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D.IV: Sistemas de Puesta a Tierra

Curso: Introducción a los Sistemas de Protección de Sistemas Eléctricosde Potencia

IIE-Fing-UdelaR

Facultad de Ingeniería - UDELAR

(IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 1 / 28

Sistema de puesta a tierra

IntroducciónLa puesta a tierra de un sistema de potencia es muy importante, dado que lamayor cantidad de faltas involucran tierra.El objetivo principal de la puesta a tierra es minimizar las sobretensionestransitorias, cumplir con los requerimientos en cuanto a las seguridad delpersonal y permitir que las faltas a tierra se detecten y aíslen en forma rápida.



IntroducciónLa 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



IntroducciónHay 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.



Obteniendo el neutro del sistemaUna manera de obtener el neutro de un sistema de potencia trifásico esusando el neutro de los transformadores o generadores conectados enestrella.Una alternativa es colocando transformadores de aterramiento.Cuando un sistema de potencia conectado en triángulo necesita conectarse atierra, se pueden utilizar transformadores de aterramiento para obtener elneutro.



Obteniendo el neutro del sistemaLos transformadores de aterramiento pueden ser zig-zag, estrella-triángulo.



Obteniendo el neutro del sistemaLa impedancia del transformador en secuencia directa es muy alta, por locual cuando no hay falta en el sistema, solo circula por el transformador unapequeña corriente de magnetización. La impedancia de secuencia cero esbaja, por lo cual permite la circulación de altas corrientes a tierra. Eltransformador divide la corriente de falta a tierra en tres componentes fásicasiguales, estas corrientes están en fase y circulan por cada uno los devanados.



Obteniendo el neutro del sistemaLa conexión estrella-triángulo del transformador trifásico también puede serusada como un transformador de aterramiento. Como en el caso de lostransformadores zig-zag, la aplicación más común es acompañada con unaresistencia de puesta a tierra. La conexión triángulo debe ser cerrada paradar un camino para la corriente de secuencia cero. La resistencia conectadaentre el neutro y tierra, provee un medio para limitar la corriente de falta atierra.Es generalmente deseable conectar un transformador de aterramientodirectamente a la barra del sistema de potencia, sin interruptor o fusibles,para prevenir que el transformador sea sacado de servicio en formainadvertida.



Sistemas aisladosLos sistemas de potencia que operan sin una conexión intencional desde elneutro del sistema a tierra, se los describe como sistemas aislados de tierra.En realidad, estos sistemas están puestos a tierra mediante las capacidadesparásitas a tierra del sistema. En muchos sistemas, esto es a través de muyaltas impedancias, lo que hace que sea una conexión débil y muy fácilmenteperturbada.



Sistemas aisladosPor lo tanto, la corriente de falta, para faltas a tierra, es muy baja, por lo cualel equipamiento no es dañado y no es necesario aislar. Generalmente estetipo de puesta a tierra se encuentra en la industria donde se requiere unacontinuidad del servicio.Sin embargo, los sistemas aislados están sometidos a sobretensionesdestructivas tanto para el equipamiento como para el personal.



Sistemas aislados

In industrial applications where ungrounded systems might be used, theX0C is equal practically to X1C!X2C and is equivalent to the chargingcapacitance of the transformers, cables, motors, surge-suppression capacitors,local generators, and so on, in the ungrounded circuit area. Various reference

a

Distributednatural capacitancesbetween phases

Groundfault

a

b

c

IaIcIb

Distributednaturalcapacitancesto ground

Va

Vab

Vbc

Vca

Vba

Ib leads Vba by 90!

Ic leads Vca by 90!

Ia = !Ib!Ic = 3I0

Ib

Ic

Ia

VbVcSource

c b

FIGURE 7.2 Phase-to-ground fault on an ungrounded system.

! 2006 by Taylor & Francis Group, LLC.



Sistemas aisladosA 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 puedeseguir operando. Esto mejora la continuidad del servicio.

Económico : no se gasta en equipamiento para la puesta a tierra delsistema. Pero se requiere que todo el equipamiento tenga unnivel de aislación mayor, aislación fase-fase.



Sistemas aisladosLas faltas a tierra en un sistema aislado mueven las tensiones normales deoperación.



Protección a tierra de un sistema aislado:Dado que la corriente de falta, para una falta fase a tierra, es muy baja, no sepueden utilizar protecciones de sobrecorriente.Las protecciones de tensión detectan los desbalances en tensiones, pero noes selectiva, ya que no detecta la ubicación de la falta.



Sistemas aisladosSe detectan las faltas fase a tierra con la medida de la tensión de secuenciacero. Dado que no es posible aislar la falta, la protección solo da una señal dealarma.En condiciones normales de operación la tensión en el secundario deltransformador de tensión es 0V. Cuando ocurre una falta, la tensión en elsecundario es de 3V0.



Sistema de detección y protección para faltas a tierra:



Sistemas puestos a tierra mediante una impedancia altaHay dos tipos de puesta a tierra mediante una impedancia alta:

- puesta a tierra resonante- puesta a tierra mediante una resistencia alta



Sistemas puestos a tierra resonante:Este método también es conocido como ’bobina de Petersen’. La capacidad atierra total del sistema es cancelada con una inductancia conectada en elneutro. Si la inductancia conectada en el neutro es sintonizada con el valor dela capacidad total, la corriente de falta es cero.



Protección a tierra de un sistema resonante:Para proteger estos sistemas se utilizan protecciones de sobrecorriente muysensibles que dan una señal de alarma y si luego de 10s a 20s aún semantiene la falta, el reactor es cortocircuitado. Esto proporciona una corrientede falta a tierra grande, lo cual permite que otras protecciones aíslen la falta.



Sistemas puestos a tierra por una resistencia alta:En este método, el sistema de potencia es puesto a tierra mediante unaresistencia, y la práctica usual es que el valor de esa resistencia es igual oligeramente menor a la capacidad a tierra total.Esto proporciona una corriente para faltas a tierra baja, y limita lassobretensiones.La corriente de falta a tierra están limitadas a valores entre 1 a 10A.



La resistencia se conecta al neutro del generador o transformador medianteun transformador de distribución.



Protección a tierra:La protección para faltas fase-tierra en este método se logra con unaprotección de sobretensión, conectada a la resistencia.



Sistemas puestos a tierra mediante una impedancia bajaEste método de puesta a tierra limita la corriente de tierra para faltasfase-tierra a valores entre 50A hasta 1000A. Este método es usado paralimitar la corriente de falta, y además permitir selectividad en los relés deprotección.Además, el equipamiento alcanza con que tenga una aislación fase-tierra, yaque las tensiones no aumenta en forma considerada para las faltasfase-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 deneutro conectado en la impedancia de neutro.

Impedancia conectada mediante un transformador : La protección para faltasa tierra se implementa como en el caso anterior. Además, seinstala una protección para proteger el transformador, queconsiste en una protección de sobrecorriente de fase y neutro.


Sistemas puestos a tierra mediante una impedanciabaja


Sistemas rígidamente puestos a tierra

Según IEEE, un sistema está rígidamente puesto a tierra cuando lasconstantes del sistema verifican:

X0

X1≤ 3,0 y

R0

R1≤ 1,0

donde X0 y R0 son las reactancia y resistencia de secuencia cero del sistemay X1 y R1 son las reactancia y resistencia de secuencia positiva del sistema.


Sistemas rígidamente puestos a tierraProtección a tierra:Dado que la corriente de falta es alta, es fácil localizar la falta conprotecciones de sobrecorriente de neutro.Generalmente, se utilizan las funciones de sobrecorriente de tiempodependiente de la corriente, ajustada de forma muy sensibles y coordinadosen tiempo con el resto de las protecciones.


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