Las perturbaciones en la red interfieren con los dispositivos de protección

Búsqueda de soluciones

El electricista de la empresa realizó los siguientes trabajos:

1. Desconexión de todos los consumidores y realización de una prueba de aislamiento en todos los cables detrás del RCD.
2. Realización de una prueba VDE 0701- 0702 en los dispositivos conectados en el estudio fotográfico.

La medición del aislamiento con 500 V DC se realizó desde la toma de tierra (PE, por sus siglas en inglés) contra el conductor neutro (N) y luego la toma de tierra contra todas las fases (L1, L2, L3). En todos los casos, la resistencia de aislamiento de todos los cables era > 1 MÙ y, por tanto, correcta. La prueba de aislamiento de todos los dispositivos tampoco mostró ningún fallo de aislamiento, por lo que se descartó que fueran la causa por la que se activaba el RCD.

Posteriormente, se desconectaron todos los interruptores automáticos en el estudio fotográfico para después encenderlos uno a uno con el objetivo de dar con el alimentador en el que se activaba el RCD. Como una primera solución rápida, el interruptor automático con el alimentador defectuoso podría dejarse desconectado para que al menos todos los demás consumidores del estudio fotográfico pudieran seguir funcionando sin fallos.

Durante esta prueba, se descubrió que el RCD se activaba, aunque no se conectara ni un solo interruptor automático. El electricista no sabía qué más probar. ¿Qué otra cosa podría causar que el RCD se activase?

• Todos los consumidores estaban desconectados de la red a través de los interruptores automáticos.
• Todos los cables y todos los consumidores habían superado la prueba de aislamiento, por lo que podían descartarse como causantes del fallo.

Investigaciones adicionales más allá de la distribución eléctrica

En la planta baja del mismo edificio, sin embargo, hay otra empresa que utiliza accionamientos controlados por convertidores de frecuencia para la producción y el mecanizado de piezas metálicas. Para encontrar la causa de la falsa activación del interruptor diferencial, se instaló el siguiente sistema de medición y se buscó minuciosamente el fallo con la ayuda de tecnología de medición de alta calidad.

Como puede verse en la figura 1, se instaló un analizador de calidad de redes eléctricas PQ-Box 300 de la marca A. Eberle en la subdistribución del estudio fotográfico. Las pinzas de corriente negras para las fases L1, L2, L3 y el conductor N registran las corrientes a través de nuestro RCD, mientras que una quinta pinza de corriente (roja) registra adicionalmente la corriente residual.

Se trata de la corriente total de las tres corrientes de fases y del conductor neutro y, por tanto, equivale exactamente a la corriente que también evalúa el RCD para su disparo.

En cualquier momento, la suma de los valores instantáneos de las fases L1, L2, L3 y del N debe ser 0. La corriente residual resultante, registrada a través de la quinta pinza de corriente, corresponde así a la corriente que fluye a través de la tierra como corriente de defecto o de fuga. Las tensiones se conectaron a la salida del RCD a través de derivaciones magnéticas, como también puede apreciarse en la figura 1. Estas derivaciones magnéticas son muy cómodas y rápidas de colocar en una instalación, ya que los tornillos de los interruptores automáticos y de los interruptores diferenciales son siempre ferromagnéticos y, por tanto, las derivaciones magnéticas se adaptan muy fácilmente y en pocos segundos.

Causa encontrada:  Accionamiento controlado por convertidor de frecuencia

Las altas frecuencias de 8 kHz y sus múltiplos solo pueden generarse localmente en una red de baja tensión. No se puede suponer que estas altas frecuencias se transmitan a través de un transformador. Así pues, la búsqueda se limitó a este edificio, que cuenta con su propio transformador de 400 kVA. Las instalaciones de producción en otros edificios con transformador propio se descartaron en un primer momento. En la planta baja de este edificio hay una planta de producción con algunos accionamientos controlados por convertidor. Las altas frecuencias se emiten a la red a través de la corriente de esta planta.

Dado que el transformador (XL) de este edificio tiene una alta impedancia para altas frecuencias (véase la conocida fórmula 1), estas señales interferentes introducidas de 8 kHz y sus múltiplos suelen buscar otros consumidores cercanos con una baja impedancia. Se trata principalmente de dispositivos con condensadores en la entrada, como las fuentes de alimentación conmutadas, como se puede ver claramente en la fórmula 2, que también es generalmente conocida pero a menudo se olvida (omitiremos aquí los componentes imaginarios para simplificar):

X_{L} = ω* L\hspace{5mm} con \: \hspace{5mm}ω =  2 *π*f\\
X_{C} = \frac{1}{ω*C}\\\
\\
X_{L} = Reactancia\ inductiva\ (inductancia,\ transformador)\\
X_{C} = Reactancia\ capacitiva\ (capacitancia,\ condensador)\\
ω = Velocidad\ angular\\
L = Inductance\\
f = Frecuencia\\
C =Capacidad\\

Las fórmulas (1 y 2) muestran claramente que los inductores para altas frecuencias tienen una reactancia alta y los condensadores una reactancia muy baja. Lo mismo ocurre con la impedancia como resistencia compleja. La propagación de las perturbaciones de alta frecuencia (también llamadas supra armónicas) viene determinada en gran medida por todos los consumidores instalados en el edificio.

Explicación del fenómeno

Los accionamientos controlados por convertidor en la planta baja causaron una perturbación en la red en los rangos de frecuencia de 8 kHz y sus múltiplos. Estos niveles apenas se transmiten en la dirección de nuestro transformador de 400 kVA, ya que tiene una alta impedancia para altas frecuencias (ver fórmula 1; figura 5). Estas frecuencias buscan otros consumidores en las proximidades que tengan una baja impedancia para estas frecuencias. En este caso, una corriente fluye a través de las fases y el conductor neutro en dirección a los consumidores.

Los filtros de red de los distintos consumidores del estudio fotográfico generan corrientes de fuga a tierra. Todos los consumidores deben disponer de estos filtros EMV, aunque solo sea para obtener el marcado CE. Dado que las propias fuentes de alimentación conmutadas también producen interferencias en la línea, estos dispositivos deben ser cableados con medidas de filtro. Por lo general, esto se hace con componentes pasivos sencillos, como reactores de línea con compensación de corriente y condensadores X/Y (figura 6).

Dado que no está claramente definido qué posición ocupan las fases y el conductor neutro cuando se conectan cargas monofásicas a través de una toma Schuko, los filtros se encuentran en ambos conductores: fase a tierra y conductor neutro a tierra. Las corrientes de fuga resultantes son predominantemente capacitivas, mientras que las corrientes de defecto tienen un alto componente óhmico.

Un RCD no puede distinguir entre una corriente de defecto y una corriente de fuga. Debe activarse en cuanto se supera el umbral de corriente. Para un RCD de 30 mA, este umbral de activación está entre un mínimo de 15 mA y un máximo de 30 mA. Un RCD debe activarse entre 0,5 x In y 1 x In , ese es su cometido.

Debido al gran número de consumidores que hay en el estudio fotográfico, como equipos de iluminación, cámaras, pantallas, ordenadores y servidores, la corriente total supera los 15 mA o 30 mA necesarios para activar el RCD. El valor de activación prescrito para la protección personal es de 30 mA, que no puede ser aumentado. Esto significa que, en nuestro caso, no puede ser sustituido por uno de 300 mA.

El RCD ve ahora una corriente residual debida a la suma de las corrientes de fuga de todos los consumidores. Esta corriente fluye a través de los conductores activos hacia la tierra o, si todos los interruptores automáticos están desconectados, entre el conductor neutro y la tierra y, por tanto, activa el RCD. Este efecto no se puede percibir en una medición de aislamiento, ya que esta se realiza con una corriente continua.