. Para corrientes mayores existen remedios más costosos a base de voluminosos filtros trifasicos o momofasicos de poca atenuación y de dudosa eficacia, de coste muy superior al de los filtros que Montajes Alhama Fabrica, y no eliminan las corrientes de defecto en modo comun, que son responsables de buena parte de los disparos como veremos después.

      Cuando se trata de localizar el motivo por el cual dispara una protección diferencial de una máquina con muchos circuitos, frecuentemente se van desconectando circuitos de uno en uno hasta que no se produce el disparo diferencial. Este modo de proceder es un error, pues se producirá un disparo diferencial por cada prueba que se realice para descartar circuitos. Cuando suceden desconexiones bruscas de cargas eléctricas de elevada potencia, se producen sobretensiones que se propagan por toda la instalación, el punto donde llegan todas las sobretensiones producidas por estas anomalías es el transformador de potencia del CT (centro de transformación) el cual será el más afectado, mermando de forma "acumulativa" el aislamiento del devanado de baja tensión debido a las sobretensiones que ocurren durante toda la vida del transformador.

 

Corriente residual máxima de fuga a tierra

      En ocasiones los relés de protección diferencial han de ser ajustados a umbrales superiores para evitar disparos no deseados, es el caso de los circuitos que alimentan cargas no lineales como arrancadores suaves, y variadores de frecuencia para el accionamiento de motores. Estas cargas producen corrientes residuales de fuga a tierra más elevadas que los circuitos lineales, dichas corrientes son normales debido a los filtros y capacidades que tienen las cargas no lineales que conducen a tierra las tensiones filtradas correspondientes a las frecuencias elevadas, dichas tensiones pueden provocar disparos intempestivos de los rellés de protección diferencial. La solución para evitar los disparos diferenciales fortuitos en estos casos consiste en ajustar un valor de corriente de fuga a tierra superior a la corriente que circula por los filtros y capacidades de las cargas no lineales. Esto será posible solo si la resistencia de puesta a tierra no supera el valor para el cual la tensión entre masa y cualquiera de las fases activas de la red no alcance 24 V AC.

      A continuación, en el siguiente cuadro podemos ver la resistencia máxima de la puesta a tierra para determinados umbrales de corriente residual, donde Rt es la resistencia de la puesta a tierra, Vc es la tensión máxima de contacto, e Id es la intensidad máxima de defecto, segun la ley de Ohm.

 

 

      La resistencia de la puesta a tierra puede cambiar por factores como la temperatura del terreno y la humedad, por lo que no es recomendable ajustar la intensidad de defecto de los los relés de protección diferencial a los valores limite que permiten la resistencia de puesta a tierra.

 

Protección diferencial en circuitos de corriente elevada

      Para que la “respuesta” del transformador toroidal de protección diferencial sea fiel y lineal, se deben situar los conductores activos en el toroidal lo más próximos posible de su centro para que sus acciones magnéticas se compensen perfectamente en ausencia de corriente residual. En efecto, el campo magnético desarrollado por un conductor disminuye proporcionalmente con la distancia, (ver imagenes inferiores), en las que se tiene un mal centrado de los conductores, la fase "3" provoca en el punto "A" una saturación magnética local, y no tiene por tanto, una acción proporcional. Ello puede ser causa de disparos intempestivos. Es el mismo caso que si el toroidal se sitúa en la proximidad o en el mismo codo de los cables que envuelve. La aparición de una inducción residual parásita va a provocar, para las intensidades importantes, la aparición en el secundario del toroidal de una señal que puede ocasionar un disparo intempestivo. El riesgo es tanto más importante cuando el umbral del diferencial es débil en relación a las corrientes de fase, particularmente durante un cortocircuito o un pulso de sobretensión de orígen inductivo . En los casos difíciles si el valor de la intensidad máxima de fase / la intensidad de defecto, es elevado, dos soluciones permiten evitar el riesgo de disparo intempestivo, 1º utilizar un toroidal más grande que el necesario, por ejemplo de un diámetro doble al que justamente conviene para el paso de los conductores, 2º situar una plancha metálica en el toroidal. Esta plancha debe ser de material magnético para homogeneizar el campo magnético. Se debe situar entre el toroidal y los conductores rodeando a éstos, reduce el riesgo de disparos intempestivos debido a los efectos magnéticos de las puntas de corriente. Cuando se han tomado todas estas precauciones, centrado de los conductores, toroidal de gran dimensión, y plancha magnética, la relación intensidad máx de fase / intensidad de defecto, se puede alcanzar una relación de hasta 50.000, logrando una buena inmunidad, pero sin llegar a ser absoluta. Solo un filtro con una atenuación de 36 dB/octava que solo deje pasar las frecuecias de 50-60 Hz puede aportar la inmunidad absoluta frente a las corrientes de AF que son en realidad las responsables de toda clase de disparos intempestivos.

 

     

Captación de la señal de defecto, (secuencia cero)

      En el transformador toroidal, la detección de la corriente de defecto diferencial se efectúa mediante un transformador de corriente toroidal, compuesto por un núcleo de material ferromagnético y un bobinado primario constituido por la(s) fase(s) y el neutro del circuito a proteger. En la figura siguiente se puede observar la representación vectorial de intensidades en una red trifásica con neutro equilibrada (para una red desequilibrada sería análogo, incluyendo en cada caso la corriente del neutro): si no hay defecto de fuga a tierra, la suma vectorial de todas las corrientes de dicho circuito es nula, pero cuando existe defecto de fuga de corriente de una fase hacia tierra, la suma vectorial de las corrientes es igual a dicha corriente de fuga "ID". En caso de existir una fuga ID, las corrientes de las fases y el neutro inducen en el transformador toroidal, flujos magnéticos desequilibrados, cuya resultante no será cero, e inducirá en el secundario del transformador toroidal una tensión que generará una corriente "I", que dependiendo de su valor eficaz, puede provocar el disparo del relé de apertura de los contactos del dispositivo diferencial.

 

 

Disparo diferencial provocado por ruido de alta frecuéncia      

      En la imagen siguiente podemos ver un registro obtenido en una medición, en la cual se aprecia el ruido de alta frecuencia causado por el funcionamiento de un variador de frecuencia sin filtrar, el ruido es acoplado en la onda de la red eléctrica modulando a ésta, que está completamente deformada. Los ruidos de altas frecuencias causan disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, la incorporación de los filtros que fabricamos, elimina completamente estas anomalías, dejando la onda de red completamente limpia y exenta de alteraciones.   

 

Disparo diferencial por sobretensiones transitorias      

      Los impulsos de sobretensión transitoria de frecuencias elevadas como el representado en la siguiente imagen capturada durante un registro causan disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, en ésta ocasión el impulso tiene una magnitud entra fase y neutro que ronda 1400 V a una frecuencia de 1,2 KHz. La incorporación de nuestros filtros para los transformadores toroidales diferenciales introduce un retardo a las corrientes de alta frecuencia que elimina completamente estas anomalías, dejando pasar solo la onda de red de 50-60 Hz y bloqueando todo lo demás. Los transitorios de sobretensión puede ser creados por la conexión o desconexión de motores de elevada potencia en cualquier parte de la instalación, por la conexión o desconexión de escalones de la batería de condensadores, por conmutación de redes de AT en las cercanías, por cortocircuitos en nuestra instalación, por desconexión brusca por disparo de protecciones de máquinas que se encontraban funcionando, por sobretensiones de origen atmosférico, y por armónicos de elevada magnitud en nuestra instalación. 

 

 

Disparo diferencial por acoplamiento inductivo de sobretensiones armónicas en el conductor de neutro      

      Los variadores de frecuencia durante su funcionamiento producen sobretensiones armónicas de BF (Baja Frecuencia) desde el armónico de orden 5º, o sea, 250 Hz en adelante, dichas tensiones son acopladas de forma inductiva al neutro de la instalación eléctrica, generando la aparición de voltajes excesivos entre las masa o tierra y el conductor de neutro. En caso de acometidas largas el acoplamiento de los armónicos al conductor neutro será extraordinariamente elevado, produciendo disparos diferenciales, y disparos diferenciales "reflejos" en otras acometidas distintas que se encuentren en la misma instalación. La incorporación de un filtro de clase "D" a la entrada de la acometida al VF atenuara las tensiones armónicas en 15 dB/Octava, resultando en una tensión armónica presente en la acometida de tan solo 3 % del voltaje armónico original. A continuación se muestra un video donde aparecen sobretensiones intermitentes entre el conductor de neutro de una acometida a una máquina y las masas de la instalación, En esta ocasión las sobretensiones ocurren durante el ciclo de aceleración y desaceleración de un motor de una máquina la cual no dispone de ninguna clase de filtrado para los armónicos de BF.  

Enlace del video /video-sobretension-neutro

 

Disparo de las protecciones diferenciales por "simpatia"

      En instalaciones con líneas de baja tensión con muchos receptores electrónicos (variadores de frecuencia, circuitos de alumbrado de luminarias con tecnología LED, etc.), se pueden producir fenómenos de disparos por “simpatía”. En la imagen de abajo, se consideran dos salidas de una determinada instalación. La salida A alimenta a cuadros con varios variadores de frecuencia CA y la salida B a otro tipo de receptores no electrónicos CB. Un defecto franco de aislamiento en la fase 2 de la salida B pone a la masa y a dicha fase al mismo potencial, provocando un incremento en la tensión en el conductor de masa. Además, aparece una corriente de defecto por el cable de protección hacia la toma de tierra RA que provoca el disparo correcto del diferencial DB. Sin embargo, este fenómeno puede provocar el disparo del diferencial DA ya que en dicho circuito hay cargas electrónicas conectadas que reaccionan al incremento de tensión en la masa por las capacidades existentes en los filtros capacitivos con un incremento de corriente a tierra por el conductor de protección. Así, por tanto, el disparo (requerido) en la salida B, puede provocar en otra salida, localizada en otro punto lejano de la misma instalación, el disparo (no deseado) del interruptor diferencial DA. Este fenómeno afecta principalmente en los esquemas TT, generalizados donde la conexión del neutro del transformador se conecta a la toma de tierra, en el que es común el uso de diferenciales. Una posible solución es en la salida A elegir un interruptor diferencial DA adecuado a las fugas permanentes que existen y de tipo superinmunizado que sea capaz de no disparar al sumar a dichas fugas permanentes las fugas transitorias debidas al defecto en la salida B.

 

     

      Esta anomalía de (disparo por simpatía), también llamado (disparo reflejo) sucede porque la capacidad de los filtros de los variadores de frecuencia y demás receptores electrónicos, así como las cargas no lineales, que utilizan condensadores, su capacidades provocan inevitablemente una corriente residual, que en condiciones de funcionamiento es normal. El problema sucede cuando en los extremos de éstas capacidades aparece una tensión mayor que la normal de funcionamiento, por ejemplo, por un defecto de aislamiento en otra parte de la instalación, dicho defecto creara una corriente circulante por los conductores de puesta a tierra, entonces el voltaje superior en las capacidades provocará una corriente mayor en las mismas, que dependiendo de su valor eficaz puede superar el umbral de disparo de la protección diferencial, operando ésta para desconectar el circuito no deseado. En los circuitos que disponen de relés de protección diferencial ajustables en tiempo y corriente de defecto, la solución consiste en ajustar el tiempo de retardo de disparo para las protecciones que alimentan las cargas lineales, a un valor superior de tiempo al de la protección que alimente las cargas no lineales.

      En la práctica, cuando suceden disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, si el relé de protección diferencial dispone de ajustes de sensibilidad para la corriente de defecto y de ajuste de retardo para el tiempo de disparo, lo primero que se hace es desajustar la protección elevando el umbral de detección de la corriente de defecto y subir el tiempo de retardo del disparo, este proceder es incorrecto por varios motivos, el más importante es porque la tensión de contacto en las masas del circuito alimentado "puede" elevarse por encima del umbral de seguridad, y provocar un riesgo para las personas en caso de defectos que permanecen durante el funcionamiento, sin provocar el disparo diferencial. Antes de desajustar la protección diferencial se "debe" medir la resistencia de puesta a tierra, medir la corriente de defecto, y medir la tensión de contacto a masa del circuito alimentado que se pretende proteger por dicho diferencial. Con estos datos se puede calcular si es posible elevar el umbral de corriente de defecto del relé de protección sin que represente un riesgo eléctrico. Hay que recordar que los instrumentos para medida de corriente de defecto que circula por los conductores de fases, o por el conductor de puesta a tierra, en caso de corrientes de defecto de alta frecuencia, éstas no son visibles para los instrumentos que miden corrientes de baja frecuencia como las de la red a 50-60 Hz. Para medir dichas corrientes se ha de utilizar una sonda de corriente de AF, con la ayuda de un osciloscopio para realizar la medida. Montajes Alhama S.L.U. diseña y comercializa varios tipos de sondas de corriente para medidas en AF que pueden ser de utilidad.

      En la siguiente imagen podemos ver la atenuación que produce un filtro de paso bajo diseñado por Montajes Alhama S.L.U. para la medida de corrientes de BF (Baja Frecuencia) a la salida de los Variadores de Frecuencia. Este filtro como podemos ver produce una atenuación >90 dB/Década a su salida. Obsérvese en la tabla izquierda en el registro 24 una atenuación de tan solo 0,22 Db a 21,83 KHz que es la "frecuencia de corte" de diseño del filtro, a partir de dicha frecuencia se produce una pendiente de atenuación muy pronunciada, donde en el registro 34 se consigue una atenuación de 91,53 dB a 227 KHz, quedando demostrada la gran eficiencia que alcanzan los filtros que diseña nuestra empresa.

 

 

     

       Fotografía donde podemos ver en el "Diagrama de Bode" la respuesta de frecuencia del filtro LPF de 22 KHz comentado antes. Todos los filtros que fabricamos son ensayados con analizador de espectro y analizador EMI, además se le hace una prueba con tensiones reales para comprobar la respuesta de frecuencia en el Diagrama de Bode.

 

 

      

      En esta ocasión el filtro ensayado mediante Diagrama de Bode mostrado en la siguiente imagen es del tipo HPF con Frecuencia de Corte a -3 dB de 2,25 KHz. Este tipo de filtro se usa para medir las tensiones PWM que salen de los Variadores de Frecuencia. Obsérvese la gran eficacia del filtro para las frecuencias superiores a 2,25 KHz con una atenuación de tan solo 0,25 dB mostrada en el registro 16 de la tabla izquierda, por el contrario las frecuencias bajas obtienen una atenuación de 41,2 dB a 822,7 Hz, mostrada en el registro 10, lo cual supone el bloqueo de las frecuencias del VF que mueven al motor conectada a dicho variador.

 

 

      Fotografía donde podemos ver en el "Diagrama de Bode" la respuesta de frecuencia de otro filtro distinto en esta ocasión es del tipo HPF con FC (frecuencia de Corte) de 2,25 KHz correspondiente a la imagen anterior. 

 

 

      Los cálculos de estos filtros se realizan mediante algoritmos matemáticos propios desarrollados por Montajes Alhama S.L.U., es fundamental seleccionar componentes empleados para fabricar los filtros que dispongan de especificaciones que superen ampliamente los voltajes de empleo y las frecuencias de utilización, siendo las pérdidas de dichos componentes extremadamente bajas.

      Como se ha podido comprobar a lo largo de toda ésta información, los Resonadores Vectoriales y los Filtros que fabrica Montajes Alhama S.L.U., resuelven los problemas de mayor importancia que generan los VF y los inversores fotovoltaicos a la instalación eléctrica y a los motores eléctricos durante su funcionamiento, prolongando de este modo la vida de la instalación y de los motores, como si no existiera el VF en nuestra instalación.

      A petición de los clientes podemos ofrecer soluciones personalizadas para cada caso particular, con las cuales se obtiene la mayor eficacia de funcionamiento del VF y sus protecciones, con el menor coste posible, como recurso definitivo de las perturbaciones y anomalías que los variadores de frecuencia y los convertidores fotovoltaicos causan en la instalación cuando éstos se encuentran en funcionamiento.