Este post se complementa con el publicado con el
título: Ejecución del neutro puesto a tierra por resistencia de limitación en
instalaciones de Alta Tensión, disponible en el link:
Es un hecho admitido por los Departamentos de Ingeniería
y Proyectistas de sistemas de distribución de media y alta tensión, que las
resistencias de puesta a tierra presentan una serie indudable de ventajas que
han desplazado de forma clara a los sistemas de distribución de neutro aislado
y de puesta a tierra a través de reactancias (L). La elección
concreta de uno de estos modos de puesta a tierra, depende del valor de la
tensión, de la extensión de la red y de la naturaleza de los receptores.
Normalmente L es preferible a R cuando U (tensión
compuesta de la red) es ≥ 20 kV, o el valor
de la corriente de defecto a tierra en la puesta a tierra es muy elevado.
Ver posts:
Calculo de un transformador zig-zag con
resistencia de puesta a tierra para un sistema de media tensión, en el
siguiente link:
Cálculo de Generadores Homopolares (GH)
Las características eléctricas que definen una
resistencia limitadora de puesta a tierra son:
- Intensidad de paso.
- Tensión del sistema.
- Valor óhmico de la resistencia.
- Tiempo de conexión.
El valor óhmico de la resistencia
se determina en función del valor de intensidad de paso considerada como
suficiente para que actúen con fidelidad los dispositivos de protección instalados
y no se alcancen valores que producirían averías mecánicas o eléctricas.
La corriente inicial, al considerar
la tensión simple del sistema, es la que circulará por la resistencia sin estar
afectado su valor óhmico por la temperatura.
El tiempo de conexión es el periodo
durante el que puede estar conectada la resistencia a la tensión nominal sin
que se supere su límite de calentamiento. Este tiempo se fija siguiendo las
normas aplicables y/o la experiencia de los proyectistas.
Figura
1: Características de las Resistencias de puesta a tierra
para el
neutro de Transformadores (fabricación MESA)
La determinación del valor de esta
resistencia R y de la corriente máxima IL = U/√3 · R se hará en
función de las exigencias siguientes:
- la corriente IL debe ser superior o igual, cuanto menos, al doble de la corriente capacitiva de la red en caso de defecto a tierra IL ≥ 2 · IC a fin de limitar las sobretensiones,
- la corriente IL debe ser inferior a la sobreintensidad máxima que puedan soportar las pantallas de los cables, en general, de 500 a 3.000 A, según la sección de los cables,
- en una red que alimenta motores de MT, es necesario respetar preferentemente la relación 5 A ≤ IL ≤ 20 A, pero en caso de incompatibilidad con la primera exigencia, IL puede alcanzar 50 A,
- para asegurar una buena protección a nivel de los receptores, es necesario que la regulación del umbral de Ir no exceda de 0,2 IL, siendo Ir ≤ 0,2 IL,
- para obtener la selectividad con relación a las protecciones de los enlaces sanos, es necesario respetar la relación Ir ≥ 1,3 IC, siendo IC la corriente capacitiva de los enlaces protegidos en caso de defecto fase-tierra,
- si la medida de la corriente de tierra se hace por 3 TI de calibre In, es preciso hacer que Ir ≥ 0,06 In,
- la capacidad térmica de la resistencia R debe permitir el paso de la corriente IL durante el tiempo máximo de eliminación del defecto a tierra (1 a 1,5 s) o recíprocamente, la eliminación del defecto a tierra debe ser lo suficientemente rápida para no llegar a deteriorar la resistencia R.
EJEMPLO
PRÁCTICO 1
Se requiere realizar el cálculo de
la resistencia de limitación R en el punto neutro del transformador de la
figura 2 así como los valores de ajuste de las protecciones homopolares 1, 2, 3
y 4.
1º
Paso:
En
un primer paso
vamos a calcular la intensidad IR de la resistencia de puesta a
tierra y los ajustes de las protecciones homopolares 1 y 2.
Condiciones previas:
- IR > 2 IC total
- ir > 1,3 IC (corrientes capacitivas de cada ramal)
- ir > 12% In TI (por suma 3 TI)
- ir < 10 a 20% IR (protección de los devanados del transformador y de la R de p.a.t.)
Figura 2
Capacidad de las líneas de cable (verificar según el fabricante)
para cables de 6/10 kV.
Línea 1: 50 mm2 0,313 x 2 = 0,626 µF
Línea 2: 240 mm2 0,574 x 5 = 2,87 µF
Corriente de fuga capacitiva caso de puesta a
tierra de una de las fases (ver diagrama vectorial de la figura 3).
IC0T =
√3 · U · Cω
U: tensión compuesta entre fases (V)
C: capacidad del cable (F)
ω: pulsación (2πf)
Figura 3
Línea 1: 50 mm2: IC0T = √3 · 6,3 ·
0,626 · 10-3 · 2 · 3,14 · 50 = 2,14 A
Línea 2: 240 mm2: IC0T = √3 · 6,3 · 2,87 · 10-3 · 2 · 3,14 · 50
= 9,83 A
Total corriente capacitiva: 2,14 + 9,83 = 11,97 A
Condiciones establecidas:
Condición 1ª) Ir > 2 x 11,97; Ir > 24 A
Condición 2ª: Ir > 1,3 ICOT
Línea 1: 50 mm2 Ir1 > 1,3 x 2,14; Ir1
> 2,78 A
Línea 2: 240 mm2 Ir2 > 1,3 x 9,83; Ir2
> 12,78 A
Condición 3ª: Ir > 0,12 In
Líneas 1 y 2: In = 630 / √3 · 6,3 = 57,73 A por tanto, TI de 60/5 A, relación K = 12:
Condición 4ª: Ir < 0,1 a 0,2 IR
Ir1 e Ir2 < 0,15 · 24 (3,6 A)
Las condiciones 1ª, 2ª y 3ª dan los valores
mínimos admisibles. La condición 4ª da el valor máximo admisible.
Por tanto:
Línea 1: 50 mm2: Ir1 mínimo
(condición 2ª) 2,78 A, máximo (condición 4ª): 3,6 A
Línea 2: 240 mm2: Ir2 mínimo
(condición 2ª): 12,78 A, máximo (condición 4ª): 3,6 A
Es necesario, por tanto, aumentar el valor IR
como mínimo hasta IR >
12,78 / 0,1 = 128 A. Esto significa dimensionar más la resistencia R de puesta
a tierra del neutro.
En consecuencia se eligen:
- Intensidad máxima de la resistencia de puesta a tierra IR = 300 A (1)
- Ajuste de las protecciones homopolares:
o
Línea 1: 50
mm2 : Ir1 = 3,5 A
o
Línea 2: 240
mm2 : Ir2 = 15 A
(1) De donde:
2º
Paso:
En un
segundo paso se calculan los
ajustes de las protecciones homopolares 3 y 4.
Protección
3:
TI 120/5A, K = 24
Condición de selectividad Ir3 > Ir2, Ir3 >
Ir1.
Ajuste elegido Ir3 = 18 A.
Protección
nº 4:
Es la protección térmica para el paso de
corriente permanente por la resistencia R.
Condición 4or al lím: Ir4 inferiite
térmico de la resistencia R.
Habitualmente las resistencias de puesta a tierra
del neutro en MT, se construyen para poder soportar el paso de una corriente
permanente del orden del 8 a 10% de la intensidad máxima de cortocircuito
unipolar a tierra, limitada por el propio valor de dicha resistencia. Ejemplo:
Tensión de servicio 26400 V intensidad máxima de cortocircuito unipolar a
tierra: 600 A.
Valor de la resistencia:
Intensidad permanente admisible por la
resistencia 600 x 0,08 = 50 A. Por tanto, en este ejemplo Ir < 50 A.
Aplicando este criterio constructivo al valor IR
= 300 A elegido en el anterior paso 1, las condiciones son:
Condición térmica: Ir4 < 0,1 x 300
(30 A)
Condición de selectividad: Ir4 > Ir2;
Ir4 > 15 A.
Se elige pues Ir4 = 22 A.
EJEMPLO
PRÁCTICO 2º:
Se desea calcular la resistencia de puesta a
tierra R en el neutro de los transformadores y el valor de la corriente de
cortocircuito limitada por R ante un defecto a tierra.
Instalación con dos transformadores de 20 MVA. 55/20 kV según la figura 4.
Observación: Ambos transformadores no trabajaran
nunca en paralelo.
Figura 4
Diseño de sistema de puesta a tierra
Cables
de MT
Como se menciona en el esquema unifilar, todos
los cables de MT considerados son 240 mm² Al 12 / 20 kV RHZ1. Suponemos que la
capacitancia lineal de este cable es c = 0.416 μF / km (Verificar según
fabricante).
Corriente
capacitiva
De acuerdo con el esquema unifilar de la figura 4, se calcula
la corriente capacitiva máxima del circuito de 20 kV. Se considera la
contribución de los tres bucles y la conexión de cable de 800 metros entre las
dos barras de bus. No se tienen en cuenta ampliaciones futura.
Corriente de fuga capacitiva en caso de puesta a
tierra de una de las fases (ver diagrama vectorial de la figura 3)
IC0T = √3· Cω · U
U: tensión compuesta entre fases (V)
C: capacidad del cable (F)
ω: pulsación (2πf)
Longitud
total de los cables de 20 kV
Cable de media tensión: 240 mm² Al 12 / 20kV RHZ1
c = 4.16-6 F/km (verificar según
fabricante)
C = 4.16-6 · 6170 = 2,57-6
F
ICT = √3 · Cω· U = 1.732 ·
2,57-6 · 2 · π · 50 · 20.000 = 28
A
Máxima
corriente capacitiva de la red de 20 kV: 28A.
Sistema de puesta a tierra
Los dos transformadores de 20 kV nunca funcionan
en paralelo. La solución más económica es conectar el punto neutro de cada
transformador Dyn 5 / 20kV a tierra mediante una resistencia.
La resistencia de puesta a tierra generalmente se
elige para que IL(1) ≥ 2.Ict para limitar las sobretensiones transitorias
durante fallos a tierra. Para admitir la corriente capacitiva de una posible ampliación
futura de la red, es recomendable elegir la resistencia para que IL(1)
≥ 4.Ict
(1)
IL: corriente limitada por la resistencia de puesta a tierra
Para IL = 4 · 28 = 112 A => R = U/√3
· IL = 103 Ω
Sistema
de puesta a tierra sugerido:
conexión del punto neutro del sistema de 20 kV a tierra con una resistencia de 103
Ω en cada transformador de 55/20 kV. La corriente
de cortocircuito de falta a tierra estará limitada a 112 A.
Figura 5
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resistencia de limitación en instalaciones de Alta Tensión
Puesta a tierra del neutro en los sistemas de MT
¿Qué elegir? : Bobina de Punto Neutro o Generador
Homopolar
las exigencias luego de la figura 1 de donde salen? Es criterio del calculista? de algun libro?
ResponderEliminarLa figura 1 con su tabla de características corresponden, como se indica, al fabricante MESA (Manufacturas Eléctricas, S.A.)
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