No
se recomienda la conexión directa a tierra en generadores donde los devanados de
la máquina pueden estar sometidos a corrientes mayores que las corrientes
trifásicas de pérdida a tierra (como se especifica en las normas C 50 de ANSI).
La
conexión directa a tierra del generador da como resultado que fluya la máxima
corriente de falta y, en consecuencia, cause el máximo daño en el punto de
defecto.
La
corriente de defecto a tierra de un sistema trifásico es:
Donde:
UN
= Tensión de línea a neutro
X1
= Reactancia de secuencia positiva (ohms/fase)
X2
= Reactancia de secuencia negativa (ohms/fase)
X0
= Reactancia de secuencia cero (ohms/fase)
Debido
a la reactancia relativamente baja de secuencia cero en la mayoría de las
máquinas síncronas, una pérdida a tierra de línea a tierra sólida en los terminales
de la máquina da como resultado una corriente en los devanados mayor que la
corriente trifásica de defecto. Y si varias máquinas operan en paralelo y solo
una tiene conexión a tierra, este defecto aumenta en la máquina con conexión a
tierra.
En
los casos particulares en que los generadores tengan valores de reactancia
tales, que las corrientes del devanado en los fallos de línea a tierra de los
terminales del generador se limiten a valores iguales o menores que los
defectos trifásicos, se puede utilizar el método de conexión directa del neutro
a tierra. En estos casos, las ventajas e inconvenientes son las mismas que la
conexión a tierra mediante una reactancia.
Método de puesta a tierra del neutro por
reactancia
Estas
reactancias se emplean para conectar el neutro del generador (también en
transformadores de potencia) a tierra, y reducir la corriente de cortocircuito
a tierra a valores inferiores a los que se obtendrían si dicha corriente
estuviese limitada sólo por la impedancia propia de la máquina.
Este
método de puesta a tierra se relaciona con una Intensidad de cortocircuito
entre el 25% y 100% de la intensidad de cortocircuito trifásica.
El
valor límite superior de la reactancia a emplear en el neutro, es aquel que
haga la relación X0/X1 = 10. El límite inferior será X0/X1
= 1; esto hará el cortocircuito a tierra igual al tripolar Ik3.
Normalmente
se prefiere mantener el sistema "realmente puesto a tierra" haciendo
X0/X1 = 3, permitiendo el uso de pararrayos con un nivel
de protección entre el 20%-25% inferior a los del neutro aislado.
La
relación mencionada de reactancias X0/X1, vista desde los
terminales del generador depende del circuito exterior. Si la impedancia, X1,
del sistema exterior es muy pequeña, es casi imposible conseguir que X0/X1
= 3, aunque se utilice reactancia de puesta a tierra. En este caso hay que
aceptar las mayores averías en el punto de falta.
La
conexión del neutro a tierra a través de reactancia reduce las sobretensiones
dinámicas, y es muy utilizado donde el generador alimenta directamente redes de
cables. La característica indeseable de este método es que puede producir daños
en el punto de defecto. El inconveniente es la posibilidad de que se queme el
hierro debido a las elevadas corrientes de pérdida a tierra. Debido a este
inconveniente, no hay una total aceptación de este método por parte de los
ingenieros, siendo este problema la principal razón por la que, sobretodo en
generadores muy grandes, se adopte el método de puesta a tierra del neutro a
través de resistencia, aún en el caso de que estos alimenten líneas aéreas.
Selección de los valores nominales de
la Reactancia del neutro
El
valor mínimo de la reactancia del neutro (Xmín.) se calcula según lo que a
continuación se indica:
Si
x2m = x''d (generador de rotor cilíndrico) no depende del sistema
exterior.
Si
x0m /x''d = 1, la Ik1 = Ik3
El
valor mínimo de Xn se calcula para una intensidad en la máquina igual al
cortocircuito trifásico (Ik3).
El
valor máximo de Xn se calcula en la base
de permitir el empleo de pararrayos del neutro y en que la relación X0/X1
sea igual a 3.
Los
cálculos deben hacerse en la disposición en la que el sistema tenga la relación
x0/x1, más elevada, es decir, con el sistema exterior conectado a barras y con
el resto de generadores sin conectar a barras.
Puesto
que no se conoce la magnitud del sistema, la regla más segura es que X0/X1
(con sólo su generador a barras) sea igual a 1.
Figura 9.- Curvas
para determinar las reactancias del neutro del generador. Los valores de la
reactancia xn (max.) y xn (mín.), limitan la corriente de falta del generador,
al valor de la corriente de falta trifásica o menos, y permite el uso de
pararrayos para neutro a tierra.
La intensidad en la
reactancia del neutro (In) es la intensidad eficaz que pasa por el neutro en su
cortocircuito.
Para calcular la
intensidad dinámica térmica se utiliza la X'd.
Para calcular la
intensidad dinámica de la reactancia se emplea la X''d.
El régimen de
funcionamiento de la reactancia es de 1 min. ó 10 s a elección.
Ejemplo de cálculo de reactancia de neutro
Supongamos el
esquema de la figura 10:
Figura 10
Reactancias máximas a colocar en el
neutro de:
Generador 1:
Generador 2:
Según expresiones anteriores la
Xn(min.) para X2m ≥ X''d (en nuestro caso X2m = X''d).
Por tanto:
Generador 1:
Generador 2:
Las intensidades en las reactancias
de los generadores 1 y 2 para los valores de Xn máximo y mínimo son:
Para generador 1 y Xn (máx.)
Para generador 2 y Xn (máx.)
Para generador 1 y Xn (min.)
Para generador 2 y Xn (min.)
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