En la figura 1
Um es la tensión entre fases y
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:
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