PROTECCIONES DIFERENCIALES 

 

SOLUCIONES 100% EFECTIVAS GARANTIZADAS

      A día de hoy la electrónica de potencia gobierna la mayoría de cargas de potencia eléctrica con mayor eficacia, pero con su uso se derivan fenómenos eléctricos indeseados que antes no se presentaban porque el control de potencia mediante la electrónica era poco significativo. Las cargas eléctricas "no lineales" que son las gobernadas por la electrónica de potencia, están presentes en los inversores fotovoltaicos, los variadores de frecuencia, en fuentes de alimentación conmutada, en los SAI, y en todo tipo de control electrónico que usa pulsos eléctricos diferentes a la tensión senoidal de la red para ajustar la velocidad o el voltaje de los receptores como motores, servos, alimentación regulada, equipos de soldadura, hornos, alumbrado LED, etc., es decir, prácticamente la totalidad de receptores o cargas eléctricas de la industria, y del sector residencial. Todo ello ha incrementado el "ruido" en las redes eléctricas un nivel que antes del uso masivo de la electrónica de potencia no existía, causando toda clase de mal funcionamientos, y fenómenos no deseados como es el caso de los disparos de las protecciones diferenciales sin causa aparente, y sin existir defectos de aislamiento en los conductores eléctricos o en los receptores. 

      Montajes Alhama SLU tiene amplia experiencia en la solución de las anomalías que se generan en los armarios eléctricos por el uso de VFs (Variadores de Frecuencia) para accionamiento de motores, inversores para energía fotovoltaica, y demás tipos de equipos electrónicos que utilizan la misma tecnología de PWM (Pulse Width Modulation) o Modulacion por Ancho de Pulso, para funcionar, estos generan los mismos tipos de problemas que pueden causar disparos intempestivos de las protecciones diferenciales. Nuestra empresa fabrica productos que filtran y eliminan de forma definitiva las anomalías que producen los controles de potencia como inversores fotovoltaicos, y variadores de frecuencia durante su funcionamiento. De forma paralela también diseñamos y fabricamos componentes eléctricos que permiten eliminar las anomalías eléctricas en armarios que no tienen variadores instalados, pero son afectados por el funcionamiento de los armarios cercanos que si tienen inversores fotovoltaicos o variadores de frecuencia.

      El medio que pone fin a la "electro erosión" que se produce en los rodamientos de los motores eléctricos causada por la inducción de las tensiones PWM que parten de los variadores de frecuencia que es acoplada al eje de los motores, consiste en la instalación de componentes construidos a medida para la potencia de cada motor, eliminando la totalidad de los problemas a la salida del VF o convertidor como veremos más adelante, se trata de "Resonadores Vectoriales" éstos son instalados entre el inversor y la instalación o entre el variador y el motor. 

      Con los Resonadores Vectoriales se puede prescindir de instalar cables apantallados entre variador y motor, se eliminan las sobretensiones de conmutacion en el motor, la distancias de cables largos a la salida de los variadores requiere obligatoriamente inductancias de compensación para evitar retornos de tension, cuando se instala un Resonador Vectorial a la salida del variador de frecuencia, los cables entre variador y motor pueden ser de cualquier longitud, sin que afecte al funcionamiento del variador o motor, los cables apantallados que conectan los variadores a los motores deben ser balanceados que tienen un coste superior para reducir en parte la radiación electromagnética, cuando se instalan Resonadores Vectoriales los cables no tienen que ser balanceados ni apantallados pues desaparece el problema de la radiacción electromagnética, 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 Vectorieles 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.

 

¿PUEDEN LOS ARMONICOS PROVOCAR EL DISPARO DE LA PROTECCIÓN DIFERENCIAL?

      Para responder adecuadamente la pregunta debemos distinguir primero (caso A) si se trata de "THDI" (distorsión de la corriente producida por corrientes armónicas de Baja Frecuencia en la entrada de los accionamientos electrónicos de potencia) como Variadores de Frecuencia, o (caso B) por fugas de corriente capacitiva de AF (Alta frecuencia) que se acoplan a masa o a tierra desde los conductores que parten de los accionamientos electrónicos hacia los motores o la instalación, y por las fugas de corriente de AF de los propios motores, receptores eléctricos, o por las corrientes de AF que tienen su origen en los filtros de los accionamientos electrónicos. La distorsión de corriente THDI se produce mayormente al rectificar tensiones trifásicas por el rectificador de potencia de los VF, y afecta mínimamente a la sensibilidad o al disparo de las protecciones diferenciales, por lo que en el caso A no se producen disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, no obstante, las corrientes de los armónicos de baja frecuencia pueden contener "modulación" producida por corrientes de gran magnitud de Alta Frecuencia que pueden afectar al comportamiento de las protecciones diferenciales. Los disparos fortuitos de las protecciones diferenciales suceden por la “suma” de una o de todas las fugas pertenecientes al caso B cuando superan el umbral de disparo ajustado en las protecciones diferenciales.

      En la imagen siguiente podemos ver el esquema de un filtro contra EMI (Interferencias Electro Magnéticas) de los que se instalan para accionamientos de potencia como Variadores de Frecuencia, inversores fotovoltaicos, etc., para realizar el filtrado de las tensiones pertenecientes a las frecuencias de AF existen en el interior del filtro condensadores conectados directamente entre las fases y tierra o masa para derivar dichas tensiones a masa, lo cual produce inevitablemente que exista siempre cierta corriente circulando a masa en todo momento, y que dicha corriente aumente con el funcionamiento de los accionamientos que alimenta el filtro. 

 

      El problema es que las protecciones diferenciales interpretan como fuga todas las corrientes medidas que superan el umbral de disparo ajustado. Existen materiales de protección diferencial que resuelven en parte el problema, como los diferencniales superinminizados, los diferenciales de clase B o de clase F. Ninguno de ellos garantiza al 100 % la exclusión de todas las corrientes de AF en las medidas de fugas, dejando solamente las corrientes de fuga pertenecientes a las frecuencias de 50/60 Hz para realizar las medidas.  

      Conviene conocer, que los Variadores de Frecuencia realizan su funcionamiento generando ondas cuadradas de voltaje PWM en su salida hacia el motor y éstas generan armónicos de AF hasta el rango de varios MHz, que dependiendo de su amplitud pueden suponer un problema grave para las protecciones diferenciales por diferentes motivos. El lector puede ampliar esta información para conocer los detalles visitando en nuestra WEB los dos apartados de Variadores de Frecuencia, y Resonadores Vectoriales.

 

ELIMINACION DE LOS DISPAROS FORTUITOS DE LAS PROTECCIONES DIFERENCIALES

      El incremento de componentes electrónicos de potencia como variadores de frecuencia, 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 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 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 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 trifasicos o momofasicos de poca atenuación y de dudosa eficacia, de coste muy superior al de los filtros que Montajes Alhama fabríca, y no eliminan las corrientes de defecto en modo comun, que son las 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 potencia de baja tensión, debido a las sobretensiones que ocurren durante toda la vida del transformador. La forma lógica de proceder en estos casos es conectar los circuitos de uno en uno hasta que se produce el disparo de la protección diferencial, pero se corre el riesgo de desconocer cuanta corriente de fuga ha sido acumulada por los otros circuitos que ya han sido conectados antes del disparo. Por lo tanto, la mejor solución es la medida de las corrientes de fuga en la acometida o en los circuitos individuales, con el fin de conocer si la magnitud total de la corriente de fuga supera umbral de disparo de la protección diferencial.

 

Corriente residual máxima de fuga a tierra

      En ocasiones los relés de protección diferencial han de ser ajustados a umbrales de disparo superiores al de las corrientes de defecto a tierra presentes en la instalación 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 a las 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 relés 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 supere 24 V AC rms.

      A continuación, en el siguiente cuadro podemos ver la resistencia máxima de la puesta a tierra para determinados umbrales de corriente residual para una tensión máxima de 24 V AC rms entre fases y masa, donde Rt es la resistencia de la puesta a tierra, Vc es la tensión máxima AC de contacto, e Id es la intensidad máxima AC 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 el umbral de la intensidad de defecto de los los relés de protección diferencial a los valores limite calculados 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, observando igualmente que el transformador toroidal de medida se encuentre alejado de curvas situadas en los conductores de potencia. 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 cociente 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 >20 dB (deci Belios) que solo deje pasar las frecuecias de 50-60 Hz puede aportar la inmunidad absoluta frente a las corrientes de los armónicos y las 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 de medida, 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, identificada en el esquema siguiente como corriente "ID". En caso de existir una fuga de corriente ID hacia masa o tierra, las corrientes de las fases y el neutro inducen en el ctransformador toroidal, flujos magnéticos desequilibrados, cuya resultante no será cero, e inducirá en el bobinado del secundario del transformador toroidal una tensión que generará una corriente "I", que dependiendo de su valor eficaz, puede provocar el disparo del relé de protección 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 para las protecciones diferencales y los Resonadores Vectoriales para llos circuitos de potencnia, eliminan estas anomalías, dejando la onda de red completamente limpia y exenta de alteraciones, tanto en la parte de potencia, así como en las señales sensibles de corriente de las protecciones difeerenciales.   

 

Disparo diferencial producido 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 pueden 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 potencia reactiva 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 producido 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 frecuentes, y disparos diferenciales "reflejos" en otras acometidas distintas que se encuentren en la misma instalación. La incorporación de un filtro inductivo de clase "D" a la entrada de la acometida al VF atenuara las tensiones armónicas en 12 dB/Octava, resultando en una tensión armónica presente en la acometida de tan solo 3 % del voltaje armónico original. La realidad es muy distinta motrando que los filtros inductivos instalados en el 99,99 % de las máquinas son de clase "A" con tan solo 3 dB/Octava de atenuación, con una reducción muy pobre de los armónicos.  

      A continuación se muestra un video donde aparecen sobretensiones intermitentes entre el conductor de neutro de la 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, cuando el motor que es accionado mediante VF acelera, la tensión entre el conductor Neutro y Tierra pasa de 35 V con el motor parado a 128 V con el motor en marcha, es evidente en este caso que la protección diferencial no funciona, o esta desajustada expresamente para que no dispare, simplemente no existe, y que el motor, la acometida, o ambos, presentan una anomalía por defacto de aislamiento a masa o tierra.  

Enlace del video /video-sobretension-neutro

 

Disparos reflejos 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 de las protecciones diferenciales 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 F2 de la salida B pone a masa dicha fase y por lo tanto, provoca 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, que sea de tipo superinmunizado, y 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 las capacidades de los filtros de los variadores de frecuencia y demás filtros de los receptores electrónicos, así como las cargas no lineales, que utilizan condensadores, su capacidades provocan inevitablemente una corriente capacitiva 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 un 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. 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 para las personas y para los bienes. 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.

 

Filtros pasivos para eliminación del ruido generado por los armónicos y por la alta frecuencia en las señales que actuan 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 en el 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 conectada 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 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 de 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. 

 

 

      Fotigrafía correspondiente al análisis del filtro de banda comentado anteriormente

 

      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 Resonadores Vectoriales y los Filtros pasivos 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 la 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. 

 

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, y se agrava cuando la sección y el número de conductores de la acometida o línea eléctrica que debemos abrazar 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 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 6,347 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 rechazados por el filtro de paso de banda de forma que no interfieren en el funcionamiento correcto del rele de protección diferencial, todo ello sin tener que recurir a costosas protecciones diferenciales de clase B.

      Una imagen vale más que mil palabras, obsérvese en el cuadro superior 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 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.

 

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 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, la corriente 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.        

 

PROTECCION DIFERENCIAL EFICIENTE MEDIANTE FILTROS ACTIVOS SINTONIZABLES PARA INSTALACIONES CRITICAS CON RECEPTORES ELECTRICOS DE GRAN POTENCIA

      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 conducir al desmontaje de equipos importantes, los cuales carecen de anomalías que produzcan dichos disparos, y son desmontados a "ciegas" para reparar si fuese el caso, o 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. Esto también puede suceder por la urgencia de que un equipo importante vuelva a funcionar, o porque no se quiere asumir los costes de las pérdidas de producción que se producen durante las paradas por disparo de las protecciones, y por eso a veces se actúa con celeridad sin apoyo de otros ensayos eléctricos diferentes para contrastar la existencia de posibles errores en las medidas, cuando se evalúan las protecciones diferenciales que disparan de forma fortuita sin causa aparente. La suma de probabilidades de que se  produzcan disparos de la protección diferencial sin causa cierta puede tener su origen en la mala calidad de la alimentación eléctrica, en un defecto en la acometida, en un fallo de la propia protección diferencial, defectos en el equipo que se pretende proteger, anomalías en los receptores eléctricos que son alimentados, en tensiones acopladas de forma inductiva o capacitiva, o simplemente porque la suma de las corrientes capacitivas intrínsecas entre fases y masa supera el umbral de la correinte de protección diferencial ajustada, Con todo ello el profesional que se enfrenta a este tipo de anomalías debería tener tiempo suficiente más todos los conocimientos y el equipamiento necesario para realizar toda esta clase de mediciones y análisis, y en muchas ocasiones no se dispone de todo ello.  

      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 problemáticas.

      En el siguiente gráfico podemos ver la imagen correspondiente al análisis de respuesta en frecuencia y magnitud de un Filtro 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 decada más arriba en frecuencia, o sea, a 500 Hz, la atenuación del filtro 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.

 

 

      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. Con esta solución se puede garantizar que la protección diferencial actuara "solo" cuando exista defecto 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 reflejos producidos por "simpatía", ruidos  de muy alta frecuencia generado por las fuentes de alimentación conmutada, ruido PWM producido por los SAI, arranques bruscos de motores de elevada potencia, etc.

      En comparación con los filtros EMI denominados también filtros EMC de coste mucho más elevado y más voluminosos 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 interes, es decir, las tensiones de los armónicos, pulsos producidos por sobretensiones, ruido, etc., 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 >20 KHz en adelante que son frecuencias que se encuentran muy alejadas de la banda de frecuencia de interes, 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 imagenes siguientes podemos ver la forma física (derecha) y el gráfico de atenuación típica (izquierda) que produce un filtro trifásico 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. Este es uno de los motivo 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 de la 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 la perturbación de las comnicaciones vía rádio 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 al 100% el ruido de la banda de frecuencias de interes <10 KHz como armónicos, pulsos de sobretensiones, armónicos de AF producidos por los VFs, ruido eléctrico, y además 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, economica, y la más eficaz.