FILTROS ACTIVOS PARA PROTECCIONES DIFERENCIALES

 

A continuación presentamos los únicos filtros que pueden garantizar que un relé de protección diferencial sea ultra inmunizado a toda clase de anomalías de la red.

      Como veremos seguidamente, la respuesta en frecuencia del Filtro Activo Diferencial elimina las intensidades de los armónicos de Baja Frecuencia, las intensidades de Alta Frecuencia, los transitorios rápidos inducidos en la red eléctrica que pueden producir las descargas atmosféricas, y el ruido eléctrico de Alta Frecuencia. De esta forma en caso de defecto de aislamiento solo llegará al relé de protección diferencial la señal de una onda de corriente "limpia" de 50-60 Hz, pero de la magnitud "real" de intensidad.

      La señal de la onda original de corriente de defecto que es captada por el primario de un transformador toroidal diferencial, no puede discriminar las formas de onda de los armónicos de baja frecuencia, ni las ondas de alta frecuencia y sus correspondientes armónicos, ni los transitorios, por lo tanto, a su salida en la bobina del secundario del transformador diferencial se produce una suma vectorial con todas estas señales, incrementando la magnitud de la corriente eficaz, que es lo que realmente provoca el disparo del relé de protección diferencial.

      En ocasiones la falta de información fidedigna y la evaluación insuficiente de las causas que producen disparos fortuitos de las protecciones eléctricas, y especialmente la falta de tiempo para realizar mediciones complejas, puede desencadenar el desmontaje de equipos importantes, los cuales carecen de anomalías que produzcan dichos disparos, y son desmontados a "ciegas" para reparar si fuese el caso, y volver a montarlos si no se les encuentra el defecto que causa los disparos, esto puede suceder ocasionalmente con los equipos que producen disparos de las protecciones diferenciales solo cuando los mismos se encuentran en funcionamiento. 

      El Filtro Diferencial Activo dispone de base conector de salida para la señal del relé de protección diferencial, base conector para la conexión del transformador toroidal de medida, y base conector para la alimentación a 220 VAC, se entrega con conectores enchufables estancos para todas las conexiones. Para su fijación dispone de orificios taladrados y de soporte metálico para carril.

 

      En el siguiente registro podemos ver el funcionamiento impecable del filtro, con la medida de una supuesta corriente de defecto por fuga a masa que ha sido captada por el transformador de medida diferencial, sin filtrar, con una magnitud de corriente de 534 mA, que llega a la entrada del Filtro Diferencial Activo (canal 1 traza amarilla). En el canal 2 de medida podemos ver la señal filtrada de 1,18 mA "reales" a la salida del Filtro Diferencial Activo (canal 2 traza azul).

 

      Vista de un Filtro Diferencial Activo instalado en un armario eléctrico, el cual puede fijarse mediante carril Din, o atornillado.

 

      En esta otra imagen podemos ver una onda de corriente de fuga de 50 Hz deformada por un armónico de orden nº11, el cual sumado a la corriente de 50 Hz de escaso valor, se convierte en una magnitud de 494,2 mA (canal 1 traza amarilla), que puede provocar el disparo de cualquier protección diferencial. Sin embargo, gracias a la acción de filtrado del Filtro Diferencial Activo, la magnitud "real" de fuga que llega al relé de protección diferencial al paso por el filtro, es de tan solo 1,12 mA (canal 2 traza azul). 

 

      Los equipos eléctricos importantes deben ser protegidos con aparatos de protección eléctrica coherentes con la categoría de la aplicación que pretenden proteger, es decir, por ejemplo, para la protección eléctrica de un motor instalado en una mina, el material de protección debe ser antideflagrante. Basado en esta teórica Montajes Alhama S.L.U. diseña y fabrica soluciones a la medida para toda clase de aplicaciones eléctricas problemáticas.

      En el siguiente gráfico podemos ver la imagen correspondiente al análisis de respuesta en frecuencia y magnitud del Filtro Diferencial Activo diseñado por Montajes Alhama S.L.U. con pendiente de atenuación de 33 dB/Década. Como se puede observar, la ganancia/atenuación del filtro a la frecuencia de la red de 50 Hz es prácticamente cero, con (G: -67,114 mdB) "mili decibelios". Una década más arriba en frecuencia, o sea, a 500 Hz, la atenuación del filtro diferencial activo es de -32,886 dB, estos valores no se pueden conseguir con ningún otro tipo de filtros, sin que existan pérdidas o deformación de la señal original. Para mejor comprensión se ha de explicar que la medida de pérdida o ganancia de un filtro, expresada en dB se expresa en base logarítmica, es decir, un aumento de 10 dB significa una ganancia de 10 veces la potencia de la señal original, 20 dB significa una ganancia de 100 veces la potencia de la señal original, 30 dB equivale a 1000 veces la potencia original, y así sucesivamente. En cuanto a pérdida de potencia expresada en dB es a la inversa pero con el mismo cálculo, así los -32,886 dB que aparecen en el registro del análisis significa que la potencia de la señal original contaminada por ruido de armónicos de BF (Baja Frecuencia) y de AF (Alta Frecuencia), a la salida del filtro, la potencia del ruido será de 0,06 %, de este modo la señal de corriente de defecto o fuga que llega al relé de protección diferencial queda limpia y completamente exenta de ruido.

 

      Esta clase de filtros se emplea de forma selectiva para eliminar con garantía los disparos intempestivos a los cuales no se les encuentra explicación alguna, que se producen en cargas eléctricas de elevada potencia, donde la red eléctrica está muy contaminada por la presencia de ruido de alta frecuencia y armónicos procedentes de las instalaciones cercanas. Su instalación está plenamente justificada para la protección diferencial activa de cargas eléctricas "críticas" de elevada potencia, de las cuales no podemos prescindir.

      El ensayo y la verificación del funcionamiento de estos filtros se realiza de forma unitaria en nuestro laboratorio, montando todo el conjunto de protección diferencial para su ensayo y evaluación antes de su instalación en la ubicación definitiva, de este modo el filtro se entrega ajustado y probado. Con esta solución se puede garantizar que la protección diferencial actuara "solo" cuando exista un defecto real de aislamiento a masa o tierra, descartando todo lo demás como ruidos de Alta Frecuencia, armónicos, impulsos producidos por sobretensiones, acoplamientos inductivos y capacitivos de las comunicaciones radiadas o conducidas que afectan a los conductores de las acometidas eléctricas, disparos diferenciales reflejos producidos por "simpatía", ruidos de muy alta frecuencia generados por las fuentes de alimentación conmutada, ruido PWM producido por los SAI, arranques bruscos de motores de elevada potencia, armónicos generados por los inversores de las plantas fotovoltaicas, deformaciones por armónicos generados por los variadores de frecuencia, etc.

      En comparación con los filtros trifásicos EMI denominados también filtros EMC de coste mucho más elevado, más voluminosos, y pesados, que se instalan en las acometidas, los mismos solo atenúan una fracción del ruido de Alta Frecuencia, pues su atenuación es muy pobre con tan solo 0,5-1 dB para la banda del espectro de frecuencias de interés, es decir, las tensiones de los armónicos, pulsos producidos por sobretensiones, ruido, etc., que pueden producir disparos diferenciales intempestivos, se reducen un 10% como máximo, lo cual deja paso libre al 90% restante de anomalías que pueden provocar disparos intempestivos de las protecciones diferenciales. Los filtros EMI comienzan a atenuar de forma razonable a partir de frecuencias >20 KHz en adelante que son frecuencias que se encuentran muy alejadas de la banda de frecuencia de interés a filtrar, por ello los filtros EMI o EMC “no” son la solución para eliminar de forma eficaz los disparos indeseados de las protecciones diferenciales, y además, generan pérdidas de energía en forma de calor al paso de la corriente, que no se deben despreciar.

      En la imágen siguiente podemos ver el gráfico de atenuación típica que produce un filtro trifásico comercial para EMI o EMC, donde las frecuencias de interés que son susceptibles de producir disparos fortuitos de las protecciones diferenciales que son las que se encuentran por debajo de 10 KHz, reciben una atenuación insignificante, por no decir nula ya que es de practicamente 0 dB de atenuación. Este es uno de los motivos por el cual los filtros EMI o EMC no resuelven el problema de los disparos fortuitos de las protecciones diferenciales. Los filtros EMI o EMC se instalan en los conductores de alimentación del lado de potencia, y no en los conductores que transportan la señal del transformador toroidal de medida diferencial. Se emplean básicamente para atenuar las potencia radiada en las frecuencias de AF en el rango de MHz con objeto de reducir (no eliminar) la perturbación de las comunicaciones vía radio y similares.    

      Por su parte los filtros activos sintonizables fabricados por Montajes Alhama S.L.U. con 33 dB de atenuación garantizada “si” constituyen la solución definitiva para eliminar en la salida de los transformadores de medida difernecial el 100% del ruido de la banda de frecuencias de interes <10 KHz, los armónicos, los pulsos de sobretensiones, los armónicos de AF producidos por los VFs, el ruido eléctrico, los transitorios, y por supuesto además de todo el espectro de Alta Frecuencia, todo ello puede provocar disparos fortuitos de las protecciones diferenciales. Los filtros activos sintonizables no generan ninguna pérdida ya que se instalan igual que los filtros pasivos, es decir, entre el transformador toroidal de medida y el relé de protección diferencial, resultando ser una solución sencilla, económica, y la más eficaz.

 

ALTA FIDELIDAD DE LA SEÑAL DE SALIDA DEL FILTRO DIFERENCIAL ACTIVO

      Imagen capturada correspondiente a las magnitudes y formas de onda de las corrientes de entrada y salida del Filtro Diferencial Activo, al paso de una corriente de ensayo de disparo de 200 mA a la frecuencia de 50 Hz. Podemos apreciar que las formas de onda de las dos señales de corriente, la de entrada al filtro, y la de salida del filtro, son muy similares en cuanto a su magnitud y forma de onda. Tan solo existe una pequeña diferencia de tiempo de algunos micro segundos entre la onda de salida, lógicamente por el retardo de tiempo que introduce el circuito electrónico del filtro Activo, el cual es irrelevante para el disparo del relé de protección diferencial.