Tipos de Fallas en el Sistema Eléctrico

Fallos del Sistema Eléctrico: Definición y Clasificación

Un fallo en un sistema eléctrico se define como una anomalía o defecto que hace que la corriente eléctrica se desvíe de su trayectoria prevista. Cuando ocurre un fallo, crea condiciones de operación anormales, principalmente reduciendo la resistencia aislante entre los conductores. Esta degradación del aislamiento puede llevar a daños graves en los componentes del sistema eléctrico, interrumpir el suministro normal de energía y plantear riesgos de seguridad.

Los fallos del sistema eléctrico se clasifican principalmente en dos tipos principales:

• Fallo por Circuito Abierto: Este tipo de fallo ocurre cuando hay una interrupción o discontinuidad en el circuito eléctrico, impidiendo el flujo normal de corriente. Puede resultar de conductores dañados, conexiones sueltas o fallas de componentes eléctricos.

• Fallo por Cortocircuito: En un fallo por cortocircuito, hay una ruta de baja resistencia no intencional entre dos o más conductores, causando un gran flujo de corriente. Esto puede deberse a la ruptura del aislamiento, al contacto físico entre conductores o a fallas de equipos.

Las diversas subtipologías y manifestaciones de estos fallos del sistema eléctrico se ilustran en la imagen proporcionada a continuación.

Causas y Clasificación de los Fallos del Sistema Eléctrico

Los fallos del sistema eléctrico pueden surgir debido a una multitud de perturbaciones naturales. Eventos como rayos, vientos de alta velocidad y terremotos pueden todos desencadenar fallos. Los rayos, con sus descargas eléctricas intensas, pueden dañar el aislamiento y perturbar el flujo normal de corriente. Los vientos de alta velocidad pueden derribar líneas de alimentación o hacer que los conductores se balanceen y entren en contacto con otros objetos, mientras que los terremotos pueden desplazar la infraestructura, lo que lleva a conductores rotos y componentes eléctricos dañados.

Los fallos también pueden ser el resultado de diversos accidentes. Por ejemplo, un árbol que cae sobre las líneas de alimentación, un vehículo que colisiona con una estructura de soporte o un avión que se estrella contra la infraestructura eléctrica, todos pueden llevar a interrupciones en el sistema eléctrico. Estos eventos accidentales pueden dañar directamente los conductores, aisladores u otras partes vitales de la red eléctrica, causando fallos.

1. Fallo por Circuito Abierto

Un fallo por circuito abierto ocurre predominantemente cuando uno o dos conductores fallan. Dado que este tipo de fallo ocurre en serie con la línea eléctrica, también se conoce como fallo en serie. Los fallos por circuito abierto tienen un impacto significativo en la confiabilidad del sistema eléctrico, a menudo provocando interrupciones en el suministro de energía y potencialmente dañando el equipo conectado.

Los fallos por circuito abierto se pueden clasificar aún más en los siguientes tipos:

• Fallo por Conductor Abierto: Esto ocurre cuando un solo conductor en el circuito eléctrico se rompe o se desconecta, interrumpiendo el flujo de corriente a través de esa ruta particular.

• Fallo por Dos Conductores Abiertos: En este escenario, dos de los conductores en el sistema fallan, creando una interrupción más severa en el flujo eléctrico. Este tipo de fallo puede llevar a condiciones desequilibradas y puede causar estrés adicional en los componentes restantes del sistema.

• Fallo por Tres Conductores Abiertos: La forma más rara y severa de fallo por circuito abierto, involucra la falla de los tres conductores en un sistema trifásico. Esto resulta en una pérdida total de transmisión de energía y puede tener consecuencias de largo alcance para la red eléctrica y las cargas conectadas.

Las diferentes configuraciones de fallos por circuito abierto se ilustran en la figura a continuación, proporcionando una representación visual de cómo estos fallos se manifiestan dentro del sistema eléctrico.

2. Fallo por Cortocircuito

Un fallo por cortocircuito ocurre cuando los conductores de diferentes fases entran en contacto entre sí dentro de una línea de alimentación, un transformador de potencia u otros elementos del circuito. Esta conexión no intencionada causa un flujo sustancial de corriente a través de una o dos fases del sistema eléctrico. Los fallos por cortocircuito se pueden clasificar aún más en dos categorías principales: simétricos y asimétricos.

Fallo Simétrico

Los fallos simétricos son aquellos que implican las tres fases de un sistema eléctrico. Notablemente, estos fallos mantienen un estado de equilibrio incluso después de que ocurra el evento de fallo. Los fallos simétricos ocurren predominantemente en los terminales de los generadores. La iniciación de tales fallos puede atribuirse a diversos factores, como la resistencia del arco eléctrico formado entre los conductores durante el fallo o la presencia de baja resistencia de apoyo en el sistema de tierra.

Los fallos simétricos se subclasifican en dos tipos distintos: fallo entre línea - línea - línea y fallo trifásico entre línea y tierra.

a. Fallo Línea – Línea – Línea

Los fallos entre línea - línea - línea (L - L - L) se caracterizan por su naturaleza equilibrada. Incluso después de que ocurra el fallo, el sistema eléctrico mantiene su simetría. Aunque relativamente raros, los fallos L - L - L son entre los más severos tipos de fallos por cortocircuito. Generan las corrientes de fallo más grandes dentro del sistema, lo cual juega un papel crucial en la determinación de los requisitos de calificación de los interruptores de circuito. La capacidad de los interruptores de circuito para interrumpir estas corrientes de magnitud extremadamente alta de manera segura y efectiva está directamente informada por las características de los fallos L - L - L, lo que los convierte en una consideración clave en el diseño y protección del sistema eléctrico.

b. L–L–L–G (Fallo Trifásico entre Línea y Tierra)

Un fallo trifásico entre línea y tierra (L–L–L–G) abarca las tres fases del sistema eléctrico. En este escenario de fallo, se establece una conexión entre las tres fases y la tierra del sistema. Aunque menos común en comparación con algunos otros tipos de fallos, el fallo L–L–L–G tiene una importancia significativa en el análisis del sistema eléctrico. Estadísticamente, la probabilidad de que ocurra tal fallo es aproximadamente del 2 al 3 por ciento. A pesar de esta probabilidad relativamente baja, cuando un fallo L–L–L–G ocurre, puede generar corrientes de fallo sustanciales y causar interrupciones generalizadas en el sistema eléctrico, lo que requiere medidas protectoras robustas y una consideración cuidadosa en el diseño y operación del sistema.

Fallo Asimétrico

Un fallo asimétrico se define como una condición en el sistema eléctrico que genera corrientes asimétricas, donde las magnitudes y fases de las corrientes en las tres fases difieren significativamente entre sí. Este tipo de fallo típicamente implica una o dos fases, como fallo entre línea y tierra (L - G), entre línea y línea (L - L) o doble línea a tierra (L - L - G). Como resultado de estos fallos, el sistema eléctrico se desequilibra, lo que puede llevar a una variedad de problemas operativos y daño potencial al equipo.

Los fallos asimétricos se pueden clasificar principalmente en tres tipos distintos:

• Fallo de Línea Única a Tierra (L – G)

• Fallo entre Línea y Línea (L – L)

• Fallo de Doble Línea a Tierra (L – L – G)

Entre todos los tipos de fallos del sistema eléctrico, los fallos asimétricos son los que más comúnmente ocurren.

1. Fallo de Línea Única a Tierra (L – G)

Un fallo de línea única a tierra ocurre cuando uno de los conductores entra en contacto con la tierra o toca el conductor neutro. Este tipo de fallo es extremadamente prevalente, representando un sorprendente 70-80 por ciento de todos los fallos que ocurren dentro de los sistemas eléctricos. Su alta frecuencia de ocurrencia lo convierte en una preocupación crítica para los operadores y ingenieros de sistemas eléctricos, quienes deben implementar medidas protectivas efectivas para mitigar sus posibles impactos en la estabilidad y confiabilidad del sistema.

3. Fallo de Doble Línea a Tierra (L - L - G)

En un fallo de doble línea a tierra, dos conductores simultáneamente entran en contacto entre sí y con la tierra. Este escenario de fallo crea una ruta eléctrica compleja que interrumpe la operación normal del sistema eléctrico. Aunque menos común que los fallos de línea única a tierra, los fallos de doble línea a tierra aún plantean riesgos significativos para la estabilidad del sistema y la integridad del equipo. Estadísticamente, la probabilidad de que ocurra un fallo de doble línea a tierra es aproximadamente del 10% de todos los fallos del sistema eléctrico. Esta probabilidad relativamente baja pero no negligente subraya la importancia de incorporar estrategias de protección y mitigación comprehensivas dentro de los sistemas eléctricos para proteger contra el daño potencial y las interrupciones operativas causadas por tales fallos.