Esta función se utiliza para proteger las redes eléctricas contra defectos a tierra.
La protección actúa cuando la corriente residual Ir = I1 + I2 + I3 una vez sobrepasado el nivel de regulación.
Los dispositivos de medida de corriente residual se instalan en cada una de los circuitos de salida de la red, como se indica en la figura 1 y realizan la suma vectorial de las corrientes que circulan por cada una de las fases. La corriente residual corresponde a la corriente de paso por tierra.
If1: corriente de falta
IN: corriente que circula en la impedancia de puesta a tierra del neutro
IC: Corrientes capacitivas se cierran por las capacidades fase-tierra de la red
ICf: Corrientes capacitivas se cierran por las fases sanas de la salida con defecto
ICi: corrientes capacitivas se cierran por las fases sanas de las salidas sin defecto
Irsdf: Corriente residual medida en la salida con defecto
Irsdi: Corriente residual medida en las salidas sin defecto
V1, V2, V3 : tensiones simples de la red.
Figura 1: Repartición de corrientes capacitivas en una red con varios circuitos de salida
La corriente que circula en la falta es la suma de las corrientes que se cierran por ZN y las que se cierran por las capacidades de las fases sanas en cada circuito de salida de la instalación. El funcionamiento de la protección es similar a la protección de máxima corriente de fases según las curvas t = f (Irsd), ver figuras 3, 6 y 7 en:
La protección se regula de manera muy sensible con el fin de detectar pequeñas corrientes de defecto a tierra.
● Medida de la corriente residual
La corriente residual que caracteriza la corriente de defecto a tierra se obtiene:
- Por un transformador toroidal conteniendo los tres conductores de fase. Las espiras del toro abrazan un flujo magnético ϕrsd tal que ϕrsd = ϕ1 + ϕ2 + ϕ3 (figura 2).
ϕ1, ϕ2 y ϕ3 son proporcionales a las corrientes de fase I1 , I2 y I3 , ϕrsd será entonces proporcional a la corriente residual.
El trenzado de puesta a tierra indicado en la figura 2 deberá pasar por el interior del toro, con objeto de que un defecto interno en el cable (fase – pantalla) sea detectado. En efecto, en el caso contrario, la corriente de cortocircuito circula por el conductor del cable y retorna por la pantalla no siendo detectada por el toro.
- Por tres transformadores de corriente con los neutros conectados, se realiza así la suma Irsd = I1 + I2 + I3 solución utilizada generalmente en media y alta tensión (figura 3).
Figura 2: Medida de la corriente residual con transformador toroidal
Figura 3: Medida de la corriente residual con tres transformadores de corriente
● Precisión de la medida de la corriente residual
La medida con tres transformadores de corriente limita la sensibilidad de la protección aproximadamente el 12% del calibre nominal de los transformadores de corriente.
La medida con transformador toroidal (cuando es posible), es preferible por ser más precisa. Con el fin de no tener riesgos de disparos intempestivos debidos a falsas corrientes residuales transitorias, el umbral de corriente deberá, en este caso, ser superior a 1 A con temporización de 0,1 s.
● Insensibilización a los armónicos 3 y sus múltiplos
La protección debe ser insensible a los armónicos 3 y sus múltiplos que pueden provenir de la red o por la saturación de los transformadores de corriente cuando las puntas de corriente son importantes, o en el curso de regímenes transitorios que comprenden componentes aperiódicas.
Efectivamente, los armónicos 3 y sus múltiplos son vistos por la protección como una corriente residual, porque están en fase.
Suponiendo tres corrientes i1, i2 y i3 equilibradas y desfasadas un tercio de periodo:
Atención: el desfase de las corrientes es temporal, por lo que es necesario escribirlo como se indica seguidamente.
Mediante la sustitución de w por 3 w, los terceros armónicos de estas tres corrientes son:
Se puede también ver gráficamente que los armónicos 3 están en fase (figura 4), al igual que todos los armónicos múltiplos de 3
En ausencia de defecto a tierra, la corriente residual es igual a 3 veces la suma de los armónicos 3 y múltiplos de 3 que circulen por cada fase.
Es importante insensibilizar la protección a los armónicos 3 y múltiplos de 3, para no provocar disparos intempestivos.
Figura 4: Los armónicos 3 de un sistema trifásico están en fase
REFERENCIAS:
Protection of Electrical Networks, Christophe Prévé
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