Tipos de fallos y efectos en los sistemas eléctricos de potencia

El sistema de energía eléctrica está creciendo en tamaño y complejidad en todos los sectores, como los sistemas de generación, transmisión, distribución y carga. Los tipos de fallos, como las condiciones de cortocircuito en la red del sistema eléctrico, provocan graves pérdidas económicas y reducen la fiabilidad del sistema eléctrico. Una avería eléctrica es una condición anormal, causada por fallos de los equipos, como transformadores y máquinas rotativas, errores humanos y condiciones ambientales. Estos fallos provocan la interrupción de los flujos eléctricos, daños en los equipos e incluso la muerte de personas, aves y animales. Este artículo trata de una visión general de los diferentes tipos de fallos y sus efectos que se producen en los sistemas de energía eléctrica.

¿Qué es una avería eléctrica?

Una avería eléctrica es la desviación de tensiones y corrientes de los valores o estados nominales. En condiciones normales de funcionamiento, los equipos o líneas del sistema eléctrico conducen tensiones y corrientes normales, lo que da lugar a un funcionamiento más seguro del sistema.

Pero cuando se produce una avería, hace que fluyan corrientes excesivamente altas que provocan daños en los equipos y dispositivos. La detección y el análisis de fallos son necesarios para seleccionar o diseñar equipos de conmutación, relés electromecánicos, disyuntores y otros dispositivos de protección adecuados.

Tipos de fallos en los sistemas de energía eléctrica

En el sistema de energía eléctrica, los fallos son principalmente de dos tipos, como los fallos de circuito abierto y los fallos de cortocircuito. Además, estos tipos de fallos pueden clasificarse en simétricos y asimétricos. Analicemos estos tipos de fallos en detalle. Estos fallos se clasifican en dos tipos.

• Fallo simétrico
• Fallo asimétrico

Fallos simétricos

Son fallos muy graves y ocurren con poca frecuencia en los sistemas eléctricos. También se denominan fallos equilibrados y son de dos tipos: de línea a línea a tierra (L-L-L-G) y de línea a línea (L-L-L).

Sólo el 2-5% de los fallos del sistema son fallos simétricos. Si se producen estos fallos, el sistema permanece equilibrado, pero provoca graves daños en los equipos del sistema eléctrico.

La figura anterior muestra dos tipos de fallos simétricos trifásicos. El análisis de esta avería es fácil y suele realizarse por fases. El análisis o la información de las faltas trifásicas es necesaria para seleccionar los relés de fase, la capacidad de ruptura de los disyuntores y el valor nominal de la aparamenta de protección.

Las averías simétricas se clasifican en dos tipos

• Fallo de línea - línea - línea
• Falla de línea - línea - tierra

Fallo L - L - L

Este tipo de fallos están equilibrados, lo que significa que el sistema sigue equilibrado después de producirse el fallo. Por tanto, esta avería rara vez se produce, aunque es el tipo de avería más duro y con mayor corriente. Por ello, esta corriente se utiliza para determinar la potencia del interruptor.

Fallo L - L - L - G

La avería L - G trifásica afecta principalmente a todas las trifásicas del sistema. Esta avería se produce principalmente entre las 3 fases, así como en el terminal de tierra del sistema. Por lo tanto, la probabilidad de que se produzca la avería es del 2 al 3%.

Faltas asimétricas

Son muy comunes y menos graves que las faltas simétricas. Existen principalmente tres tipos: fallas de línea a tierra (L-G), de línea a línea (L-L) y de doble línea a tierra (LL-G).

El fallo de línea a tierra (L-G) es el más común y el 65-70 por ciento de los fallos son de este tipo.

Hace que el conductor haga contacto con la tierra o el suelo. entre el 15 y el 20 por ciento de las averías son de doble línea a tierra y hacen que los dos conductores entren en contacto con la tierra. Las faltas de línea a línea se producen cuando dos conductores entran en contacto entre sí, principalmente durante la oscilación de las líneas debido a los vientos, y entre el 5 y el 10 por ciento de las faltas son de este tipo.

También se denominan faltas de desequilibrio, ya que su aparición provoca un desequilibrio en el sistema. El desequilibrio del sistema significa que los valores de impedancia son diferentes en cada fase, lo que hace que fluya una corriente desequilibrada en las fases. Son más difíciles de analizar y se producen por fases de forma similar a las faltas equilibradas trifásicas.

Las averías asimétricas se clasifican en dos tipos

• Fallo simple L - G (línea a tierra)
• Fallo L - L (línea a línea)
• Fallo doble L - G (línea a tierra)

Fallo simple L - G

Este fallo L - G simple se produce principalmente cuando un solo conductor cae hacia el terminal de tierra. Así, entre el 70 y el 80 % de los fallos en el sistema eléctrico son fallos L-G simples.

Fallo L - L

Este fallo L- L se produce principalmente cuando dos conductores se cortocircuitan y también debido al fuerte viento. Así que los conductores de la línea pueden moverse debido al fuerte viento, pueden tocarse entre sí y provocar un cortocircuito. Así, pueden producirse entre un 15 y un 20% de los fallos aproximadamente.

Fallo doble L - G

En este tipo de avería, las dos líneas entran en contacto entre sí a través del suelo. Por tanto, hay un 10% de probabilidad de que se produzcan fallos.

Fallos de circuito abierto

Los fallos de circuito abierto se producen principalmente por el mal funcionamiento de uno o más conductores utilizados en el sistema eléctrico. A continuación se muestra el diagrama de fallos de circuito abierto. Este circuito es para una condición abierta de 1 fase, 2 fases y 3 fases.

Estos fallos se producen principalmente por problemas comunes como el fallo de las juntas en las líneas aéreas, los cables, el fallo en la fase de un disyuntor, la fusión del conductor o el fusible dentro de una fase o más fases.
Estas averías también se conocen como averías en serie, que son tipos desequilibrados o asimétricos, aparte de la avería abierta trifásica.

Por ejemplo, una línea de transmisión funciona con una carga equilibrada antes de que se produzca un circuito de fallo abierto. En la línea de transmisión, si alguna de las fases se disuelve, la carga real de un alternador puede disminuir y aumenta la aceleración del alternador, por lo que trabaja a una velocidad algo superior a la velocidad sincrónica. En otros cables de transmisión, este exceso de velocidad puede provocar sobretensiones. Por lo tanto, las condiciones de apertura monofásica y bifásica pueden generar corrientes y tensiones del sistema eléctrico que causen grandes daños a los aparatos.

Estas averías se clasifican en tres tipos como los siguientes

• Fallo de conductor abierto
• Fallo de dos conductores abiertos
• Fallo abierto de tres conductores.

Causas y efectos de los tipos de averías

Estas averías pueden producirse por el mal funcionamiento del circuito, así como por la rotura del conductor en una o varias fases. Los efectos de los fallos de circuito abierto son los siguientes

• Funcionamiento irregular del sistema eléctrico
• Estos fallos pueden suponer un peligro tanto para los animales como para los seres humanos
• En particular, en una parte de la red, cuando se supera la tensión por encima de los valores normales, se producen fallos de aislamiento y se desarrollan fallos de cortocircuito.
• Sin embargo, este tipo de fallos en los circuitos puede aceptarse durante mucho tiempo en comparación con los fallos de tipo cortocircuito, ya que estos fallos deben desprenderse para disminuir los elevados daños.

Fallos de cortocircuito

Los fallos de cortocircuito se producen principalmente por un fallo en el aislamiento entre los conductores de fase y tierra. Un fallo de aislamiento puede provocar la formación de una trayectoria de cortocircuito que activa las condiciones de cortocircuito dentro del circuito.

La definición de cortocircuito es, una conexión anormal de impedancia extremadamente menor entre dos puntos de potencial disímil, ya sea realizada por casualidad o a propósito. Estos fallos son los tipos más comunes que provocan un flujo de corriente anormalmente alto en las líneas de transmisión o en los equipos.

Si se permite que los fallos de cortocircuito continúen, aunque sea por poco tiempo, se producen grandes daños en el aparato. Los fallos de cortocircuito también se conocen como fallos en derivación, ya que estos fallos se producen principalmente por el fallo de aislamiento entre los conductores de fase o entre los conductores de fase y la tierra

Las diferentes condiciones de fallo de cortocircuito alcanzables comprenden principalmente 3 fases a tierra, 3 fases libres de tierra, 1 fase a tierra, fase a fase, 2 fases a tierra, fase a fase y una fase a tierra.

Tanto la falta trifásica libre de tierra, como la falta trifásica hacia tierra, pueden ser simétricas o equilibradas, mientras que las demás faltas son faltas asimétricas.

Causas y efectos de las faltas de cortocircuito

Los fallos de cortocircuito pueden producirse por los siguientes motivos.

• Estos fallos pueden producirse por efectos internos o externos
• Los efectos internos son la rotura de las líneas de transmisión, los daños en los equipos, el envejecimiento del aislamiento, la corrosión del aislamiento dentro del generador, la instalación incorrecta de los dispositivos eléctricos, los transformadores y su diseño inadecuado.
• Estas averías pueden producirse por efectos externos de los aparatos, fallos de aislamiento por sobrecargas de luz y daños mecánicos por parte del público.

Los efectos de los fallos de cortocircuito son los siguientes

• Los fallos de arco voltaico pueden provocar incendios y explosiones en aparatos como los transformadores y los disyuntores.
• El flujo de energía puede restringirse gravemente o incluso bloquearse totalmente si persiste el error de cortocircuito.
• Las tensiones de funcionamiento del sistema pueden subir por encima o por debajo de sus valores de aceptación y tener un efecto perjudicial en el servicio prestado a través del sistema eléctrico.
• A causa de las corrientes anormales, los aparatos se calientan, por lo que la vida útil de su aislamiento puede reducirse.

Causas de los tipos de averías

Las principales causas de las averías eléctricas son las siguientes

Condiciones meteorológicas

Incluyen las huelgas de luz, las lluvias intensas, los vientos fuertes, la deposición de sal en las líneas aéreas y los conductores, la acumulación de nieve y hielo en las líneas de transmisión, etc. Estas condiciones ambientales interrumpen el suministro de energía y también dañan las instalaciones eléctricas.

Fallos en los equipos

Diversos equipos eléctricos, como generadores, motores, transformadores, reactores, dispositivos de conmutación, etc., provocan fallos de cortocircuito debido a su mal funcionamiento, envejecimiento, fallo de aislamiento de los cables y bobinado. Estos fallos hacen que fluya una corriente elevada a través de los dispositivos o equipos, lo que los daña aún más.

Errores humanos

Los fallos eléctricos también se deben a errores humanos, como la selección de equipos o dispositivos de potencia inadecuada, el olvido de piezas metálicas o conductoras de electricidad después de la revisión o el mantenimiento, la conmutación del circuito mientras se está revisando, etc.

Humo de incendios

La ionización del aire, debida a las partículas de humo, que rodea a las líneas aéreas provoca chispas entre las líneas o entre los conductores al aislador. Esta chispa hace que los aisladores pierdan su capacidad aislante debido a las altas tensiones.

Tipos de averías y sus efectos

Los efectos de las averías eléctricas se producen principalmente por los siguientes motivos

Flujo de corriente excesivo

Cuando se produce el fallo, se crea una trayectoria de muy baja impedancia para el flujo de corriente. Esto hace que se extraiga una corriente muy alta de la alimentación, lo que provoca el disparo de los relés, dañando el aislamiento y los componentes del equipo.

Peligro para el personal de servicio

La aparición de una avería también puede causar descargas a las personas. La gravedad de la descarga depende de la corriente y la tensión en el lugar de la avería y puede llegar a provocar la muerte.

Pérdida de equipo

La fuerte corriente debida a fallos de cortocircuito hace que los componentes se quemen por completo, lo que provoca un funcionamiento incorrecto del equipo o dispositivo. A veces el fuego intenso provoca la quema completa del equipo.

Perturba los circuitos activos interconectados

Las averías no sólo afectan al lugar en el que se producen, sino que también perturban los circuitos activos interconectados a la línea averiada.

Incendios eléctricos

Los cortocircuitos provocan fogonazos y chispas debido a la ionización del aire entre dos trayectorias conductoras, lo que a su vez provoca un incendio, como observamos a menudo en noticias como los incendios de edificios y complejos comerciales.

Dispositivos limitadores de fallos

Es posible minimizar causas como los errores humanos, pero no los cambios ambientales. La eliminación de fallos es una tarea crucial en la red del sistema eléctrico. Si conseguimos interrumpir o romper el circuito cuando se produce una avería, se reducen los daños considerables a los equipos y también a la propiedad. Algunos de estos dispositivos de limitación de averías son los fusibles, los disyuntores y los relés.

Fusible

Es el principal dispositivo de protección. Es un cable fino encerrado en una carcasa o cristal que conecta dos partes metálicas. Este hilo se funde cuando fluye una corriente excesiva en el circuito. El tipo de fusible depende de la tensión a la que debe funcionar. Es necesario sustituir manualmente el cable cuando se funde.

Interruptor automático

Realiza el circuito en condiciones normales, así como cortes en condiciones anormales. Provoca el disparo automático del circuito cuando se produce un fallo. Puede ser un disyuntor electromecánico, como los disyuntores de vacío/aceite, etc., o un disyuntor electrónico ultrarrápido.

Relé

Es un interruptor de funcionamiento basado en la condición. Consta de una bobina magnética y de contactos normalmente abiertos y cerrados. La aparición de un fallo eleva la corriente que energiza la bobina del relé, lo que hace que los contactos actúen para interrumpir el flujo de corriente en el circuito Relés de protección son de diferentes tipos, como los relés de impedancia, los relés mho, etc.

Dispositivos de protección de la energía luminosa

Incluyen descargadores de alumbrado y dispositivos de puesta a tierra para proteger el sistema contra los rayos y las sobretensiones.

Análisis de averías trifásicas basado en la aplicación

Podemos analizar los fallos trifásicos utilizando un circuito sencillo como el que se muestra a continuación. En él se crean fallos temporales y permanentes mediante interruptores de fallo. Si pulsamos el botón una vez como fallo temporal, la disposición del temporizador dispara la carga y también restablece el suministro de energía a la carga. Si pulsamos este botón durante un tiempo determinado como fallo permanente, este sistema apaga completamente la carga mediante la disposición del relé.

¿Cómo detectar y localizar las averías?

En las líneas de transmisión, la avería es muy fácil de identificar, ya que la crisis es generalmente perceptible. Por ejemplo, una vez que un árbol ha caído sobre la línea de transmisión, si no es así, un poste eléctrico puede estar dañado, así como los conductores están tirados en la tierra.

En un sistema de cables, la localización de averías puede hacerse cuando el circuito no funciona, o bien cuando el circuito funciona. Existen diferentes métodos para la localización de averías, que pueden dividirse en técnicas de terminal, que funcionan con corrientes y tensiones medidas en los extremos del cable, y métodos de rastreo, que requieren una inspección a través del cable. La zona normal de las averías puede localizarse en las técnicas terminales para acelerar el rastreo a través de un cable de transmisión.

En los sistemas de cableado, la localización del fallo puede encontrarse a lo largo de la verificación de los cables. En los sistemas de cableado difíciles, en los que los cables pueden estar enterrados, estos fallos se localizan mediante un reflectómetro de dominio temporal que envía un pulso por el cable y después examina la señal reflejada para reconocer los fallos en el cable eléctrico.

En un famoso cable telegráfico submarino, se utilizaron galvanómetros de respuesta para calcular las corrientes de avería mediante pruebas en los extremos del cable de avería. En los cables, se utilizan dos métodos para localizar las averías, como el bucle de Varley y el bucle de Murray.

En un cable de alimentación, un fallo de aislamiento no puede producirse a bajas tensiones. Por ello, se utiliza una prueba de golpeo aplicando un pulso de alta tensión, de alta energía, al cable. La localización del fallo puede hacerse escuchando el sonido de descarga en el error. Cuando esta prueba dona daños en el lugar del cable, es útil, ya que en todo caso habría que volver a aislar el lugar del fallo.

En un sistema de distribución con alta resistencia a tierra, un alimentador puede expandir un error a tierra aunque el sistema se mantenga en proceso. El alimentador averiado, así como energizado, puede encontrarse en un transformador de corriente de tipo anillo que reúne todos los cables de fase del circuito; simplemente el circuito incluye un error a tierra ilustrará una corriente neta perturbada. La resistencia de puesta a tierra se utiliza para que la corriente de la falta a tierra sea más fácil de notar entre dos valores para vencer la corriente de falta.

Espero que te hayas hecho una idea básica sobre las faltas trifásicas. Gracias por tu valioso tiempo dedicado al artículo. Además, si tienes alguna duda sobre los proyectos eléctricos y electrónicos, escribe tu opinión en la sección de comentarios de abajo.

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