Sistemas de Puesta a Tierra

D.IV: Sistemas de Puesta a Tierra
Curso: Introducción a los Sistemas de Protección de Sistemas Eléctricos
de Potencia
IIE-Fing-UdelaR
Facultad de Ingeniería - UDELAR
(IIE - UDELAR)
Curso: IPROSEP
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Sistema de puesta a tierra
Introducción
La puesta a tierra de un sistema de potencia es muy importante, dado que la
mayor cantidad de faltas involucran tierra.
El objetivo principal de la puesta a tierra es minimizar las sobretensiones
transitorias, cumplir con los requerimientos en cuanto a las seguridad del
personal y permitir que las faltas a tierra se detecten y aíslen en forma rápida.
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Sistema de puesta a tierra
Introducción
La razón para limitar la corriente para faltas a tierra son las siguientes:
- reducir el daño en los equipos en falta, como interruptores,
transformadores, cables o máquinas eléctricas
- reducir el stress mecánico en el circuito
- reducir el choque eléctrico para personas, debido a la corriente de tierra
que circulan por la malla.
- reducir el hueco de tensión debido a una falta a tierra
- controlar las sobretensiones
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Sistema de puesta a tierra
Introducción
Hay 4 métodos de puesta a tierra en un sistema de potencia:
- aislado, ’ungrounded’
- puesto a tierra mediante una impedancia alta, ’high impedance’
- puesto a tierra mediante una impedancia baja, ’low impedance’
- rígidamente puesto a tierra, ’solid grounding’
Cada método tiene sus ventajas y desventajas.
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Sistema de puesta a tierra
Obteniendo el neutro del sistema
Una manera de obtener el neutro de un sistema de potencia trifásico es
usando el neutro de los transformadores o generadores conectados en
estrella.
Una alternativa es colocando transformadores de aterramiento.
Cuando un sistema de potencia conectado en triángulo necesita conectarse a
tierra, se pueden utilizar transformadores de aterramiento para obtener el
neutro.
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Sistema de puesta a tierra
Obteniendo el neutro del sistema
Los transformadores de aterramiento pueden ser zig-zag, estrella-triángulo.
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Sistema de puesta a tierra
Obteniendo el neutro del sistema
La impedancia del transformador en secuencia directa es muy alta, por lo
cual cuando no hay falta en el sistema, solo circula por el transformador una
pequeña corriente de magnetización. La impedancia de secuencia cero es
baja, por lo cual permite la circulación de altas corrientes a tierra. El
transformador divide la corriente de falta a tierra en tres componentes fásicas
iguales, estas corrientes están en fase y circulan por cada uno los devanados.
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Sistema de puesta a tierra
Obteniendo el neutro del sistema
La conexión estrella-triángulo del transformador trifásico también puede ser
usada como un transformador de aterramiento. Como en el caso de los
transformadores zig-zag, la aplicación más común es acompañada con una
resistencia de puesta a tierra. La conexión triángulo debe ser cerrada para
dar un camino para la corriente de secuencia cero. La resistencia conectada
entre el neutro y tierra, provee un medio para limitar la corriente de falta a
tierra.
Es generalmente deseable conectar un transformador de aterramiento
directamente a la barra del sistema de potencia, sin interruptor o fusibles,
para prevenir que el transformador sea sacado de servicio en forma
inadvertida.
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Sistema de puesta a tierra
Sistemas aislados
Los sistemas de potencia que operan sin una conexión intencional desde el
neutro del sistema a tierra, se los describe como sistemas aislados de tierra.
En realidad, estos sistemas están puestos a tierra mediante las capacidades
parásitas a tierra del sistema. En muchos sistemas, esto es a través de muy
altas impedancias, lo que hace que sea una conexión débil y muy fácilmente
perturbada.
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Sistema de puesta a tierra
Sistemas aislados
Por lo tanto, la corriente de falta, para faltas a tierra, es muy baja, por lo cual
el equipamiento no es dañado y no es necesario aislar. Generalmente este
tipo de puesta a tierra se encuentra en la industria donde se requiere una
continuidad del servicio.
Sin embargo, los sistemas aislados están sometidos a sobretensiones
destructivas tanto para el equipamiento como para el personal.
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Sistema de puesta a tierra
Sistemas aislados
a
Distributed
natural capacitances
between phases
a
Ground
fault
b
c
b
c
Distributed
natural
capacitances
to ground
Ib
Ic
Ia
Va
Vab
Vc
Source
Vb
Ib
Vbc
Ia
Ic
Vba
Vca
Ib leads Vba by 90!
Ic leads Vca by 90!
I
Ia = −Ib−Ic = 3
0
FIGURE 7.2 Phase-to-ground fault on an ungrounded system.
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In industrial applications where ungrounded systems might be used, the
X0C is equal practically to X1C ¼ X2C and is equivalent to the charging
capacitance of the transformers, cables, motors, surge-suppression capacitors,
local generators, and so on, in the ungrounded circuit area. Various reference
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Sistema de puesta a tierra
Sistemas aislados
A los sistemas aislados de tierra se le atribuyen dos ventajas:
Operacional : la primera puesta a tierra en un sistema aislado causa
pequeñas corrientes de tierra, por lo cual el sistema puede
seguir operando. Esto mejora la continuidad del servicio.
Económico : no se gasta en equipamiento para la puesta a tierra del
sistema. Pero se requiere que todo el equipamiento tenga un
nivel de aislación mayor, aislación fase-fase.
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Sistema de puesta a tierra
Sistemas aislados
Las faltas a tierra en un sistema aislado mueven las tensiones normales de
operación.
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Sistema de puesta a tierra
Protección a tierra de un sistema aislado:
Dado que la corriente de falta, para una falta fase a tierra, es muy baja, no se
pueden utilizar protecciones de sobrecorriente.
Las protecciones de tensión detectan los desbalances en tensiones, pero no
es selectiva, ya que no detecta la ubicación de la falta.
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Sistema de puesta a tierra
Sistemas aislados
Se detectan las faltas fase a tierra con la medida de la tensión de secuencia
cero. Dado que no es posible aislar la falta, la protección solo da una señal de
alarma.
En condiciones normales de operación la tensión en el secundario del
transformador de tensión es 0V. Cuando ocurre una falta, la tensión en el
secundario es de 3V0 .
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Sistema de puesta a tierra
Sistema de detección y protección para faltas a tierra:
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Sistemas puestos a tierra mediante una impedancia alta
Hay dos tipos de puesta a tierra mediante una impedancia alta:
- puesta a tierra resonante
- puesta a tierra mediante una resistencia alta
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Sistema de puesta a tierra
Sistemas puestos a tierra resonante:
Este método también es conocido como ’bobina de Petersen’. La capacidad a
tierra total del sistema es cancelada con una inductancia conectada en el
neutro. Si la inductancia conectada en el neutro es sintonizada con el valor de
la capacidad total, la corriente de falta es cero.
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Sistema de puesta a tierra
Protección a tierra de un sistema resonante:
Para proteger estos sistemas se utilizan protecciones de sobrecorriente muy
sensibles que dan una señal de alarma y si luego de 10s a 20s aún se
mantiene la falta, el reactor es cortocircuitado. Esto proporciona una corriente
de falta a tierra grande, lo cual permite que otras protecciones aíslen la falta.
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Sistema de puesta a tierra
Sistemas puestos a tierra por una resistencia alta:
En este método, el sistema de potencia es puesto a tierra mediante una
resistencia, y la práctica usual es que el valor de esa resistencia es igual o
ligeramente menor a la capacidad a tierra total.
Esto proporciona una corriente para faltas a tierra baja, y limita las
sobretensiones.
La corriente de falta a tierra están limitadas a valores entre 1 a 10A.
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Sistema de puesta a tierra
La resistencia se conecta al neutro del generador o transformador mediante
un transformador de distribución.
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Protección a tierra:
La protección para faltas fase-tierra en este método se logra con una
protección de sobretensión, conectada a la resistencia.
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Sistema de puesta a tierra
Sistemas puestos a tierra mediante una impedancia baja
Este método de puesta a tierra limita la corriente de tierra para faltas
fase-tierra a valores entre 50A hasta 1000A. Este método es usado para
limitar la corriente de falta, y además permitir selectividad en los relés de
protección.
Además, el equipamiento alcanza con que tenga una aislación fase-tierra, ya
que las tensiones no aumenta en forma considerada para las faltas
fase-tierra.
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Sistema de puesta a tierra
Protección a tierra:
Dependiendo del método de puesta a tierra se divide en:
Impedancia conectada al neutro : La protección para faltas a tierra se
implementa por medio de una protección de sobrecorriente de
neutro conectado en la impedancia de neutro.
Impedancia conectada mediante un transformador : La protección para faltas
a tierra se implementa como en el caso anterior. Además, se
instala una protección para proteger el transformador, que
consiste en una protección de sobrecorriente de fase y neutro.
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Sistemas puestos a tierra mediante una impedancia
baja
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Sistemas rígidamente puestos a tierra
Según IEEE, un sistema está rígidamente puesto a tierra cuando las
constantes del sistema verifican:
R0
X0
≤ 3,0 y
≤ 1,0
X1
R1
donde X0 y R0 son las reactancia y resistencia de secuencia cero del sistema
y X1 y R1 son las reactancia y resistencia de secuencia positiva del sistema.
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Sistemas rígidamente puestos a tierra
Protección a tierra:
Dado que la corriente de falta es alta, es fácil localizar la falta con
protecciones de sobrecorriente de neutro.
Generalmente, se utilizan las funciones de sobrecorriente de tiempo
dependiente de la corriente, ajustada de forma muy sensibles y coordinados
en tiempo con el resto de las protecciones.
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