Asimetría de fases en redes trifásicas

Conceptos básicos de la tecnología de monitoreo en sistemas de bajo voltaje

¿Qué significa asimetría (desequilibrio) en sistemas trifásicos? El sistema más común es el sistema trifásico de 400 V (figura 1) formado por tres tensiones alternas que se desplazan en el tiempo 120 °(Figura 2). Entre las fases L1, L2 y L3, hay 3 tensiones fase a fase U_L1-L2, U_L2-L3, U_L3-L1 que también se conocen como tensiones de línea a línea. Representado gráficamente en un diagrama fasorial, estos voltajes dan como resultado un triángulo isósceles (figura 3). Los 3 voltajes contra el neutro N del transformador son los voltajes en estrella (tensiones de fase a neutro) U_L1-N, U_L2-N, U_L3-N que también se pueden dibujar en el triángulo isósceles.

En condiciones normales en un sistema trifásico, todos los voltajes son iguales en su magnitud y todos los ángulos son 120 °. Una desviación de esto se llama asimetría (desequilibrio).

Hay dos tipos de asimetría:

Caso 1: Dado un sistema rígido, es decir, los voltajes de fase a fase son constantes, los voltajes de fase a neutro en la carga (punto de medición A) pueden cambiar sin cambiar la simetría externa (figura 4). Este es el caso con cargas asimétricas en conexiones en estrella y conductor neutro interrumpido, es decir, con punto neutral abierto (estrella).

Caso 2: Sin embargo, si las tensiones de fase a fase cambian, esto siempre provocará un cambio de los voltajes de fase a neutro. Esto ocurre con cargas de potencia motriz cuando falla una fase (figura 1b). Los bobinados del motor U y V inducen una tensión en el devanado W desconectado, que ya no corresponde a la tensión original del sistema. Por lo tanto, el sistema de tres fases aguas abajo de los fusibles en el punto de medición B ahora se volvió asimétrico. Esto se conoce como potencia inversa.

Para detectar una asimetría en un sistema, para el primer caso, los 3 voltajes fase a fase contra el punto de estrella (conductor neutro N) se deben medir y comparar entre sí. Incluso las diferencias de voltaje más pequeñas causan una asimetría. Se puede calcular por:

En el segundo caso, basta con comparar la magnitud de los voltajes de fase a fase y determinar la asimetría (desequilibrio) con la ecuación anterior.

Consecuencias de la asimetría (desequilibrio) en los sistemas trifásicos

1. Interrupción del conductor neutro

Al principio, se considera el caso de un conductor neutro roto. Como se muestra en la fig. 4, los voltajes de fase a neutro pueden alcanzar valores peligrosamente altos, hasta la magnitud del voltaje de fase a fase en casos extremos. Está claro que esto dañaría o destruiría las cargas conectadas. Dichas sobretensiones son una consecuencia de un desequilibrio severo que se encuentra con frecuencia en sistemas privados o comerciales. Esto se debe al hecho de que los dispositivos eléctricos utilizados allí son principalmente consumidores monofásicos con diferentes consumos de energía.

Aunque se presta atención en las instalaciones del edificio para distribuir simétricamente las cargas a las 3 fases, la carga asimétrica no se puede evitar en el uso diario del equipo eléctrico. Un ejemplo para una carga altamente asimétrica puede ser una lavadora (2000 W) en la fase L1, bombillas (100 W) en la fase L2 y una radio (20 W) en la fase L3 (figura 6a).

En el funcionamiento normal del sistema, la tensión correcta del sistema (230 V) se aplica a todas las cargas. Sin embargo, si el conductor neutro no se reconecta después del trabajo en la instalación, por ejemplo, y el sistema se reconecta, la tensión en cargas pequeñas puede alcanzar valores muy altos. En nuestro ejemplo, la radio correría un alto riesgo (la unidad de potencia se dañaría) y las bombillas se fundirían.

El objetivo debe ser señalizar incluso los desequilibrios más pequeños mediante relés de medición y desconectar cargas si es necesario antes de que puedan evolucionar a condiciones peligrosas. Los relés de sobretensión / subtensión convencionales no son adecuados para una detección temprana. Para detectar una asimetría del 5%, por ejemplo, de acuerdo con la ecuación (1), solo mediante el uso de relés de voltaje, tenían que ajustarse a un valor de sobretensión o subtensión del 2,5%. Sin embargo, esto no sería útil ya que no hay necesidad de desconectar a una tensión mínima de solo 2.5%.

Por lo tanto, el monitor DOLD IL 9069 sería un dispositivo de medición adecuado para este caso porque detecta una asimetría de los voltajes de fase a neutro. Como los voltajes de fase a neutro pueden alcanzar valores altos en caso de fallo, el relé debe ser capaz de soportarlo.

2. Voltaje inverso

El voltaje inverso, también llamado alimentación inversa, se convierte en un problema cada vez que se interrumpe un conductor en la instalación eléctrica. Tal interrupción puede ser causada por un fusible fundido, un conductor roto o un fallo de contacto en un dispositivo de conmutación, por ejemplo (Fig. 1b). Sin embargo, un voltaje inverso solo ocurre cuando un motor o transformador trifásico está presente.

Debido a que los motores que se ejecutan en dos fases debido a una interrupción tienen la característica de regenerar la fase del sistema faltante por sí mismos. Sin embargo, la magnitud y el ángulo de este voltaje no coinciden con el voltaje original del sistema. Por lo tanto, el sistema trifásico se volvió asimétrico aguas abajo del punto de interrupción (medida B, Fig. 1b). El grado de asimetría depende del tipo, tamaño y carga del motor.

En el pasado, el comportamiento anterior se utilizó deliberadamente para generar un sistema trifásico a partir de un sistema monofásico existente. Hoy, en la era de la electrónica de potencia, esto ya no es necesario. En nuestro caso, sería incluso perjudicial cuando una fase falla en sistemas con accionamientos eléctricos.

El problema es que una operación monofásica no se puede detectar de inmediato porque las unidades siguen funcionando sin cambios por el momento. Solo cuando se cambie deliberadamente la condición de operación se detectará, pero puede ser demasiado tarde. Los motores trifásicos no pueden arrancar en un sistema monofásico, por ejemplo.

Además, ya no es posible una inversión de la dirección de rotación porque el motor continuará funcionando en su dirección original incluso después de enchufarlo. Esto puede ser peligroso si se necesita una reversión por razones de seguridad, como con prensas y calandras. También los motores para ascensores y grúas comenzarían en la dirección opuesta debido a la carga de tracción.

De nuevo, los relés de asimetría (desequilibrio) pueden usarse para prevenir condiciones de este tipo. Pero en este caso, se necesitan dispositivos que comparen los tres voltajes fase a fase y los evalúen de acuerdo con la ecuación 1. Como se describió para el conductor neutro, se detectan pequeñas cantidades de asimetría, que no pueden detectarse mediante los relés de tensión.

La Figura 7 representa la conexión correcta de un alimentador de motor, como ejemplo. El relé de baja tensión con detección de desequilibrio integrado IL 9071/011 se utiliza aquí. Tenga en cuenta que la sección entre el relé de asimetría y el motor no se supervisa. Si esto es necesario por razones de seguridad, el relé de mínima intensidad IP 9271 debe ser colocado adicionalmente en el alimentador del motor. Con esta medida, todo el sistema se protege de forma óptima contra fallas de fase y conductores rotos.

Nota: Para la detección de asimetría, también sería adecuado el BA 9040, y el relé de calbe roto AI 940 para la detección de baja corriente.