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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