FILTROS PASIVOS PARA PROTECCIONES DIFERENCIALES

 

Principales diferencias entre los filtros Diferenciales Pasivos y Activos

      La diferencia entre los Filtros Diferenciales Pasivos y los Filtros Diferenciales Activos radica en la profundidad de atenuación de los Activos, que es muy superior al de los filtros Pasivos. Por lo tanto el filtro Activo elimina con mayor profundidad y eficacia las señales indeseadas. Pero esto no quiere decir que los filtros Pasivos no eliminen de forma eficaz el ruido y las señales indeseadas, como veremos a continuación, sino que el nivel de filtrado necesario depende del entorno de la instalación donde opera. En instalaciones con un nivel de contaminación moderado el filtro diferencial Pasivo cumplirá su cometido sobradamente. Para instalaciones con contaminación muy severa donde el proceso alimentado por la energía eléctrica es crítico y no se puede detener, debemos de ampliar al máximo el nivel de filtrado, con el filtro Activo. 

      Los Filtros Diferenciales Pasivos tienen la ventaja de ser más pequeños que los Activos, y además son más económicos. Por su parte los Activos disponen de prestaciones elevadas en cuanto a la frecuencia de corte inferior, llegando a -3dB a 30 Hz, y además son sintonizables. Respecto a lo anterior, los filtros Pasivos tienen una frecuencia de corte inferior de -3dB a 800 Hz, este detalle ha sido calculado y probado de forma exaustiva en el laboratorio para que las dimensiones físicas del filtro Pasivo sean pequeñas, pues las frecuencias PWM más bajas que generan de variadores de frecuencia comienzan en 1,2 KHz, por lo cual el filtro Pasivo atenuará con notable eficiencia las frecuencia superiores, que es de lo que se trata. 

      Otra diferencia entre filtros Pasivos y Activos, consiste en que el filtro Activo contiene en su interior una fuente de alimentación simétrica balanceada de alta precisión y ultra bajo ruido, que debe ser alimentada con 230 VAC, por su parte los filtros Pasivos no precisan alimentación.

      La Alta Fidelidad de las ondas de corriente de defecto o fuga en las dos clases de filtro, Pasivo o Activo, las magnitudes de intensidad de corriente de fuga a las frecuencias de red de 50-60 Hz, inducidas por el transformador toroidal de medida diferencial, no sufren cambio alguno al paso por el filtro, a la salida de cualquiera de los dos modelos. Gracias a ello las señales de corriente de defecto de fuga a masa o tierra que llegan al relé de protección diferencial, son de la misma magnitud original que se produjeron a la frecuencia de 50-60 Hz, eliminando todo lo demás.

 

ELIMINACION DE LOS DISPAROS FORTUITOS DE LAS PROTECCIONES DIFERENCIALES MEDIANTE FILTROS DIFERENCIALES PASIVOS

      El incremento de componentes electrónicos de potencia como variadores de frecuencia, inversores fotovoltaicos, SAIs, telecomunicaciones, arranques bruscos de cmotores, etc., en entornos industriales y terciarios provoca un notable aumento de los disparos intempestivos de los interruptores de protección diferencial. En la imagen siguiente se muestra un filtro pasivo de dieciseisavo orden desarrollado por nuestra empresa, que se instala entre el transformador toroidal de medida y el relé de protección diferencial. Este filtro produce una atenuación mínima de 24 dB/octava al paso de las corrientes de AF "alta frecuencia" que son las responsables de la mayoría 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 hemos preguntado 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 complicado.

 

 

 

      Estos filtros pasivos 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 una 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 durante una desconexión eléctrica en el interruptor o contactor. 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, y por lo tanto, 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 tienen 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.   

 

       

      Otro remedio para los disparos intempestivos de las protecciones diferenciales puede consistir en instalar o cambiar las protecciones normales de clase A o AC por protecciones diferenciales súper inmunizados, 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 condensador que produce un 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 trifásicos o monofásicos 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 común, que son las responsables de buena parte de los disparos como veremos después.

 

Filtros pasivos para eliminación del ruido generado por los armónicos y por la alta frecuencia en las señales que actúan sobre las protecciones diferenciales

      En la siguiente imagen podemos ver la atenuación que produce un filtro pasivo LPF (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, con frecuencia de corte de 22 KHz, diseñado para poder evaluar las tensiones PWM que generan los VF durante su funcionamiento. Obsérvese en la tabla izquierda en el registro 24 una atenuación de tan solo 0,228 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 pasivo 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 mediante Diagrama de Bode.

 

      En esta ocasión el filtro pasivo ensayado mediante Diagrama de Bode mostrado en la siguiente imagen es del tipo HPF (paso alto) con Frecuencia de Corte a -3 dB de 2,25 KHz. Este tipo de filtro también se usa para medir las tensiones PWM que parten de los Variadores de Frecuencia, atenuando las frecuencias de los armónicos de baja frecuencia que pueden influir en las medidas. 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 conectado a dicho variador.

 

       Fotografía donde podemos ver en el "Diagrama de Bode" la respuesta de frecuencia del filtro pasivo mostrado en el análisis anterior con FC (frecuencia de Corte) de 2,25 KHz correspondiente a la imagen anterior. 

 

      La conexión en serie de un filtro de paso bajo con frecuencia de corte por ejemplo, de 2,25 KHz y un filtro de paso alto de 22 KHz, es equivalente a un filtro de banda, donde el ancho del espectro de frecuencias de la banda de paso lo fijan las frecuencias de corte inferior y superior de los dos filtros. Para que funcione adecuadamente en estos casos la entrada del conjunto de filtrado utilizado como paso de banda se realiza por el filtro HPF de paso alto que debe tener una frecuencia de corte más baja que el filtro de salida, la salida se realiza por el filtro LPF de paso bajo que debe tener una frecuencia de corte mayor que la del filtro de entrada.

      En la imagen siguiente podemos ver el análisis de las frecuencias de corte de los dos filtros LPF y HPF explicados anteriormente, conectados en serie para realizar un Filtro pasivo de Banda que solo deja pasar las frecuencias que se encuentran dentro del espectro comprendido entre las frecuencias de 2,25 KHz y 22 KHz que cortan a -3 dB, representado por la traza de Ganancia en color verde. 

 

      Fotografía correspondiente al análisis del filtro de banda comentado anteriormente compuesto por los filtros HPF más LPF.

 

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

      Como se ha podido comprobar a lo largo de toda ésta información, los filtros pasivos que fabrica Montajes Alhama S.L.U., resuelven los problemas de mayor importancia de los disparos diferenciales fortuitos que generan los VF y los inversores fotovoltaicos en la instalación eléctrica durante su funcionamiento, prolongando el funcionamiento de la instalación y la de los motores, como si no existieran VFs en nuestra instalación.

      

MEDIDA DE LAS CORRIENTES DE FUGA A TIERRA

      El alcance de medida en corriente residual de defecto que tienen las pinzas amperimétricas o los sensores que miden fugas a tierra suelen cubrir diferentes rangos de intensidad que son apropiados para la medida de valores muy pequeños del orden de 1 mA hasta docenas o centenares de amperios, hasta aquí todo parece correcto. El problema surge, por ejemplo, cuando debemos medir la corriente de fuga a tierra a la entrada o a la salida de un Variador de Frecuencia, o de una acometida con presencia de armónicos, el problema se agrava cuando la sección y el número de conductores de la acometida o línea eléctrica que debemos abrazar para medir ocupa más espacio que el que tenemos disponible en nuestra pinza para medida de fugas. Aunque podemos pensar que la corriente de fuga también es posible medirla en el conductor de puesta a tierra, resulta que en máquinas o instalaciones grandes las fugas de corriente por defectos del aislamiento se reparten en paralelo por el conductor de puesta a tierra y por el resto de masas, de forma que no toda la corriente de fuga circula por el conductor de puesta a tierra. Por estos motivos la mejor forma de medir la totalidad de las corrientes de fugas suceptibles de producir disparo de las protecciones diferenciales es en la propia acometida.        

      Las pinzas normales para la medida de corrientes de fuga a tierra suelen disponer de un diámetro interno pequeño de alrededor de 40 mm, el cual no es apropiado para abrazar varios conductores de gran sección. Por su parte, las pinzas o sensores de corriente que disponen de gran diámetro para poder abrazar muchos conductores de gran sección no disponen de suficiente sensibilidad para detectar corrientes de fuga pequeñas que pueden provocar el disparo de las protecciones diferenciales más sensibles. 

      A todo lo anterior debemos añadir que en la industria actual existe la presencia de ruidos eléctricos en forma de armónicos de Baja Frecuencia y de Alta Frecuencia, que abarcan un amplio espectro de frecuencias, para las cuales las pinzas de fuga que disponen de gran diámetro, no discriminan entre las corrientes de fuga reales de la red a 50-60 Hz y los armónicos, así como tampoco discriminan el ruido de Alta Frecuencia. Esto significa que la corriente de fuga medida en estos casos no coincide con la realidad, pudiendo no existir ningún defecto de corriente que provoque el disparo de las protecciones diferenciales, a pesar de haber obtenido con nuestra pinza de fugas una medida elevada de corriente a tierra.  

      La solución para estas mediciones consiste en disponer de dos pinzas para la medida de corrientes de fuga a tierra. Una pinza de diámetro pequeño con posibilidad de discriminar las corrientes a las frecuencias de la red de 50-60 Hz, más una pinza o sensor de corriente de gran diámetro y un filtro selectivo de frecuencias a 50-60 Hz con amplificador para obtener la suficiente sensibilidad que nos permita medir corrientes del orden de 1 mA a la frecuencia de la red. 

      En la imagen siguiente aparece la medida de una supuesta corriente de fuga a tierra que ha sido registrada por un transformador toroidal específico para la medida de corrientes de fuga, la medida ha sido realizada en una acometida contaminada por armónicos de baja frecuencia, donde podemos comprobar que la intensidad de fuga medida compuesta por la frecuencia fundamental de la red de 50 Hz. más las frecuencias de los armónicos es de 286,9 mA., lo cual puede hacernos pensar que tenemos un defecto de aislamiento en alguna parte de la instalación eléctrica que alimenta dicha acometida. Esta medida ha sido tomada sin ninguna clase de filtrado de frecuencia. Esto sucede porque probablemente los filtros de RFI (radio frecuencia) de los accionamientos electrónicos como variadores de frecuencia y los filtros de las fuentes de alimentación conmutada de toda clase de aparatos electrónicos como PCs, etc,., derivan las tensiones de las frecuencias filtradas no deseadas a tierra, lo cual es normal.

      Sin disponer de otra información complementaria se puede observar el espectro de frecuencias en la parte superior del grafico de FFT de armónicos (traza en color naranja) que la frecuencia de 50 Hz, es inferior en magnitud a la de las frecuencias de 250 Hz, 350 Hz, y 450 Hz. Y en el grafico inferior correspondiente en la Vista de Forma de Onda podemos comprobar que la onda registrada (traza en color amarillo) esta deformada por la contaminación de los armónicos. Todo ello nos indica que posiblemente la intensidad de fuga medida no corresponde a la realidad, pero dicha intensidad se encuentra muy cerca del umbral de disparo ajustado en el relé de protección diferencial, que en el caso de esta instalación es de 300 mA, lo cual puede generar el disparo de la protección con la más mínima alteración.

 

      La imagen siguiente correspondiente a la medida realizada en la misma acometida de la imagen anterior y con el mismo tipo de sensor de corriente, pero añadiendo un filtro pasivo de paso de banda de frecuencia de 50 Hz. fabricado por Montajes Alhama SLU, el cual elimina las tensiones de los armónicos en las medidas. Como podemos comprobar, la intensidad de corriente de fuga real a tierra es de 6,34 mA, que es insignificante en comparación con la medida registrada anteriormente sin ningún filtrado. Esta intensidad de fuga a 50 Hz no provoca el disparo del relé de protección diferencial. De este modo las tensiones que suman tanto el ruido de alta frecuencia como los armónicos de baja frecuencia, son rechazadas por el filtro de paso de banda de forma que no interfieren en el funcionamiento correcto del relé de protección diferencial, todo ello sin tener que recurrir a costosas protecciones diferenciales de clase B.

      Una imagen vale más que mil palabras, obsérvese en el cuadro superior del espectro de frecuencias de FFT de esta imagen que la única frecuencia (traza naranja) que aparece con magnitud significativa corresponde a la frecuencia de 50 Hz, y que las magnitudes de las demás frecuencias son insignificantes en comparación con las de la imagen anterior. También podemos observar en la Vista de la Forma de Onda en el cuadro inferior de la imagen (traza en color amarillo), que la forma de onda registrada aparece sin contaminación por armónicos.

 

      En estos casos, si no deseamos que la intensidades de los armónicos provoquen el disparo de las protecciones diferenciales al sobrepasar los 286,9 mA, y atender solamente a la corriente real de fuga que es de poco más de 6 mA, será necesario instalar una protección selectiva de clase B, que discrimina las corrientes de los armónicos, funcionando solo cuando las corrientes de defecto a tierra pertenecen a la frecuencia de la red, aunque su funcionamiento no es perfecto y no están exentos de otros problemas diferentes como por ejemplo, el comportamiento frente a las "corrientes de conexión o Inrush" que no son objeto de esta información. También podemos insertar un filtro de banda de paso bajo fabricado por Montajes Alhama SLU para estas aplicaciones, el cual elimina en las medidas las tensiones pertenecientes a los armónicos y ruidos de Alta Frecuencia, que además tiene un coste de una fracción que una protección diferencial de clase B, y un funcionamiento mucho más eficaz como hemos podido comprobar en los gráficos anteriores. Nuestros filtros están exentos de producir problemas y efectos indeseados, esto es gracias al la investigación constante que realiza nuestra empresa para ofrecer soluciones que funcionan al 100 %, y se consigue con una evolución constante donde se emplea siempre para realizar las investigaciones y los ensayos el software mas reciente y la instrumentación más avanzada existente en cada momento, así como los componentes de mayor calidad para la fabricación de los filtros.

 

AJUSTE CORRECTO DE LAS PROTECCIONES DIFERENCIALES

      Entrando en detalles para ajustar correctamente una protección diferencial, hemos de recordar que tanto las acometidas eléctricas como el conjunto de receptores eléctricos como motores, etc., presentan una capacidad intrínseca por cada uno de los componentes que parten de la protección diferencial, y por lo tanto, dichos componentes más la acometida tienen un consumo de intensidad capacitiva a la frecuencia de 50 Hz o 60 Hz de la red que se debe evaluar, con el objeto de tenerlo en cuenta en el ajuste de la protección diferencial, descontando dicha intensidad del ajuste deseado para la protección diferencial. Por ejemplo, si tenemos una capacidad compuesta por el conjunto de conductores de la acometida más los receptores eléctricos conectados a dicha acometida que parte de la protección diferencial, que suman 0,5 µF (micro Faradios), la intensidad de corriente consumida por el conjunto de todas las capacidades en paralelo a 50 Hz y 400 V AC de tensión nominal entre fases, aplicando los cálculos será: 36,27 mA, suponiendo que necesitamos ajustar la protección diferencial a un umbral de disparo de 300 mA, el umbral de la corriente de disparo disponible para la protección será de 300 mA - 36,27 mA = 263,72 mA., continuando con los cálculos, para garantizar que no se producirán disparos por fugas a masa o tierra, la impedancia a tierra que debe presentar el conjunto de todos los componentes que alimenta la acometida más los conductores de la acometida no debe ser inferior a: (U/√³)/I = 230,95 V AC / 0,26372 A = 876 Ω.        

 

RESPUESTA DEL FILTRO DIFERENCIAL PASIVO   

      Captura perteneciente a una corriente de ensayo de 250 mA circulando a través del filtro diferencial pasivo. La magnitud y forma de onda de la corriente de disparo a la entrada del filtro, y de la corriente de salida del filtro son muy similares, aunque existe un pequeño retardo de tiempo de 2 ms (mili segundos) entre las dos corrientes debido a la acción del circuito pasivo del filtro. Razonando este último detalle, como se puede comprender, 2 milisegundos de retardo no modifican en modo alguno la respuesta de disparo del relé de protección diferencial, ya que todos los reles de protección diferencial tienen un tiempo fijo de retardo comprendido entre 20 y 60 mili segundos.