domingo, 23 de julio de 2017

Puesta a tierra del neutro en los sistemas de MT




















En la figura 1

Um es la tensión entre fases y UF es la tensión entre fase y tierra.

En régimen normal:

 

Cuando se produce un contacto a tierra de una de las fases (por ejemplo, la fase R en la figura1), la tierra tiende a adquirir el potencial de las fases. Por tanto, la tensión respecto a tierra de las otras dos fases («fases sanas») varía, prácticamente siempre en el sentido de aumentar de valor con respecto a la de régimen normal sin fallo. Dichas fases sanas quedan sometidas pues a una sobretensión respecto a tierra.

Por análogo motivo, en el caso de un cortocircuito bipolar con contactos a tierra, la tercera fase (fase sana) queda sometida también a una sobretensión respecto a tierra.                                     

 Figura 1: Regímenes

Estas sobretensiones en las fases sanas se mantienen hasta que un interruptor o unos fusibles actúan abriendo el circuito. Estas sobretensiones se denominan «temporales» para distinguirlas de otras denominadas «transitorias» que se explican más adelante.

Si la falta a tierra es, por ejemplo, en la fase R, la sobretensión es mayor en la fase T que en la S, o sea, en la más alejada de la fase defectuosa, en el orden de sucesión de las fases. Asimismo es casi siempre superior a la sobretensión en la fase sana en el caso de cortocircuito bipolar a tierra. Por tanto, normalmente, el valor a considerar será el del cortocircuito unipolar (fase T en el ejemplo de la figura 1), por ser el de mayor valor.

En esta situación de defecto a tierra, denominado también «régimen de falta», la tensión respecto a tierra U'F de la fase sana, es

·         en cortocircuito unipolar:


·         en cortocircuito bipolar a tierra:



El factor δ (δ1p o δ2p) se denomina «coeficiente de defecto a tierra». Es la relación de la tensión a tierra de la fase sana en régimen de falta respecto a la de régimen normal, o sea:


Nota: La relación U'F/Um se denomina «coeficiente de puesta a tierra». Es el concepto antiguo, sustituido posteriormente en las normas por el concepto de «coeficiente de defecto a tierra»


Para defecto franco a tierra en circuitos con el neutro aislado, el coeficiente de defecto a tierra (d) tiende a valer raíz de 3 en cortocircuito unipolar, respectivamente a 1,5 en cortocircuito bipolar a tierra.

El valor del coeficiente δ (δ1p o δ2p) depende básicamente de la relación entre la impedancia homopolar Z0 y la impedancia directa Z1, o sea Z0/Z1.

En efecto:



En los circuitos de MT, la relación entre la resistencia homopolar R0 y la reactancia directa X1, o sea R0/X1, acostumbra a tener un valor entre cero y uno; por tanto, su influencia en las fórmulas anteriores es pequeña, incluso nula en ciertos casos.

Nota: recuérdese también que, en el valor de Z0, es preponderante el sumando ZE de la impedancia entre el punto neutro y tierra.

Muchas veces es el único que se considera.


Figura 2: Factores de efecto a tierra δ en función de la relación X0/X1, con R1 = 0,
y R0/X1 = 0 o bien R0/X1 = 1.

Para R0 = R1 = 0 resulta Z1 = X1 y Z0 = X0, o sea la impedancia igual a la reactancia, las fórmulas anteriores quedan simplificadas a:                



En la figura 2 se representan las curvas de valores de δ en función de la relación X0/X1, para R0/X1 = 1, y para R0/X1 = 0. Asimismo, en la figura 3 hay unas tablas de valores de δ1p y δ2p en función de X0/X1, también para R0/X1 = 1, y para R0/X1 = 0.

En general, cuanto más grande es la relación X0/X1, mayor es la sobretensión que se produce.
Esta relación X0/X1 puede ser negativa por ser X0 capacitivo. Esto sucede cuando la puesta a tierra es a través de las capacidades de las líneas y los arrollamientos de alternadores y transformadores. En este caso acostumbra a ser X0/X1 >> 1.

En general, si se mantiene  la relación X0/X1 entre valores de 1 y 3, es posible el uso de limitadores de sobretensión de capacidad reducida. Si X0/X1 no excede de 10, las sobretensiones transitorias se limitan a valores seguros.

La relación X0/X1 = 10 corresponde a una limitación de corriente de perdida a tierra a un mínimo del 25% de la corriente de falta trifásica.

En instalaciones con líneas aéreas directamente a barras de generadores, exponen al generador a sobretensiones atmosféricas. El método es colocar una reactancia en el punto neutro de forma que resulte X0/X1 = 3. De esta manera se pueden emplear limitadores de sobretensión en el neutro. En máquinas grandes se emplean resistencias.

Puede suceder también, como se ha indicado anteriormente, que X0 resulte de la diferencia entre dicha reactancia capacitiva y la reactancia de una bobina de puesta a tierra, en cuyo caso podrían teóricamente tenerse valores de X0 negativos y de pequeño valor, lo que daría lugar a intensidades de cortocircuito unipolar mayores que la del tripolar.

Contrariamente a las sobretensiones, las intensidades de cortocircuito unipolar aumentan al disminuir el valor de X0/X1. Por tanto, para valores pequeños de X0/X1 se tienen sobretensiones pequeñas e intensidades de cortocircuito grandes; recíprocamente, X0/X1 de valor elevado da lugar a sobretensiones elevadas e intensidades de cortocircuito pequeñas.

Además de las sobretensiones temporales explicadas, en caso de falta unipolar o bipolar a tierra, se producen también en las fases sanas unas sobretensiones transitorias de más breve duración que las temporales (algunos milisegundos).  

El valor de estas sobretensiones transitorias depende también de la relación X0/X1.

Asimismo, aunque en mucha menor cuantía, de la relación entre la capacidad homopolar C0 y la capacidad directa C1.


Figura 3: Tabla de factores de defecto a tierra δ1p y δ2p en función de X0/X1.

Depende también del valor de la tensión en el momento de producirse la falta a tierra. En el caso de un cortocircuito unipolar a tierra, la sobretensión en las fases sanas es máxima cuando la tensión en la fase defectuosa pasa por su valor máximo en el momento de producirse la falta.

En la figura 4 se presentan las curvas de la sobretensión transitoria máxima que puede producirse en las fases sanas en el caso de una falta unipolar a tierra, en función de la relación X0/X1, para C1 = C0 y para C1 = 2C0.

Tanto en las curvas de la figura 2 como en las de la figura 4, se observa que hay una zona de valores de X0/X1 en la que aparecen sobretensiones muy elevadas, concretamente para X0/X1 aproximadamente entre – 2 y – 5, o sea, de reactancia homopolar de naturaleza capacitiva, debida a las capacidades de las líneas, cables y arrollamientos de transformadores y generadores. Ahora bien, los valores X0/X1 habituales en los sistemas de MT acostumbran a quedar fuera de esta zona.

En consecuencia, al diseñar un sistema de MT, es conveniente estudiar qué forma de puesta a tierra es la más adecuada. Para ello es preciso establecer, en cada caso, un orden de necesidades o preferencias en cuanto a:

·         limitación de sobreintensidades
·         limitación de sobretensiones
·         protección de las máquinas (especialmente generadores) contra sobreintensidades
·         protección de dichas máquinas contra sobretensiones
·         detección del defecto por relés de protección, y selectividad en la actuación de los mismos.

En este sentido, los criterios pueden ser diferentes, si se trata de generadores (sistemas alimentados directamente por alternadores), o bien si se trata de transformadores de potencia (sistemas alimentados por transformadores AT/MT).

Para neutro conectado directamente a tierra, o sea reactancia XE entre neutro y tierra casi nula, las corrientes de cortocircuito a tierra pueden llegar a ser superiores a las de cortocircuito trifásico, por ser X0/X1 < 1, lo que debe tenerse en cuenta al dimensionar los elementos del circuito (cables, líneas, aparamenta, etc). En cambio, las sobretensiones son muy pequeñas o nulas.

Para neutro aislado de tierra, o sea reactancia XE muy elevada, sólo debida a la capacidad de cables, líneas y arrollamientos, las intensidades de cortocircuito a tierra son muy pequeñas por ser X0/X1 >> 1, incluso difíciles de detectar lo que no deja de ser un inconveniente. En cambio, las sobretensiones son elevadas, lo cual obliga a prever los elementos del circuito (cables, aparamenta, aisladores, etc.) con un nivel de aislamiento (tensiones de ensayo) mayor que para el caso de neutro conectado directamente a tierra.

En las redes de MT se adopta frecuentemente la solución denominada de «neutro impedante», consistente en conectar el neutro a tierra a través de una impedancia ZE que queda intercalada entre el centro de la estrella y la toma de tierra. Se trata pues de un régimen intermedio entre el de neutro aislado y de conectado directamente a tierra.


Figura 4

Se acostumbra a prever el valor de la impedancia ZE de forma que limite la corriente de cortocircuito a tierra a máximo el 10% de la corriente de cortocircuito tripolar. Se trata de un valor que no causa daños ni es peligroso para las personas y que por otra parte es detectable con relés sencillos de sobreintensidad.

Esta limitación de la corriente máxima de cortocircuito a tierra al 10% de la de cortocircuito tripolar conduce a una relación Z0/Z1 superior a 20, por lo cual en lo concerniente a las sobretensiones, este régimen de neutro impedante es equiparable al de neutro aislado. El circuito (cables, aparamenta, transformadores, etc.) requiere pues el mismo nivel de aislamiento que para neutro aislado.

Si los arrollamientos de MT del transformador AT/MT están conectados en estrella, la impedancia ZE se conecta entre el punto neutro del transformador y la toma de tierra y acostumbra a ser una resistencia óhmica. Si están conectados en triángulo, entonces se conecta a las salidas del transformador una bobina de formación de neutro, según se explica en el post “Consideraciones sobre la conexión a tierra del neutro de generadores trifásicos” en el siguiente link:

El centro de estrella de esta bobina se conecta directamente a tierra o bien se intercala una resistencia óhmica. La reactancia homopolar X0 de esta bobina de formación de neutro y el valor R de la resistencia intercalada, si la hay, constituyen la impedancia ZE.   



FUENTES:

Schneider Electric: Conceptos generales de instalaciones trifásicas de MT (Robert Capella)
Irwin Lazar: Análisis y diseño de sistemas eléctricos


POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:



POSTS RELACIONADOS:

Calculo de un transformador zig-zag con resistencia de puesta a tierra para un sistema de media tensión

Problemas de la puesta a tierra por resistencia cuando varios transformadores funcionan en paralelo sobre 1 ó 2 juegos de barras
Estructura de una red de distribución eléctrica industrial
Ejecución del neutro puesto a tierra por resistencia de limitación en instalaciones de Alta Tensión

No hay comentarios:

Publicar un comentario