D.IV: Sistema de Puesta a Tierra

Transcripción

1 D.IV: Sistema de Puesta a Tierra Curso: Introducción a los Sistemas de Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia IIE - Facultad de Ingeniería - UDELAR 1. Sistema de puesta a tierra 1.1. 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. 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 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. 1

2 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 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. Los transformadores de aterramiento pueden ser zig-zag, estrella-triángulo. Figura 1: Transformador de aterramiento 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 arrollamientos. 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.

3 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 3 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 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. 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. Para proteger al equipamiento contra sobretensiones, se conectan descargadores. En resumen: 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.

4 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 4 a Distributed natural capacitances between phases a c b Ground fault b c Distributed natural capacitances to ground I b Ic Ia Va V ab Vc Source Vb I b I a V bc Ic V ba V ca I b leads V ba by 90 I c leads V ca by 90 I a = I b I c = 3I0 FIGURE 7.2 Phase-to-ground fault on an ungrounded system. Figura 2: Sistema aislado In industrial applications where ungrounded systems might be used, the X 0C is equal practically to X 1C ¼ X 2C and is equivalent to the charging Las faltas capacitancea tierraofen theun transformers, sistema aislado cables, motors, mueven surge-suppression las tensiones capacitors, normales de operación. local En generators, la Figura and3soseon, pueden in the ungrounded ver las tensiones circuit area. envarious régimen reference normal de operación (a) y cuando hay una falta fase a tierra (b). ß 2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

5 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 5 (a) V an =V ag n = g Ground (g) (a) V ag = 0 (c) (b) V an = V ng V cn =V cg V bn =V bg V cg n V bg (a) FIGURE 7.1 Voltage shift for a phase-a-to ground fault on an ungrounded system: (a) normal balanced Figura system; 3: Faltas (b) phase a tierra a solidly en ungrounded. sistema aislado (b) (c) V cn V bn (b) Protección A typi cal circui a tierra t is de illustr unated sistema in Figur aislado: e 7.2 showing the curr ent flow. The seque nce network s are shown in Figure 7.3. The distribut ed capaciti ve reactance values X 1C, X 2C, and X 0C are very large, whe reas the series reacta nce (or Dado que la corriente de falta, para una falta fase a tierra, es muy baja, no se pueden utilizar protecciones de sobrecorriente. Las imp protecciones edance) values de tensión X 1S, X detectan T, X 1L, Xlos 0L desbalances, and so on, enare tensiones, relat ively perovery no small. esth selectiva, us, practicall ya que y, no X 1C detecta is shorted la ubicación out by de X 1S la and falta. X T in the positive- sequence Se networ detectan k, and las faltas similar fase ly afor tierra the con negat la medida ive-sequence de la tensión network. de secuencia Becaus e these cero. series Dado impeda que nces no are posible very aislar low, lax 1 falta, and la X 2 protección appro ach solo zero da, in una relation señal to the de larg alarma. e valu e of X 0C. Th erefore, En condiciones normales de operación la tensión en el secundario del transformador de tensión es 0V. Cuando ocurre una falta, I 1 ¼ I 2 ¼ I 0 ¼ V S la tensión en el secundario es de 3V 0. (7:1) X 0C and I a ¼ 3I 0 ¼ 3V S X 0C : (7 :2) Th is calcul ation can be made in per unit (pu) or amp eres (A), rem embering that V S and all the reac tances (impe dance s) are line-to- neutral quant ities. The unfau lted phase b and c current s will be zero whe n determ ined from the sequence currents of Equation 7.1. This is correct for the faul t itsel f. Howeve r, throughou t the system the distributed capacitanc e X 1C and X 2C is actu ally para lleled with the series reac tances X 1S, X T, and so on, so that in the system I 1 and I 2 are not quite equal to I 0. Thus, I b and I c exist and are small, but they are necessary as the return paths for I a fault current. This is shown in Figure 7.2. If I a ¼ 1 pu, then I b ¼ ffþ30 and I c ¼ ff 30 pu.

6 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 6 a b c VT p R q + 3V 0 Ground overvoltage relay Zero seq. N 0 V 0 X 0C R 3 Relay I 0C + Neglects negligible system & VT reactances FIGURE 7.5 Voltage ground-fault detection using three voltage transformers connected wye-grounded broken-delta. Figura 4: Protección a tierra de un sistema aislado SINGLE -VOLTAGE T RANSFORMERS 1.4. Th Sistemas e single-v oltage puestos transform a tierra of Figure mediante 7.6 is especia unally impedancia subj ect to p ossible alta fer roresona nce, without adequa te resistanc e in the secon dary. Without this Hay dos resist tipos ance, de puesta a tierra mediante una impedancia alta: - puesta a tierra resonante p ffiffiffi 3 V LL V bg ¼ : (7:10) - puesta a tierra mediante una resistencia 3 (X C = X e ) alta ß 2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

7 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 7 Sistemas puestos a tierra resonante: Este método también es conocido como bobina de Petersen. La capacidad a tierra States, total although del sistema it used es elsewhere. cancelada Thecon major una American inductancia use is for conectada generator en el grounding the New England area. High-resistance grounding is widely used neutro. Si la inductancia conectada en el neutro es sintonizada con el valor for generators and in industrial plants. These applications are reviewed later. de la capacidad total, la corriente de falta es cero. El sistema puesto RESONANT a tierra GROUNDING resonante precisa de aislación fase-fase. La literatura registra These systems una gran are also cantidad known as deground-fault faltas entre neutralizer fases or y Petersen hay mucha coil probabilidad desystems. tener faltas The total simultáneas, system capacitance en sistema to ground conis este canceled tipo de by puesta an equal a tierra. inductance connected in the neutral (Figure 7.8). If the neutral reactor is 0 0 a 1.73 b c 52 N X L X C X C X C 0 I b I C 0 3I 0L System distributed capacitance I c V an I b + I c 3I 0L I b V cn V bn Z 1 + Z 2 0 3X L X 0C + I 0L I 0C Fault V s Resistance in system FIGURE 7.8 Resonant grounding. Figura 5: Sistema de puesta a tierra resonante I 0 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 ß 2006 by Taylor & Francis Group, LLC. la falta, el reactor es cortocircuitado. Esto proporciona una corriente de falta a tierra grande, lo cual permite que otras protecciones aíslen la falta.

8 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 8 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. La resistencia se conecta al neutro del generador o transformador mediante un transformador de distribución. a b 3I 0R R 59 G V0 x c x c x c c System distributed capacitance 3I 0R Distribution transformer V LN or V LL : 240 V typically Zero sequence N 0 I 0R 3R I 0C x 0C V 0 Fault FIGURE 7.9 High-resistance grounding with resistor in the neutral. Figura 6: Sistema de puesta a tierra mediante una resistencia The ground ing resistor may be connec ted in the neutral of a generat or or La configuración de la Figura 6 se utiliza en el neutro del generador. power transf ormer (Figu re 7.9), or across the broke n d elta of line-to- ground - connecte d distribut ion transformer s (Fig ure 7.10). With the resistor in the neutral, as in Figur e 7.9, a solid ground fault can produc e a max imum V 0 equivalent to the phase-to-ne utral voltage as illus trated in Figur e 7.1. Thus a line-to-neut ral-rate d distribut ion transf ormer is n ormally used, although lineto-line rating s have also been used. For the ground ing system similar to that indicated in Figur e 7.10, a solid ground fault can raise the voltage on two of the distribu tion transf ormers to line-to- line equival ent (see Figur e 7.1). Thus, +

9 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 9 Cuando se tienen varios generadores conectados a la misma barra se prefiere la conexión de la Figura 7. a b c Distribution transformers V LL : 120 V Typically I 0R 3R I 0R X C 3I 0R X C X C System distributed capacitance 59G + 3V 0 Zero sequence No R X 0C V 0 I 0R Fault I 0C FIGURE 7.10 High-resistance grounding with resistor across distribution transformer secondaries. Figura 7: Sistema de puesta a tierra con varios generadores EXAMPLE : TYPICAL HIGH -RESISTANCE NEUTRAL GROUNDING Protección a tierra: La Th protección is type of para ground faltas ing fase-tierra is appl ied en to a este 160 método MVA se 18 logra kv unit con generator, una protección show n de in sobretensión, Figur e conectada The area of a la ground resistencia. p rotection is the generat or to the as low -voltage windi ng of the power transf ormer and to the high-vol tage wind ing of Sistemas the unit auxiliary puestos transform a tierra er. mediante In this area una the followi impedancia ng capacitanc baja es to the ground (microfa rads per phase) must be consider ed: Este método de puesta a tierra limita la corriente de tierra para faltas fasetierragenera a valores tor entre windin 50A gs hasta 1000A. Este método es usado 0.24para limitar la corriente Genera de tor falta, surge y además capac itor permitir selectividad en los relés 0.25de protección. Genera tor-to-t ransforme r lea ds Powe r transf ormer low-vo ltage winding 0.03 Statio n serv ice transfo rmer high-vol tage windi ng Voltag e transf ormer windi ngs Total capacitanc e to ground

10 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 10 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. Generalmente, se implementa conectando un reactor o una resistencia en el neutro del transformador. Figura 8: Sistemas puestos a tierra mediante una impedancia baja Cuando se tiene un transformador conectado en triángulo, el neutro del sistema no está disponible. Por lo tanto, se puede conectar un transformador zig-zag (de relación 1:1) o un transformador estrella-triángulo.

11 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 11 Figura 9: Sistemas puestos a tierra mediante un transformador Por el transformador zig-zag solo puede circular la corriente de secuencia cero; y no circulan ni la corriente de secuencia directa ni la de secuencia inversa. La impedancia de secuencia cero es la impedancia del transformador, x T, una reactancia. 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

12 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 12 instala una protección para proteger el transformador, que consiste en una protección de sobrecorriente de fase y neutro. La siguiente figura muestra la conexión más usada de transformadores de corriente. Figura 10: Conexión de los transformadores de corriente Sistema de protección A continuación hay dos aplicaciones de protección para un transformador zig-zag.

13 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 13 Figura 11: Protecciones para transformador zig-zag La Figura 11 representa un sistema de protección donde los secundarios de los transformadores están conectados en triángulo, de manera de filtrar las corrientes para faltas a tierra. De esta manera la función de sobrecorriente de fase solo protege al transformador mientras que la función de sobrecorriente de neutro protege a la resistencia.

14 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 14 Figura 12: Protecciones para transformador zig-zag El sistema de protección de la Figura 12 está formado por una protección diferencial de alta impedancia para proteger el transformador zig-zag frente faltas a tierra y una función de sobrecorriente de fase que protege a la resistencia y al trasnsformador sig-zag. A este último lo protege frente faltas entre fase Sistemas rígidamente puestos a tierra Según IEEE, un sistema está rígidamente puesto a tierra cuando las constantes del sistema verifican: X 0 X 1 3,0 y R 0 R 1 1,0 donde X 0 y R 0 son las reactancia y resistencia de secuencia cero del sistema y X 1 y R 1 son las reactancia y resistencia de secuencia positiva del sistema. Esto significa que no hay una impedancia conectada entre el neutro del sistema y tierra.

15 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 15 Generalmente, esto se implementa conectando el neutro de la estrella de los transformadores a la malla de tierra de la subestación. Por lo tanto, la corriente de tierra para faltas fase-tierra puede variar de valores muy pequeños a valores más grandes que las corrientes de falta para faltas trifásicas. La magnitud de la corriente depende de la configuración del sistema de potencia y sus constantes, ubicación de la falta y de la resistencia de falta. Figura 13: Sistema rígidamente puesto 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.

16 D.I: Sistemas de Protección de Transformadores 16 Figura 14: Protecciones para un sistema rígidamente puesto a tierra 2. Bibliografía - C (Protective Relay Applications to Power System Buses) - Protective Relaying Theory and Applications, Walter A. Elmore, Marcel Dekker Inc. 2nd ed Protective Relaying: Principles and Applications, J. Lewis Blackburn, Marcel Dekker Inc. 2nd ed Power System Relaying, S. Horowitz, A. Phadke 3rd ed High-Impedance Differential Relaying, GER (Buff Book) Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems