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PW-D3 · Flujo, fallas, protección

Tipos de falla y corriente de falla: cómo se conectan los circuitos de secuencia

En D2 el desequilibrio quedó separado en tres circuitos equilibrados: secuencia positiva, negativa y cero. Ahora basta con conectar esos tres circuitos según cada tipo de falla para obtener directamente la corriente de falla. Cambia el tipo de falla con las pestañas y comprueba qué circuitos de secuencia se conectan, y de qué manera, y cómo la suma de las impedancias conectadas fija la corriente de falla.

Cambia el tipo de falla y lee la conexión

Tres circuitos de secuencia, Z_1, Z_2 y Z_0, están entre la fuente E y el punto de falla (la marca roja), y al cambiar el tipo de falla con las pestañas cambian los circuitos que se iluminan en dorado. El cortocircuito trifásico pasa solo por la secuencia positiva, la falla a tierra por los tres circuitos y el cortocircuito entre líneas por la positiva y la negativa; alrededor de cada circuito sin usar, el cable da un rodeo por debajo. Cuanto mayor es la suma de las impedancias conectadas, menor es la corriente de falla, y la barra dorada de abajo da ese valor en pu.

Toca una pestaña para cambiar el tipo de falla.
Corriente de falla (tensión previa a la falla E = 1 pu)
I_f ≈ 5.00 pu
Solo el circuito de secuencia positiva. I_f = E/Z_1. Suele ser la mayor corriente de falla.

Cortocircuito trifásico · una falla equilibrada

Cuando las tres fases se cortocircuitan a la vez, la falla misma es equilibrada, así que no aparecen secuencias negativa ni cero. Solo se usa el circuito de secuencia positiva, y la corriente de falla es I_f = E/Z_1; con los valores de la figura, 1 ÷ 0,2 = 5,00 pu. Como la corriente pasa por una sola impedancia, la de secuencia positiva, suele ser la mayor corriente de falla, y por eso la capacidad de ruptura de un interruptor se fija normalmente a partir de la corriente de cortocircuito trifásico. Es la falla más rara, pero la más severa.

Falla a tierra · se abre el camino de secuencia cero

La falla a tierra, en la que una fase toca tierra, es la más común en los sistemas reales. En ella los tres circuitos, positivo, negativo y cero, se conectan en serie y la corriente de falla es I = 3E/(Z_1+Z_2+Z_0); con los valores de la figura, 3 ÷ 0,8 = 3,75 pu, menos que el cortocircuito trifásico. Lo que gobierna la corriente es la impedancia de secuencia cero Z_0. Con el neutro puesto a tierra rígidamente, Z_0 es pequeña y la corriente de falla a tierra es grande (si Z_0 es menor que Z_1, puede incluso superar la corriente de cortocircuito trifásico); con puesta a tierra de alta resistencia, Z_0 crece y la corriente disminuye; y en un sistema aislado de tierra, Z_0 es prácticamente infinita, así que la corriente de falla a tierra es casi 0 (solo circula una pequeña corriente por la capacidad entre las líneas y tierra). Lo que se vio en D2, que la corriente de secuencia cero necesita un camino de retorno, aparece aquí tal cual.

Observa3φ: If = E / Z1
Un cortocircuito trifásico usa una sola impedancia, la positiva.
EligeLG: I = 3E / (Z1 + Z2 + ?)
Una falla a tierra pone las tres en serie, cero incluida.
CompletaLL: I = √3 E / (Z1 + ?)
Un cortocircuito entre líneas usa solo positiva y negativa.
Por tu cuentaZ0 → ∞ → Iground = ?
Sin camino de retorno para la secuencia cero, la corriente de falla a tierra es 0.

Cortocircuito entre líneas · la tierra queda fuera

En un cortocircuito entre líneas, en el que dos fases se tocan entre sí, la tierra no interviene, así que no aparece secuencia cero. Los circuitos de secuencia positiva y negativa se conectan en paralelo en el punto de falla, pero como el de secuencia negativa no tiene fuente, la corriente pasa primero por Z_1 y luego por Z_2. Por eso la figura ilumina dos cajas en fila, y la corriente de falla es I = √3 E/(Z_1+Z_2). Como Z_2 suele ser parecida a Z_1, la corriente entre líneas ronda √3/2 ≈ 0,87 veces la del cortocircuito trifásico, y en la figura 4,33 pu es también 0,87 veces 5,00 pu. Sin la secuencia cero es más simple que la falla a tierra, pero por dos fases circulan corrientes grandes, así que también hay que despejarla rápido.

De vuelta a la primera pantalla

Los tres circuitos de secuencia eran siempre los mismos, pero cada cambio de tipo de falla iluminó otros circuitos y cambió la corriente de falla a 5,00, 3,75 y 4,33 pu. El cortocircuito trifásico pasó solo por la secuencia positiva, así que su impedancia fue la menor y su corriente la mayor, mientras que la falla a tierra sumó en serie la secuencia cero y su corriente bajó. Las secuencias positiva, negativa y cero que se separaron en D2 se han convertido aquí en piezas que se conectan según el interruptor llamado tipo de falla. Con la corriente de falla en la mano, pasamos a la protección, que la detecta y la despeja.

Tipos de falla y corriente de falla: el tipo de falla fija la conexión de los tres circuitos de secuencia, y la suma de las impedancias conectadas fija la corriente de falla. El cortocircuito trifásico pasa solo por la positiva, I = E/Z1 (normalmente la mayor); la falla a tierra pone positiva, negativa y cero en serie, I = 3E/(Z1+Z2+Z0); el cortocircuito entre líneas usa los circuitos positivo y negativo, I = √3 E/(Z1+Z2). Sin camino de secuencia cero (puesta a tierra), la corriente de falla a tierra es 0.
El siguiente paso

Calculada la corriente de falla, queda ver cómo detectarla y despejarla. La última unidad de la sección D (PW-D4) trata la protección por relés y la interrupción. Un relé mide corriente y tensión, decide si hay falla y envía una señal al interruptor, que extingue el arco y separa del sistema solo el tramo con falla. El núcleo de la protección es la selectividad y la coordinación de tiempos: despejar rápido las fallas cercanas y más tarde las lejanas, para que solo se quede sin servicio el tramo que de verdad debe hacerlo.