Falla eléctrica

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 fundido. 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 corriente de cortocircuito prospectiva 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 hacer funcionar 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 se denomina una "falla simétrica". Si sólo se ven afectadas algunas fases, la "falla asimétrica" resultante se vuelve más complicada de analizar. El análisis de este tipo de fallas suele simplificarse mediante el uso de métodos como los componentes simétricos.

El diseño de sistemas para detectar e interrumpir fallas en los sistemas eléctricos es el principal objetivo de la protección de los sistemas eléctricos.

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 una falla de aislamiento que solo afecta temporalmente las propiedades dieléctricas de un dispositivo y que se restablece después de un corto tiempo. Muchas fallas en líneas eléctricas aéreas son de naturaleza transitoria. Cuando ocurre una falla, el equipo utilizado para la protección del sistema eléctrico funciona para aislar el área de la falla. Una falla transitoria luego se eliminará y la línea eléctrica puede volver a funcionar. Los ejemplos típicos de fallas transitorias incluyen:

• contacto árbol momentáneo
• pájaro u otro contacto animal
• rayo de luz
• choque de conductor

Los sistemas de transmisión y distribución utilizan una función de reconexión automática que se utiliza habitualmente en líneas aéreas para intentar restablecer la energía en caso de una falla transitoria. Esta función no es tan común en los sistemas subterráneos, ya que las fallas allí suelen ser de naturaleza persistente. Las fallas transitorias 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 esté aplicando. Las fallas en los cables de energía subterráneos suelen ser persistentes debido a daños mecánicos en el cable, pero a veces son de naturaleza transitoria debido a los rayos.

Una falla asimétrica o desequilibrada no afecta a todas las fases por igual. Tipos comunes de falla asimétrica y sus causas:

• falla de línea a línea - un cortocircuito entre líneas, causado por la ionización del aire, o cuando las líneas entran en contacto físico, por ejemplo debido a un aislador roto. En fallas de línea de transmisión, aproximadamente 5% - 10% son fallas asimétricas de línea a línea.
• falla de línea a tierra - un cortocircuito entre una línea y tierra, muy a menudo causado por el contacto físico, por ejemplo debido al rayo u otro daño de tormenta. En fallas de línea de transmisión, aproximadamente el 65% - 70% son fallas asimétricas de línea a tierra.
• doble línea a tierra - dos líneas entran en contacto con el suelo (y el uno al otro), también comúnmente debido al daño de la tormenta. En fallas de la línea de transmisión, aproximadamente 15% - 20% son asimétricas de doble línea a tierra.

Una falla simétrica o balanceada afecta a cada una de las fases por igual. En las fallas de las líneas de transmisión, aproximadamente el 5% son simétricas. Estas fallas son poco frecuentes en comparación con las fallas asimétricas. Dos tipos de fallas simétricas son las de línea a línea a línea (L-L-L) y las de línea a línea a línea a tierra (L-L-L-G). Las fallas simétricas representan entre el 2 y el 5% de todas las fallas del sistema. Sin embargo, pueden causar daños muy graves a los equipos incluso aunque el sistema permanezca equilibrado.

Un extremo es aquel en el que la falla tiene impedancia cero, lo que da como resultado la máxima corriente de cortocircuito posible. En teoría, todos los conductores se consideran conectados a tierra como si se tratara de un conductor metálico; esto se denomina "falla de cortocircuito". 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 línea de transmisión, se introduce deliberadamente una "falla de cortocircuito" para acelerar el funcionamiento de los dispositivos de protección.

Una falla a tierra es cualquier falla que permite la conexión no deseada de los conductores del circuito de energía con la tierra. Estas fallas pueden causar corrientes circulantes inaceptables o pueden energizar las carcasas de los equipos a un voltaje peligroso. Algunos sistemas de distribución de energía especiales pueden estar diseñados para tolerar una sola falla a tierra y continuar en funcionamiento. Los códigos de cableado pueden requerir un dispositivo de monitoreo de aislamiento para dar 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 un sistema de este tipo, puede resultar en una 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.

En términos realistas, la resistencia en una falla puede ser cercana a cero o bastante alta en relación con la resistencia de carga. Es posible que se consuma 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. Se deben considerar todos los casos posibles para un buen análisis.

Cuando el voltaje del sistema es lo suficientemente alto, se puede formar un arco eléctrico entre los conductores del sistema eléctrico y la tierra. Un arco de este tipo puede tener una impedancia relativamente alta (en comparación con los niveles de funcionamiento normales del sistema) y puede ser difícil de detectar con 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 enormes daños a las barras colectoras o cables antes de convertirse en un cortocircuito completo. Los sistemas de energía de las empresas 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 pueden requerir ahora interruptores de circuito por falla de arco en los circuitos de cableado de los edificios, para detectar arcos pequeños antes de que provoquen daños o un incendio. Por ejemplo, estas medidas se toman en lugares donde hay agua corriente.

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 de forma automática (véase estudio de flujo de potencia). Sin embargo, existe otro método que es igual de preciso y, por lo general, 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, porque cuando se produce una avería, normalmente suministran energía en lugar de consumirla. A continuación, se calculan las tensiones y las corrientes para este caso base.

A continuación, se considera que la ubicación de la falla está alimentada por 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 utiliza el principio de superposición.

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

• subtransient es primero, y está asociado con las mayores corrientes
• transitorio viene entre subtransiente y estado estable
• Estado estable ocurre después de que todos los transitorios han tenido tiempo de establecerse

Una falla asimétrica rompe con 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 solo se considera una fase. Sin embargo, debido a la linealidad de los sistemas de energía, es habitual considerar las tensiones y corrientes resultantes como una superposición de componentes simétricos, a los que se puede aplicar el análisis trifásico.

En el método de componentes simétricos, el sistema de potencia se ve como una superposición de tres componentes:

• a positivo-secuencia componente, en el que las fases están en el mismo orden que el sistema original, es decir, a-b-c
• a secuencia negativa componente, en el que las fases están en el orden opuesto como el sistema original, es decir, a-c- b
• a cero secuencia componente, que no es realmente un sistema de tres fases, pero en lugar de eso las tres fases están en fase con el otro.

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 está estudiando (esto se puede encontrar en la mayoría de los libros de texto de 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 se deben transformar nuevamente en valores de fase utilizando la matriz A.

Para seleccionar dispositivos de protección, como fusibles y disyuntores, es necesario analizar la corriente de cortocircuito prevista. Si se desea proteger adecuadamente un circuito, la corriente de falla debe ser lo suficientemente alta como para que el dispositivo de protección funcione 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 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 de la instalación y el sistema de puesta a tierra, y su proximidad al suministro. Por ejemplo, para un suministro doméstico de 230 V, 60 A TN-S en el Reino Unido o de 120 V/240 V en los EE. UU., las corrientes de falla pueden ser de unos pocos miles de amperios. Las redes grandes de bajo voltaje con múltiples fuentes pueden tener niveles de falla de 300.000 amperios. Un sistema con conexión 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, la corriente de falla prospectiva debe medirse de manera confiable en el origen de la instalación y en el punto más alejado de cada circuito, y esta información debe aplicarse correctamente 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 en el suelo).

La localización de averías en un sistema de cables se puede realizar con el circuito desenergizado o, en algunos casos, con el circuito bajo tensión. Las técnicas de localización de averías se pueden dividir en métodos de terminales, que utilizan voltajes y corrientes medidos en los extremos del cable, y métodos de trazado, que requieren inspección a lo largo de la longitud del cable. Los métodos de terminales se pueden utilizar para localizar el área general de la avería, para acelerar el rastreo en un cable largo o enterrado.

En sistemas de cableado muy simples, la ubicación de la falla se encuentra a menudo mediante la inspección de los cables. En sistemas de cableado complejos (por ejemplo, cableado de aeronaves) donde los cables pueden estar ocultos, las fallas del cableado se localizan con un reflectómetro de dominio temporal. El reflectómetro de dominio temporal envía un pulso a través del cable y luego analiza el pulso reflejado que regresa 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 unas pocas millas, lo que permitía agarrar el cable y repararlo. El bucle Murray y el bucle Varley eran dos tipos de conexiones para localizar fallas en los cables.

A veces, una falla de aislamiento en un cable de alimentación no se detecta con voltajes más bajos. Un equipo de prueba "thumper" aplica un pulso de alta energía y alto voltaje al cable. La ubicación de la falla se realiza escuchando el sonido de la descarga en el lugar de la falla. Si bien esta prueba contribuye a detectar daños en el sitio del cable, es práctica porque, en cualquier caso, la ubicación de la falla tendría que volver a aislarse si se la encontrara.

En un sistema de distribución con conexión a tierra de alta resistencia, un alimentador puede desarrollar una falla a tierra, pero el sistema continúa en funcionamiento. El alimentador con falla, pero energizado, puede encontrarse con un transformador de corriente tipo anillo que recoja todos los cables de fase del circuito; solo el circuito que contiene una falla a tierra mostrará una corriente desequilibrada neta. Para que la corriente de falla a tierra sea más fácil de detectar, la resistencia de conexión a tierra del sistema puede conmutarse entre dos valores para que la corriente de falla sea pulsante.

La corriente de falla esperada de las baterías más grandes, como las baterías de ciclo profundo que se utilizan en sistemas de energía autónomos, suele ser proporcionada por el fabricante.

En Australia, cuando no se proporciona esta información, la corriente de falla prevista en amperios "se debe considerar como 6 veces la capacidad nominal de la batería a una tasa de C₁₂₀ A·h", según la norma AS 4086 parte 2 (Apéndice H).

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