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 1 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 2 / 28
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 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 3 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 4 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 5 / 28
Obteniendo el neutro del sistema Los transformadores de aterramiento pueden ser zig-zag, estrella-triángulo. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 6 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 7 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 8 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 9 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 10 / 28
Sistemas aislados 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. 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 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 11 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 12 / 28
Sistemas aislados Las faltas a tierra en un sistema aislado mueven las tensiones normales de operación. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 13 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 14 / 28
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 3V 0. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 15 / 28
Sistema de detección y protección para faltas a tierra: (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 16 / 28
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 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 17 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 18 / 28
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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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 20 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 21 / 28
La resistencia se conecta al neutro del generador o transformador mediante un transformador de distribución. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 22 / 28
Protección a tierra: La protección para faltas fase-tierra en este método se logra con una protección de sobretensión, conectada a la resistencia. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 23 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 24 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 25 / 28
Sistemas puestos a tierra mediante una impedancia baja (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 26 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 27 / 28
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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 28 / 28