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viernes, 10 de julio de 2015

Consideraciones sobre la conexión a tierra del neutro de generadores trifásicos

























Cuando el neutro de un generador está aislado, las corrientes de falta entre fase y masa son muy pequeñas, pero en cambio pueden producirse sobretensiones y además dificultades para localizar el defecto a masa. Aunque, normalmente los generadores están diseñados para poder soportar los efectos de un cortocircuito trifásico en bornes.
                                                                                                                                  
Cuando el neutro del generador está puesto directamente a tierra, la corriente de cortocircuito unipolar entre borne (fase) y tierra puede llegar a ser del 25% al 40 % superior a la del cortocircuito trifásico en bornes, debido a que  la impedancia (reactancia) homopolar de los generadores síncronos es sólo de 1/3 a 1/6 de la reactancia inicial de cortocircuito X''d.

Por ello, actualmente, las opiniones son mayoritarias en favor de la conexión del neutro a tierra, pero no directamente sino a través de una impedancia limitadora de la corriente de cortocircuito. La cuestión está en la adecuada elección en cada caso particular del valor y naturaleza (óhmica o inductiva) de esta impedancia.

Se comprende que ninguno de los métodos usuales sea en todos los casos ventajoso respecto a los demás, pues ninguno reúne todas las características que serían deseables para esta puesta a tierra. En efecto, las impedancias de bajo valor representan sobretensiones reducidas pero en cambio intensidades de cortocircuito elevadas, y por el contrario, impedancias de valor elevado darán lugar a corrientes de cortocircuito pequeñas pero a sobretensiones de valor más alto.

Por tanto, la elección deberá hacerse a base de establecer previamente un orden de preferencia o de importancia en los objetivos que se deseen conseguir con esta conexión del neutro a tierra.

En este sentido, lo que más habitualmente se desea es:

·         limitar los esfuerzos mecánicos en el generador
·         limitar sobretensiones transitorias
·       necesidad de cierta circulación de intensidad para que la protección sea selectiva contra faltas a tierra
·         limitar los daños producidos en el punto del defecto
·         proteger el generador contra sobretensiones atmosféricas

Las diversas formas de conexión del neutro a tierra difieren entre si, básicamente por el distinto valor admisible de la corriente de cortocircuito a tierra.

Enumeramos en orden decreciente de intensidades:

1.       Puesta a tierra a través de una reactancia:

 Se utiliza normalmente cuando se admiten corrientes de defecto fase-tierra del orden entre el 25 y el 100% de la corriente de cortocircuito trifásico.

Así pues los valores de esta reactancia quedarán comprendidos entre aquellas que hagan que la relación X0/X1(reactancia homopolar/reactancia directa), valga entre 10 y 1, o sea 10 ≥ X0/X1 ≥ 1. Para valores   superiores de 10, pueden producirse sobretensiones transitorias importantes.

De ser posible que esta relación X0/X1 sea igual o menor que 3, se tiene el neutro «efectivamente puesto a tierra» entonces pueden utilizarse descargadores de sobretensión con tensiones de cebado aproximadamente 25% más bajas y que por  tanto dan un nivel de protección más favorable.

Las intensidades de cortocircuito fase-tierra serán pues iguales o superiores al 60% de la del cortocircuito trifásico.

2.       Conexión del neutro a través de resistencias:

Se utiliza habitualmente para valores de cortocircuitos fase-tierra, entre 100 A y 2000 A aproximadamente.

El coste y el tamaño de la resistencia establecen los límites superior e inferior de la misma en cuanto a intensidad de cortocircuito fase-tierra. En efecto, para intensidades pequeñas, el valor óhmico de la resistencia con las tensiones usuales de generación resulta muy elevado.

Para intensidades altas, la disipación de calor es grande, por ejemplo para intensidades de paso de 1,5 In (In = intensidad nominal del generador), la disipación de calor en la resistencia es del orden del 50% de la potencia del generador.

3.       Conexión a través del primario de un transformador de distribución (monofásico) con el secundario cerrado sobre una resistencia:

Obsérvese que equivale a la conexión a tierra a través de una resistencia de valor elevado.

Aproximadamente: siendo R2 la resistencia conectada al secundario y N1/N2 la relación de transformación (relación de espiras), equivale a haber intercalado una resistencia



Con ello pueden obtenerse corrientes de cortocircuito de neutro a tierra, limitadas a 5 ó 10 A.

Se considera que intensidades de este valor no pueden causar daños importantes en la máquina (por ejemplo en la chapa magnética estatórica), pero en cambio son corrientes insuficientes para obtener una protección selectiva.

4.       Conexión del neutro a tierra a través del primario de un transformador de medida de tensión:

Dada la elevada reactancia del transformador de tensión, equivale prácticamente a neutro aislado. Por tanto, la corriente es muy pequeña, pero pueden producirse sobretensiones transitorias particularmente elevadas.

Se acostumbra a conectar al secundario del transformador de tensión, un relé de tensión para alarma o disparo.

Para ayudar a establecer unos criterios de elección, pueden ser útiles las siguientes consideraciones:

·         para la limitación de los esfuerzos en los devanados de generadores puestos a tierra, se necesita, en casi todos los casos, alguna impedancia intercalada en el neutro.
·         la necesidad de protección selectiva contra faltas a tierra en sistemas con varios generadores o líneas conectadas a la barra de generación, implica una impedancia de neutro relativamente baja. Este requisito puede ser satisfecho por medio de una reactancia o una resistencia de neutro, o bien mediante un transformador de puesta a tierra conectado a las barras.
·         en las instalaciones con líneas aéreas alimentadas a la tensión de generación, exponiendo por tanto al generador directamente a descargas atmosféricas, el método de conexión a tierra preferible consiste en intercalar una reactancia de neutro, de forma que resulte una relación X0/X menor o igual que tres. Así pueden utilizarse pararrayos para sistemas de neutro puesto efectivamente a tierra.
·         cuando se trata de generadores grandes, lo más importante suele ser la limitación de la corriente de falta a tierra, a fin de minimizar la avería. En tales casos, puede ser pues preferible la utilización de una resistencia en lugar de reactancia.
·         en generadores que alimentan directamente redes de cables, puede ser preferible, bien la resistencia o la reactancia de neutro. La elección depende de si el objetivo principal es mantener en la red de cables las sobretensiones dinámicas lo más bajas posible, o bien hacer mínima la corriente de falta.
·         en el caso de varios generadores directamente acoplados a barras de generación, pero sin salidas directas de estas barras, es preferible la puesta a tierra por medio de resistencia en el neutro.
·         en instalaciones con grupos bloque, generador-transformador, se recomienda la conexión a tierra por medio de transformador de distribución y resistencia en el secundario.
·         en centrales con un solo generador y con líneas a la tensión de generación, se necesita una puesta a tierra permanente del neutro del sistema, para protección contra defectos a tierra en las líneas. Conviene pues prever un transformador de puesta a tierra conectado a barras, además o como suplemento a la puesta a tierra del neutro del generador
·         la conexión del neutro a tierra a través de un transformador de tensión representa una puesta a tierra de elevada reactancia, cuyas características corresponden a un sistema de neutro aislado. Por tanto, la intensidad de falta y el daño que pueda producir la misma son muy pequeños. Esta es la principal ventaja de este método. Por contra, pueden producirse sobretensiones elevadas por maniobras del interruptor de máquina (generador), así como oscilaciones de ferrorresonancia.

Según estudios y ensayos realizados, esta posibilidad de oscilaciones de ferrorresonancia es pequeña, si se utilizan transformadores de tensión del tipo para conexión fase-tierra, en lugar del tipo para conexión entre fases (esto es debido a la diferente característica de saturación del núcleo magnético).

Este método de transformador de tensión debería usarse solamente cuando el generador y el transformador están conectados directamente, sin interruptor intermedio. Además es conveniente asegurarse que no pueda producirse resonancia (esto puede representar unos trabajos de análisis y cálculo, de cierto precio).

Este método es similar al del transformador de distribución pero no presenta la ventaja del amortiguamiento de sobretensiones, debido a la resistencia conectada al secundario.

Observación


En todos los casos, especialmente cuando la puesta a tierra es a través de impedancia elevada, debe preverse un adecuado descargador de sobretensiones (pararrayos) entre neutro y tierra. La elección entre pararrayos de nivel para neutro aislado o para neutro puesto a tierra vendrá determinada por el valor del «coeficiente de puesta a tierra» y por tanto de las relaciones X0/X1 y R0/X1 (resistencia homopolar/reactancia directa).










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