Aquí tienes todas las respuestas a tus dudas sobre la protección diferencial y los problemas con los variadores de velocidad en plantas industriales

La protección diferencial es un concepto crucial en el mundo de la ingeniería eléctrica y la automatización industrial. Su función es poner a salvo a las personas y a los equipos eléctricos contra los fallos de aislamiento y contactos directos.

Como bien saben las empresas industriales a las que asesoramos desde Grupo Elektra, esta protección es esencial cuando se utilizan variadores de velocidad, dispositivos ampliamente utilizados en la industria para controlar la velocidad y el par de motores eléctricos.

A pesar de sus múltiples ventajas, los variadores de velocidad también pueden plantear desafíos en términos de protección diferencial debido a su naturaleza compleja y a la generación de armónicos en la corriente eléctrica.

En este completísimo artículo, confeccionado por uno de los expertos que más sabe sobre esta materia, nuestro compañero Quim Soler, responsable del área de Componentes Industriales de Grupo Elektra, aprenderás sobre la importancia de la protección diferencial en el contexto de los variadores de velocidad y los problemas que pueden surgir al intentar implementarla de manera efectiva.

Porque en Grupo Elektra somos conscientes, desde hace más de cuarenta años, que solo a través del conocimiento y la adaptación constante las empresas y profesiones estarán en condiciones de garantizar la operación segura y confiable de sistemas eléctricos en entornos industriales y comerciales.

¡Guarda este artículo para consultarlo siempre! Que lo disfrutes.

Disparo intempestivo de diferenciales en líneas de alimentación de variadores

En este artículo se explican las problemáticas que existen con los diferenciales y los variadores de velocidad.

A partir de las necesidades específicas de protección de las instalaciones, de la obligatoriedad de uso de los diferenciales, el tipo de diferenciales, etc., descubriremos la solución idónea de protección en cada caso.

1. Introducción: UNE EN 60204-1. Seguridad de las Máquinas: Equipos eléctricos de las máquinas

¿Qué dice la norma de seguridad en máquinas sobre el uso de interruptores diferenciales?

Lo hemos sintetizado en el apartado de la guía de Grupo Elektra “Cuadros de control confome a las normas CEI y Directivas Europeas”.

Como vemos, aparece la protección diferencial obligatoria en sistemas TT.

En los siguientes apartados repasaremos este concepto de protección, los disparos intempestivos de los diferenciales y el efecto que tiene el uso de variadores de velocidad en los procesos industriales.

2. Protección contra los contactos directos

El interruptor diferencial es una protección adicional en el caso de fallar todas las medidas constructivas. En estos casos es necesario instalar un diferencial de sensibilidad 30 mA.

Está especificado en el REBT (norma UNE EN 60364-4).

3. Protección contra los contactos indirectos (fallo de aislamiento)

En función del esquema de conexión a tierra. En esquema TT, obligatorios:

En esquema TN, un fallo de aislamiento es un cortocircuito Fase Neutro, con lo que es despejado por la protección magnetotérmica. No son necesarios diferenciales si la impedancia de bucle es la suficiente para que la corriente de fuga haga disparar el magnetotérmico.

Aquí nos encontramos con una primera reflexión:

¿Debo instalar obligatoriamente un diferencial en las líneas de alimentación de los variadores?

A nivel industrial, donde el esquema de conexión habitualmente es TN, no sería necesario.

Pero si por decisión del proyectista (o por necesidad, debido a un esquema TT), nos vemos en la obligación de instalar un interruptor diferencial…

… ¿De qué clase/tipo? ¿AC, A, B?

Hagamos un repaso para saber qué decisión tomar:

4. Recordatorio sobre Clases/Tipos de diferenciales

Entonces, ¿cuál elegimos para un variador?

Para responder correctamente a esta pregunta debemos formularnos otra: ¿qué fugas se pueden producir en un variador?

5. Variador de velocidad y corriente de fuga

Un convertidor de frecuencia (FC) se considera como un ejemplo típico de equipo donde pueden producirse diferentes formas de onda de corriente residual dependiendo de la ubicación del fallo.

Así que ya tenemos respuesta:

La correcta protección de variadores de velocidad sería con diferenciales tipo B, ya que detectan las corrientes de fuga con componente continua que se pueden producir en el bus de continua.

Ojo: el diferencial tipo B, en principio, no evita que se produzcan disparos intempestivos, sino que se limita a proteger adecuadamente.

También podemos mirar las recomendaciones de los fabricantes de variadores. Por ejemplo, en las instrucciones del variador de frecuencia Siemens SINAMICS V20 encontramos lo siguiente:

Entonces, ¿por qué disparan los diferenciales sin un fallo de aislamiento?

Hemos llegado a uno de los puntos-clave de la cuestión: los disparos intempestivos.

6. Disparo Intempestivo de los interruptores diferenciales

Debemos analizar las corrientes de fuga que tiene la instalación de forma permanente.

Si tenemos un cuadro con varios variadores, hemos de hacer una medición, con pinza amperimétrica, o con sistemas de monitorización permanentes, y sumar esta fuga permanente a la sensibilidad de los diferenciales.

Otro tipo de disparo intempestivo:

En este caso la recomendación es elegir interruptores que tengan mayor resistencia a las fugas transitorias.

Una tercera posibilidad de disparos intempestivos:

Una solución: seleccionar diferenciales con prestaciones de “eliminado” de las fugas de alta frecuencia puede evitar disparos intempestivos.

Por ejemplo, los interruptores diferenciales modulares Tipo B de Schneider Electric y Siemens son superinmunizados y superresistentes.

En función de la fuga que se produzca (valor y frecuencia), y de la curva de respuesta del diferencial, se podría evitar el disparo intempestivo.

En relés diferenciales+toroidales, la solución Tipo B sería:

7. ¿Qué pasa en los variadores de velocidad?

En los variadores de velocidad se producen fugas a tierra permanentes.

Sobre todo, si llevan incorporados filtros CEM. Los filtros CEM (o de red) tienen condensadores entre fases y tierra.

• Problemática con los filtros de red de los variadores: tienen corrientes de fuga (a través de los condensadores conectados a masa) que los interruptores diferenciales detectan como corriente de defecto y disparan.
• Son fugas de alta frecuencia: recordar que la impedancia de la rama de los condensadores (Xc=1/Cw), disminuye con la frecuencia, y estas fugas de alta frecuencia encuentran un camino más “rápido” para circular hacia tierra.
• Con variadores de más de 2,2 kW y necesidad de protección de personas (contactos directos 30 mA), se deberá montar probablemente un filtro con reducidas corrientes de fuga, o un interruptor diferencial inmunizado a estas fugas.

Ejemplo de fuga permanente:

Recomendación:

• No instalar un número elevado de variadores de velocidad debajo de un solo diferencial.
• Usar filtros CEM de bajas corrientes de fuga.
• Medición de las corrientes de fuga permanentes.

Puede ocurrir que las corrientes de fuga permanentes no sean suficientes para hacer disparar el diferencial, y que aleatoriamente continúe disparando.

Esta circunstancia puede deberse a los armónicos.

8. Disparo de diferenciales y armónicos

Las corrientes armónicas circulando por los conductores activos no provocan el disparo de los interruptores diferenciales. Podemos tener altas THDI (%), pero no significa que generen corrientes de fuga.

Estas corrientes armónicas, al circular por la red (impedancia cables, impedancia transformador,..) distorsionan la tensión, generando armónicos de tensión (en el Punto de Conexión Común-PCC).

Existirá un determinado espectro de armónicos de esta tensión distorsionada, que es la que alimenta los receptores.

Estas tensiones a frecuencias elevadas, pueden provocar fugas por las capacidades a tierra (ya sea capacidades de cables largos, o de los filtros, etc.).

Influyen bastante las capacidades de aislamiento de los cables: un cable, respecto a tierra, presenta el mismo comportamiento que un condensador. Cuanto mayor sean las longitudes de los cables en las instalaciones, mayor será la capacidad de dichos cables respecto a tierra.

A mayor frecuencia, la impedancia capacitiva disminuye, con lo que las corrientes de fuga capacitivas a tierra aumentan.

Los filtros capacitivos (condensadores) conectados a tierra de los receptores electrónicos que hay en la instalación.

Duda: ¿Los armónicos de corriente pueden hacer disparar mi protección diferencial?

En este tutorial de Circutor te lo explican perfectamente. Como avance, has de saber que a medida que aumenta la THDU (%) , aumentan las fugas a tierra.

9. Otros tipos de disparos intempestivos

Lo mismo que ocurre con las sobretensiones transitorias generadas por la caída de rayos puede ocurrir en sobretensiones que se generen por maniobras en la instalación.

Por ejemplo, al abrir circuitos en carga con un interruptor, el corte del arco eléctrico puede provocar una sobretensión transitoria (de alta frecuencia). Esta sobretensión, propagada a través de las capacidades parásitas o de los filtros, provoca corrientes de fuga.

10. Recomendaciones

Para finalizar, te dejamos con una serie de recomendaciones relacionadas con el tema que hemos tratado hoy:

1. Medición de las corrientes de fuga:
   • Mantenimiento preventivo: De forma permanente, para poder programar alarmas, a partir de que se sobrepase un determinado umbral.
   • Mantenimiento correctivo: Con pinzas amperimétricas de corriente de fuga.
2. Medición de la THDU (%).
   • Tasas de distorsión en tensión elevadas pueden provocar corrientes de fuga.
   • Uso de filtros antiarmónicos (pasivos y activos) para mejorar la THDU (%).
3. Limitar el número de variadores que hay debajo de un diferencial.
4. Ajustar adecuadamente la sensibilidad de los diferenciales, para que no consideren las corrientes de fuga permanentes.
5. Proteger adecuadamente con diferenciales tipo B (aportan una protección extra contra los disparos intempestivos).
6. Instalar filtros CEM de baja corriente de fuga.

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