GUÍA TÉCNICA GTC COLOMBIANA 206 2011-11-17 GUÍA PRÁCTICA PARA EL CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LA PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DE GENERADORES SINCRÓNICOS TRIFÁSICOS E: PRACTICAL GUIDE FOR THE CALCULATION AND SELECTION OF THE NEUTRAL GROUNDING IN THREE- PHASE SYNCHRONOUS GENERATORS CORRESPONDENCIA: DESCRIPTORES: máquina eléctrica rotatoria; generador; generador eléctrico; generador sincrónico; generador trifásico; puesta a tierra; puesta a tierra del neutro. I.C.S.: 29.160.20 Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado 14237 Bogotá, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435 Prohibida su reproducción Editada 2010-11-26
PRÓLOGO El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993. ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general. La GTC 206 fue ratificada por el Consejo Directivo de 2010-11-17. Esta guía está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta guía a través de su participación en el Comité Técnico 131 Máquinas eléctricas rotatorias. CONSORCIO INDUSTRIAL S.A ENERCON INGENIERÍA EMPRESA DE ENERGÍA DEL PACÍFICO -EPSA- EXTRACTORES Y MOTORES INDUSTRIALES LTDA. IME LTDA LABORATORIO TECNOELÉCTRICO SIEMENS UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE UNIVERSIDAD DEL VALLE UNIVERSIDAD DE CIENFUEGOS - CUBA WEG COLOMBIA LTDA. Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las siguientes empresas: AGP REPRESENTACIONES ANDI ASEA BROWN BOVERI CIDET CODENSA CUMMINS API S.A DABRAS LTDA. ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA LAUMAYER LKS LTDA. MELECTRO LTDA. MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA UNIVERSIDAD DE LA SALLE UNIVERSIDAD DEL NORTE UNIVERSIDAD NACIONAL UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA -UPME- U. S MOTORS
ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados. DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN
CONTENIDO Página 0. INTRODUCCIÓN... 1 1. ALCANCE... 1 2. OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA DE UN GENERADOR... 1 3. REFERENCIAS NORMATIVAS... 2 4. DEFINICIONES... 2 5. EFECTOS DE LAS CORRIENTES POR EL NEUTRO DE GENERADORES... 2 6. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA... 3 6.1 SISTEMAS DE GENERACIÓN DE UNA UNIDAD CONECTADA... 4 6.2 GENERADORES DE RED COMÚN SIN ALIMENTADORES... 5 6.3 GENERADORES CON ALIMENTADORES CONECTADOS DIRECTAMENTE A LA TENSIÓN GENERADA... 6 7. TIPOS DE PUESTA A TIERRA... 7 7.1 PUESTA A TIERRA DE ALTA RESISTENCIA... 7 7.2 SIN CONEXIÓN DE PUESTA A TIERRA... 10 7.3 SÓLIDAMENTE ATERRIZADO... 10 7.4 PUESTA A TIERRA RESONANTE [13, 17]... 10 7.5 PUESTA A TIERRA DE BAJA RESISTENCIA... 15 7.6 PUESTA A TIERRA DE BAJA INDUCTANCIA... 16
Página 7.7 PUESTA A TIERRA MEDIANTE TRANSFORMADOR... 16 7.8 PUESTA A TIERRA CON BARRAJE DE NEUTRO O DE CONMUTACIÓN... 20 7.9 PUESTA A TIERRA HÍBRIDO... 20 8. CONEXIONES DEL GENERADOR AL SISTEMA... 21 8.1 CONEXIÓN A y CONEXIÓN F... 21 8.2 CONEXIÓN B... 22 8.3 CONEXIÓN C... 23 8.4 CONEXIÓN D y CONEXIÓN E... 23 8.5 CONEXIÓN G... 23 9. MÉTODOS DE PROTECCIÓN... 24 10. PROCEDIMIENTO RECOMENDADO PARA LA SELECCIÓN Y CÁLCULO DE PUESTA A TIERRA DE GENERADORES... 25 BIBLIOGRAFÍA... 32 FIGURAS Figura 1. Sistemas de puesta a tierra... 4 Figura 2. Sistema de generación de una unidad conectada... 5 Figura 3. Generadores de red común sin alimentadores... 6 Figura 4. Generadores con alimentadores conectados directamente a la tensión generada... 7 Figura 5. Conexiones temporales para sintonizar el neutralizador... 14 Figura 6. Transformador de puesta a tierra... 17
Página Figura 7. Transformador de puesta a tierra Y delta abierta... 17 Figura 8. Transformador de puesta a tierra en zig-zag... 19 Figura 9. Barraje de neutro o de conmutación... 20 Figura 10. Método de puesta a tierra híbrido... 21 Figura 11. Conexiones A y F... 22 Figura 12. Conexión B... 22 Figura13. Conexión C... 23 Figura 14. Conexiones D y E... 23 Figura 15. Conexión G... 24 TABLAS Tabla 1. Máxima corriente desequilibrada continúa permisible... 3 Tabla 2. Máxima corriente permisible de corto tiempo I 2 t... 3 Tabla 3.Factor de sobrecarga transformadores... 9 Tabla 4. Conexiones y métodos de puesta a tierra del generador... 27
GUÍA PRÁCTICA PARA EL CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LA PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DE GENERADORES SINCRONICOS TRIFÁSICOS 0. INTRODUCCIÓN Esta guía establece las reglas básicas y recomendaciones prácticas para el cálculo y selección de la puesta a tierra del neutro de generadores en plantas industriales, con el fin de minimizar las fallas debido a una selección errónea de esta. Como consecuencia, se estabiliza la corriente que circula por el neutro ante la variación de carga y/o conmutación de otros generadores en paralelo, a la par que se obtiene una mejor calibración de las protecciones asociadas. 1. ALCANCE Esta guía aplica tanto para turbogeneradores como para hidrogeneradores, con conexión de estrella o delta. 2. OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA DE UN GENERADOR El principal objetivo de aterrizar un sistema de generadores sincrónicos es la protección del generador y los equipos asociados contra daños causados por condiciones eléctricas anormales. Los objetivos específicos son: - Minimizar el daño por fallas internas a tierra. - Reducir los esfuerzos mecánicos en el generador por fallas externas a tierra. - Limitar las sobretensiones temporales y transitorias del aislamiento del generador. - Proveer un medio de detección de fallas a tierra al sistema del generador. - Coordinación de las protecciones del generador con otros equipos conectados al mismo barraje. El tipo de puesta a tierra a seleccionar se determina en gran parte por la importancia relativa para el usuario de cada uno de los objetivos citados anteriormente. 1 de 33
3. REFERENCIAS NORMATIVAS Los siguientes documentos normativos referenciados son indispensables para la aplicación de este documento normativo. Para referencias fechadas, se aplica únicamente la edición citada. Para referencias no fechadas, se aplica la última edición del documento normativo referenciado (incluida cualquier corrección): NTC 2805:2005, Máquinas eléctricas rotatorias. Características nominales y características de funcionamiento ANSI/IEEE C62.92.2-1989, IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part II: Grounding of Synchronous Generator Systems. ANSI/IEEE C37.101:1993, Guide for Generator Ground Protection. IEEE Std. C37.101:2006, Guide for Generator Ground Protection. IEEE C37.102:2003, Guide for AC Generator Protection. 4. DEFINICIONES Para efectos de esta guía se deben tener en cuenta las definiciones de la NTC 2805 (IEC 60034-1) 2
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Grounding Methods Working Group Report. IEEE Transactions on Industry Applications. v. 40, Nº 1, January-February 2004, p. 17-23. [17] KHUNKHUN, K.J.S. KOEPFINGER, J.L. HADDAD, M.V. Resonant grounding (ground fault neutralizer) of a unit connected generator. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. v. 96, Nº 2, March-April 1977, p. 550-559. [18] IEEE Std. C37.101-2006. Guide for Generator Ground Protection. [19] POWELL, Louie. The Impact of System Grounding Practices on Generator Fault Damage. IEEE Transactions on Industry Applications. v. 34, Nº 5, September-October 1998, p. 923-927. [20] WU, Alex. MV Generator Low-Resistance Grounding and Stator Ground Fault Damage. IEEE Transactions on Industry Applications. v. 40, Nº 2, March-April 2004, p. 672-679. [21] KHAN, Shoaib. Application Aspects of Generator and Excitation System for Process Plants. IEEE transactions on Industry Applications. Vol. 35, No 3 (May/June 1999); p. 705-706. [22] BAKER, David. S. Charging Current Data for Guesswork-Free Design of High- Resistance Grounded Systems. IEEE Transactions on Industry Applications. v. IA-15, Nº 2, March-April 1979, p. 136-140. [23] GARD. Ground Fault Protection on Ungrounded and High Resistance Grounded Systems Application Guide. p. 1-8. [24] MOODY, D. BEACHUM, V. SHIPP, D. VILCHECK, W. NATALI, T Hybrid Grounding System. IEEE Industry Applications Magazine. v. 10, Nº 3, May-June 2004, p. 40-61. [25] PILLAI, Prafulla. Grounding and Ground Fault Protection of Multiple Generator Installations on Medium-Voltage Industrial and Commercial Power Systems - Part 1: the Problem Defined Working Group Report. IEEE Transactions on Industry Applications. v. 40, Nº 1, January-February 2004, p. 11-16. [26] Tutorial IEEE de protección de generadores sincrónicos. The Power Engineering Education Committee. Power System Relaying Committee. p 24-26. [27] PILLAI, Prafulla. Grounding and Ground Fault Protection of Multiple Generator Installations on Medium-Voltage Industrial and Commercial Power Systems - Part 3: Protection Methods Working Group Report. IEEE Transactions on Industry Applications. v. 40, Nº 1, January-February 2004, p. 24-28. [28] IEEE C37.102-2003. Guide for AC Generator Protection. [29] MENESES, Jhon. PALECHOR, Jenny. Tesis de Grado: Propuesta Práctica para el Cálculo y Selección de la Puesta a Tierra de Generadores en Plantas Industriales. Enero 2008. Universidad del Valle. 4
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