Conexión a tierra del neutro de los generadores en plantas petroquímicas

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1 Boletín IIE abril-junio-2014 Artículo técnico Conexión a tierra del neutro de los generadores en plantas petroquímicas Job García Paredes y Gabriel García Gaona Abstract This paper describes the transient overvoltages caused by the neutral grounding connection of the generators and transformers during phase to ground failures in some Mexican petrochemical plants. Analysis of this type of overvoltages generated during phase to ground failures are shown, it can be seen that severe damages to the generators and other electrical equipments is produced. Unfortunately, these problems occur rather frequently and produce outages with great economical impact. A solution to this problem was proposed, by permanently connecting the neutral of all generators with a high resistance scheme using a grounding transformer. This solution has been presented to petrochemical plants and it has been accepted and finally introduced in one Mexican plant. Simulation and practice show that no overvoltages are presented by applying this solution. Introducción Inicialmente, para mantener la continuidad de la producción en los centros petroquímicos, el esquema de conexión a tierra del neutro de los generadores de energía eléctrica fue establecido a través del método de baja resistencia con un bus de neutros asociado. Uno de los problemas principales que afectan en mayor medida la operación de los Centros Petroquímicos de México (CPM) es la interrupción del servicio de energía eléctrica en los procesos de producción. La causa principal de las interrupciones es la presencia de fallas que inhiben la continuidad y confiabilidad del servicio de energía eléctrica. Una causa de falla en el sistema eléctrico con daños permanentes en los equipos eléctricos primarios ha sido la ocurrencia de sobretensiones transitorias. La presencia de este fenómeno está directamente asociada con la manera de conectar a tierra el neutro de los generadores eléctricos. De manera conceptual y diseño original en los CPM se conecta a tierra únicamente el neutro de uno de los equipos generadores eléctricos y uno de los transformadores de enlace con la Comisión Federal de Electricidad (CFE), por lo que al presentarse una falla de fase a tierra, operan las pro- 70

2 Artículo técnico tecciones para liberar la falla, dejando al sistema eléctrico temporalmente sin referencia de tierra. Es una práctica común tener un bus de neutros al cual se conectan todos los generadores a través de un interruptor. Las sobretensiones que se han presentado oscilan entre 10 veces la tensión nominal, lo cual ocasiona arcos en los puntos más débiles del sistema eléctrico, por ejemplo, los empalmes de los cables de energía. Este artículo presenta la experiencia de la Gerencia de Equipos Eléctricos del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en la solución de problemas asociados con la presencia de sobretensiones y aplicados en la industria de los CPM. Puesta a tierra del neutro de los generadores Inicialmente, para mantener la continuidad de la producción en los centros petroquímicos, el esquema de conexión a tierra del neutro de los generadores de energía eléctrica fue establecido a través del método de baja resistencia con un bus de neutros asociado. El bus de neutros está formado por un tablero con varios interruptores, dependiendo del número de generadores. De este tablero se deriva un banco de resistencias con una magnitud del orden de 8 a 13.2 Ohms (figura 1). Durante la operación normal del sistema eléctrico, solo uno de los interruptores del bus de neutros se encuentra cerrado, el resto se mantiene abierto. Figura 1. Esquema de conexión a tierra del neutro de los generadores de un CPM. de falla. Si ésta no es liberada correctamente, o la falla sucede en el generador con el neutro conectado a tierra, es necesario que éste se mantenga en operación. Cuando el generador que se encuentra con referencia a tierra en el neutro sale de operación, el sistema se queda sin referencia intencional a tierra y puede estar expuesto a la presencia de sobretensiones debidas al fenómeno de resonancia electromagnética. La literatura actual recomienda no operar con el neutro flotado debido a que se pueden presentar sobretensiones peligrosas, las cuales han originado pérdidas cuantiosas y daños a los equipos eléctricos. Un sistema eléctrico sin referencia intencional a tierra presenta una capacitancia que puede tener una magnitud igual a la reactancia inductiva del circuito del cual forma parte y a una frecuencia de sintonía, la tensión puede incrementarse en varios p. u. (por unidad). Durante una falla a tierra, el retorno de la corriente de falla es a través de la resistencia del bus de neutros. La coordinación de las protecciones de falla a tierra activará las funciones de protección ANSI 50/51. Estadísticamente, las fallas a tierra corresponden a un porcentaje superior al 90% de ocurrencia, en comparación con las fallas trifásicas. La coordinación de las protecciones debe estar determinada de tal manera que la fuente de corriente de falla sea inhibida y para lograrlo es necesario aislar la falla o en su caso eliminar la fuente de la corriente 71

3 Boletín IIE abril-junio-2014 Artículo técnico Considerando el diagrama de la figura 2 con un sistema en estado estable, donde el generador entrega su potencia a la carga, la corriente que circula por el neutro es prácticamente nula. El generador está conectado a tierra a través de su capacitancia y en el neutro del generador prácticamente no hay circulación de corriente y hay un voltaje de tercera armónica del orden de 1 kvpp. Figura 2. Circuito eléctrico equivalente de un sistema de generación de energía eléctrica en un CPM. Figura 3. Falla del sistema en la Fase A y trayectoria de retorno de la corriente. Figura 4. Distorsión del voltaje en las fases no falladas por efecto del corto circuito. Análisis de simulación de sobretensiones Considerando un generador con el neutro flotado, alimentando una carga, como se muestra en la figura 2, el generador está representado por una fuente en serie con una impedancia. También se muestra la impedancia de los cables de conexión. Las capacitancias de los cables, bancos de compensación y supresores de transitorios, también están representadas. Cuando ocurre una falla en el sistema hay una corriente de retorno a través de la capacitancia del generador y se inyecta un voltaje a través del neutro que distorsiona el voltaje aplicado a las fases no falladas, como puede observarse en la figura 3. Al inyectar una corriente por la capacitancia del neutro se eleva el potencial del neutro, de tal forma que el potencial de línea a tierra de las fases se cambia al voltaje entre líneas por el corrimiento del neutro. Esta situación, aunque es negativa, se toma en cuenta en el diseño de los sistemas eléctricos, por ejemplo, los cables de energía se diseñan con un nivel de aislamiento del 133%. Sin embargo, la situación se torna muy grave debido a que, por la inyección de corriente de la fase fallada, se distorsiona la forma de onda de las fases no falladas, quedando excitadas con una forma de onda que ya no es senoidal. Por la simple interacción de la corriente inyectada por la fase fallada con las fases libres de falla se obtiene una forma de onda como la que se muestra en la figura 4, la cual tiene componentes de frecuencia distintas a la fundamental. Aplicando la Transformada de Fourier se encuentra la frecuencia de las componentes armónicas de la tensión de fase a neutro del generador, como se muestra en la figura 5. Las fases no falladas quedan excitadas con la forma de onda distorsionada y el sistema entra en resonancia generando sobretensiones y provocando la falla a tierra de una fase distinta a la que previamente había fallado. En la práctica, la segunda falla puede ocurrir en un sitio diferente a donde ocurrió la primera, la condición necesaria es que la inductancia y la capacitancia estén sintonizadas para formar un circuito resonante serie, como el que se muestra trazado en color rojo en la figura 3. Es importante notar que cuando se tiene un generador conectado a tierra con baja resistencia y ocurre una falla, por el neutro del generador que está a tierra circularán 600 A y por los que no están co- 72

4 Artículo técnico nectados a tierra habrá una circulación de corriente del orden de 0.5 A, por lo que desde el punto de vista de la generación de sobrevoltajes por resonancia es obligatorio que todos los neutros de los generadores y transformadores se conecten a tierra. Solución al problema A través de los años se ha observado que cuando se presenta una falla a tierra en el nivel de 13.8 kv, el relevador de protección del generador que tiene una referencia a tierra detecta la falla y actúa dejando fuera de operación a este generador. En esta situación, el sistema de energía eléctrica continúa operando sin una referencia a tierra. Como no se tiene una corriente de sensibilidad para las protecciones de la falla, el esquema de protección no es capaz de liberarla. La corriente de cortocircuito está limitada por la capacitancia del generador y es del orden de 0.5 A. La corriente de inyección de la falla a través del neutro produce un voltaje no sinusoidal en la salida del generador. Esta tensión proporciona el voltaje de excitación de la falla y es posible que se presente un circuito resonante en serie. En esta condición puede presentarse una sobretensión peligrosa. En la práctica se han observado arcos eléctricos entre las barras de los tableros del orden de 15 cm de distancia con respecto a las paredes de los mismos, por lo que se estima que las sobretensiones son del orden de 10 a 12 p. u. Con el fin de evitar estas sobretensiones por resonancia es necesario contar con un sistema de puesta a tierra de manera permanente, a través de una alta impedancia. La figura 6 muestra un sistema con conexión a tierra por alta impedancia. En este caso, cuando ocurre una falla a tierra, la magnitud de la corriente de cortocircuito está determinada por la magnitud de la alta impedancia, en este diagrama es de 5 A. En un esquema con alta impedancia, las simulaciones mostraron que no se presenta sobretensiones superiores a 1.73 p.u. La solución práctica consiste en tener un sistema de puesta a tierra del neutro híbrido, de tal manera que la alta impedancia evite la presencia de sobretensiones y la baja resistencia permita tener la corriente de sensibilidad para la operación del sistema de protección de falla a tierra, de acuerdo con la coordinación de protecciones vigente. De este modo, la inversión para la implantación de esta solución consiste en la adquisición de un Figura 5. Análisis de Fourier de la tensión fase-neutro del generador. Figura 6. Esquema de conexión a tierra del neutro por el método de alta impedancia para evitar la presencia de sobretensiones por resonancia. transformador de puesta a tierra conectado en el neutro de las unidades de generación y a su vez conectado en paralelo con el banco de baja resistencia actualmente instalado, como se observa en la figura 7. Finalmente, la figura 8 muestra un transformador de alta impedancia instalado en una planta petroquímica. 73

5 Boletín IIE abril-junio-2014 Artículo técnico Conclusiones El esquema de aterrizamiento del neutro actualmente empleado en las plantas petroquímicas de la República Mexicana para los generadores, ha provocado serios problemas debido a sobretensiones transitorias por la formación de un circuito resonante serie, al quedar el sistema eléctrico temporalmente flotado. Figura 7. Esquema híbrido de conexión a tierra del neutro. Se han observado y analizado múltiples casos donde se han presentado sobretensiones del orden de 10 a 12 p. u., con las consecuencias de destrucción de tableros y generadores eléctricos. Es posible solucionar este problema conectando a tierra el neutro de los generadores eléctricos a través de un sistema de puesta a tierra híbrido, formado por un transformador de alta impedancia conectado al neutro del generador y a su vez conectado en paralelo con el banco de baja resistencia actualmente instalado. Esta solución práctica y económica se ha realizado en un CPM y a lo largo de cuatro años no se han presentado fallas relacionadas con sobretensiones. Con la solución propuesta se protege y se prolonga la vida útil del equipo de mayor inversión de un sistema eléctrico, que es el grupo generador-turbina. Referencias Figura 8. Transformador de alta impedancia instalado en un CPM. J.P. Nelson. System Grounding and Ground-fault Protection in the Petrochemical Industry: ANeed for a Better Understanding,IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 38, No. 6, November-December 2002, p B. Bridger, Jr, High Resistance Grounding. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-19, No. 1, Jan./Feb. 1983, p Charles J Mozina, P.E. Upgrading the Protection and Grounding of Generators at Petroleum and Chemical Facilities, IEEE, Paper No. PCIC

6 Artículo técnico JOB GARCÍA PAREDES Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por la SEPI-ESIME del Instituto Politécnico Nacional (IPN) en Ingeniero Eléctrico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) en Ingresó al IIE en 1996 a la División de Sistemas Eléctricos. Actualmente es investigador de la Gerencia de Equipos Eléctricos, donde colabora en proyectos relacionados con el diseño y operación de sistemas eléctricos de potencia de mediana tensión y su influencia en los equipos eléctricos. Ha participado como ponente en diferentes congresos nacionales e internacionales relacionados con su área de investigación. A la fecha ha sido autor de 42 artículos publicados y de divulgación, y de 3 derechos de autor en la categoría de software y obra literaria. Recientemente publicó el capítulo 9: Resonance in Electrical Power Systems of Petrochemical Plants, del libro Petrochemical, Editorial Intech, marzo de GABRIEL GARCÍA GAONA De izquierda a derecha: Job García Paredes y Gabriel García Gaona. Ingeniero Electromecánico por el Instituto Tecnológico de Zacatepec. En 2005 ingresó a la Gerencia de Equipos Eléctricos como becario de prácticas profesionales y posteriormente del programa en Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT). A partir de 2006 se desempeña como investigador dentro de esta misma Gerencia. Actualmente participa en proyectos relacionados con el análisis, especificación y diseño de sistemas eléctricos industriales. Colaboró como coautor en artículos nacionales e internacionales y recientemente participó en el capítulo 9: Resonance in Electrical Power Systems of Petrochemical Plants, del libro Petrochemical, Editorial Intech, marzo de

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