D.IV: Sistema de Puesta a Tierra Curso: Introducci´on a los Sistemas de Protecci´on de Sistemas El´ectricos de Potencia IIE - Facultad de Ingenier´ıa - UDELAR

1.

Sistema de puesta a tierra

1.1.

Introducci´ on

La puesta a tierra de un sistema de potencia es muy importante, dado que la mayor cantidad de faltas involucran tierra. El objetivo principal de la puesta a tierra es minimizar las sobretensiones transitorias, cumplir con los requerimientos en cuanto a las seguridad del personal y permitir que las faltas a tierra se detecten y a´ıslen en forma r´apida. La raz´ on para limitar la corriente para faltas a tierra son las siguientes: - reducir el da˜ no en los equipos en falta, como interruptores, transformadores, cables o m´ aquinas el´ectricas - reducir el stress mec´ anico en el circuito - reducir el choque el´ectrico para personas, debido a la corriente de tierra que circulan por la malla. - reducir el hueco de tensi´on debido a una falta a tierra - controlar las sobretensiones Hay 4 m´etodos de puesta a tierra en un sistema de potencia: - aislado, ’ungrounded’ - puesto a tierra mediante una impedancia alta, ’high impedance’ - puesto a tierra mediante una impedancia baja, ’low impedance’ - r´ıgidamente puesto a tierra, ’solid grounding’ Cada m´etodo tiene sus ventajas y desventajas.

1

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1.2.

2

Obteniendo el neutro del sistema

Una manera de obtener el neutro de un sistema de potencia trif´asico es usando el neutro de los transformadores o generadores conectados en estrella. Una alternativa es colocando transformadores de aterramiento. Cuando un sistema de potencia conectado en tri´angulo necesita conectarse a tierra, se pueden utilizar transformadores de aterramiento para obtener el neutro. Los transformadores de aterramiento pueden ser zig-zag, estrella-tri´angulo.

Figura 1: Transformador de aterramiento La impedancia del transformador en secuencia directa es muy alta, por lo cual cuando no hay falta en el sistema, solo circula por el transformador una peque˜ na corriente de magnetizaci´on. La impedancia de secuencia cero es baja, por lo cual permite la circulaci´on de altas corrientes a tierra. El transformador divide la corriente de falta a tierra en tres componentes f´asicas iguales, estas corrientes est´an en fase y circulan por cada uno los arrollamientos. La conexi´ on estrella-tri´ angulo del transformador trif´asico tambi´en puede ser usada como un transformador de aterramiento. Como en el caso de los transformadores zig-zag, la aplicaci´on m´as com´ un es acompa˜ nada con una resistencia de puesta a tierra. La conexi´on tri´angulo debe ser cerrada para dar un camino para la corriente de secuencia cero. La resistencia conectada entre el neutro y tierra, provee un medio para limitar la corriente de falta a tierra.

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Es generalmente deseable conectar un transformador de aterramiento directamente a la barra del sistema de potencia, sin interruptor o fusibles, para prevenir que el transformador sea sacado de servicio en forma inadvertida.

1.3.

Sistemas aislados

Los sistemas de potencia que operan sin una conexi´on intencional desde el neutro del sistema a tierra, se los describe como sistemas aislados de tierra. En realidad, estos sistemas est´an puestos a tierra mediante las capacidades par´ asitas a tierra del sistema. En muchos sistemas, esto es a trav´es de muy altas impedancias, lo que hace que sea una conexi´on d´ebil y muy f´acilmente perturbada. Por lo tanto, la corriente de falta, para faltas a tierra, es muy baja, por lo cual el equipamiento no es da˜ nado y no es necesario aislar. Generalmente este tipo de puesta a tierra se encuentra en la industria donde se requiere una continuidad del servicio. Sin embargo, los sistemas aislados est´an sometidos a sobretensiones destructivas tanto para el equipamiento como para el personal. Para proteger al equipamiento contra sobretensiones, se conectan descargadores.

En resumen: A los sistemas aislados de tierra se le atribuyen dos ventajas: Operacional : la primera puesta a tierra en un sistema aislado causa peque˜ nas corrientes de tierra, por lo cual el sistema puede seguir operando. Esto mejora la continuidad del servicio. Econ´ omico : no se gasta en equipamiento para la puesta a tierra del sistema. Pero se requiere que todo el equipamiento tenga un nivel de aislaci´ on mayor, aislaci´ on fase-fase.

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a

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Distributed natural capacitances between phases a Ground fault b

c

b

c Distributed natural capacitances to ground

Ib

Ic

Ia

Va

Vab

Vc

Vb

Source

Ib Vbc

Ia Ic

Vba Vca Ib leads Vba by 90! Ic leads Vca by 90!

I

Ia = −Ib−Ic = 3

0

FIGURE 7.2 Phase-to-ground fault on an ungrounded system.

Figura 2: Sistema aislado

In industrial applications where ungrounded systems might be used, the X0C is equal practically to X1C ¼ X2C and is equivalent to the charging capacitance theun transformers, cables, motors, surge-suppression capacitors, Las faltas a tierraofen sistema aislado mueven las tensiones normales de local generators, and so on, in the ungrounded circuit area. Various reference operaci´ on. En la Figura 3 se pueden ver las tensiones en r´egimen normal de

operaci´ on (a) y cuando hay una falta fase a tierra (b).

! 2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

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(a) Van =Vag

(c) Vcn =Vcg

(a) Vag = 0

Ground (g)

n=g

Van = −Vng

(b) Vcg

Vbn =Vbg

(c) (a)

(b)

Vbg

n

Vcn

Vbn

(b)

FIGURE 7.1 Voltage shift for a phase-a-to ground fault on an ungrounded system: (a) Figura 3: Faltas a tierra en ungrounded. sistema aislado normal balanced system; (b) phase a solidly

A typical t is de illustr in Figur e 7.2 showing the current flow. The Protecci´ oncircui a tierra unated sistema aislado: sequence networks are shown in Figure 7.3. The distributed capacitive react-

Dado que la corriente de falta, para una falta fase a tierra, es muy baja, no ance values X1C,protecciones X2C, and X0C are very large, whereas the series reactance (or se pueden utilizar de sobrecorriente. imp edance) values X , X , X , and so on,enare relatively 1Son detectan T 1L, X 0Ldesbalances Las protecciones de tensi´ los tensiones, perovery no small. us, practicall y,no X1C is shorted out oby X1S esTh selectiva, ya que detecta la ubicaci´ n de la and falta.XT in the positive-sequence networ k, and similar ly afor thecon negat ive-sequence network. Because these Se detectan las faltas fase tierra la medida de la tensi´ on de secuencia series impeda veryaislar low,laX1falta, and laX2protecci´ approach zeroda , inuna relation cero. Dado que nces no es are posible on solo se˜ nal to the de alarma. larg e value of X0C. Therefore, En condiciones normales de operaci´on la tensi´on en el secundario del transformador de tensi´ on es 0V. Cuando ocurre una falta, VS la tensi´on en el secun(7:1) I1 ¼ I2 ¼ I0 ¼ dario es de 3V0 .

X0C

and Ia ¼ 3I0 ¼

3VS : X0C

(7:2)

This calculation can be made in per unit (pu) or amperes (A), remembering that VS and all the reactances (impedances) are line-to-neutral quantities. The unfaulted phase b and c currents will be zero when determined from the sequence currents of Equation 7.1. This is correct for the fault itself. However, throughout the system the distributed capacitance X1C and X2C is actually paralleled with the series reactances X1S, XT, and so on, so that in the system I1 and I2 are not quite equal to I0. Thus, Ib and Ic exist and are small, but they are necessary as the return paths for Ia fault current. This is shown in Figure 7.2. If Ia ¼ "1 pu, then Ib ¼ 0.577 ffþ30% and Ic ¼ 0.577 ff"30% pu.

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a b c

VT

R q

p 3V0 +

Ground overvoltage relay

Zero seq.

X0C

V0

N0

R 3

Relay

I0C + Neglects negligible system & VT reactances

FIGURE 7.5 Voltage ground-fault detection using three voltage transformers connected wye-grounded–broken-delta. Figura 4: Protecci´on a tierra de un sistema aislado

7.4.2 SINGLE-VOLTAGE TRANSFORMERS e single-voltage transform of Figure 7.6 is especia subject to possible 1.4. ThSistemas puestos a er tierra mediante unallyimpedancia alta ferroresonance, without adequate resistance in the secondary. Without this Hay dos resisttipos ance, de puesta a tierra mediante una impedancia alta: pffiffi - puesta a tierra resonante 3VLL Vbg ¼ : 3 " (XC =Xe )alta - puesta a tierra mediante una resistencia

! 2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

(7:10)

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Sistemas puestos a tierra resonante: Este m´etodo tambi´en es conocido como ’bobina de Petersen’. La capacidad it is used Thecon major American use is for conectada generator a tierra States, total although del sistema es elsewhere. cancelada una inductancia en el grounding in the New England area. High-resistance grounding is widely used neutro. Si la inductancia conectada en el neutro es sintonizada con el valor for generators and in industrial plants. These applications are reviewed later. de la capacidad total, la corriente de falta es cero. 7.5.1 RESONANT GROUNDING El sistema puesto a tierra resonante precisa de aislaci´on fase-fase. La literatura registra una gran cantidad deground-fault faltas entre fases or y ‘‘Petersen hay mucha These systems are also known as neutralizer coil’’probabiThe total system capacitance to ground canceled by puesta an equal a tierra. lidad de systems. tener faltas simult´ aneas, en sistema con iseste tipo de inductance connected in the neutral (Figure 7.8). If the neutral reactor is 0

0

a

1.73 3

b

1.73

c

XL

52 N

XC 0

XC

XC

Ib

0

IC Van

3I0L

System distributed capacitance

Ic 3I0L

Ib + Ic Ib

Vbn

Vcn

Z1 + Z2 X0C

3XL I0L

+

I0C

0

Vs

Fault

Resistance in system

∞

I

0

FIGURE 7.8 Resonant grounding.

Figura 5: Sistema de puesta a tierra resonante Para proteger estos sistemas se utilizan protecciones de sobrecorriente muy sensibles! que dan una se˜ nal de alarma y si luego de 10s a 20s a´ un se mantiene 2006 by Taylor & Francis Group, LLC. la falta, el reactor es cortocircuitado. Esto proporciona una corriente de falta a tierra grande, lo cual permite que otras protecciones a´ıslen la falta.

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Sistemas puestos a tierra por una resistencia alta: En este m´etodo, el sistema de potencia es puesto a tierra mediante una resistencia, y la pr´ actica usual es que el valor de esa resistencia es igual o ligeramente menor a la capacidad a tierra total. Esto proporciona una corriente para faltas a tierra baja, y limita las sobretensiones. La corriente de falta a tierra est´an limitadas a valores entre 1 a 10A. La resistencia se conecta al neutro del generador o transformador mediante un transformador de distribuci´on.

a

b c 3I0R

59 G

R

xc

V0

xc

xc

System distributed capacitance

3I0R Distribution transformer VLN or VLL: 240 V typically Zero sequence

N0

I0R 3R

I0C Fault

x0C

V0

+

FIGURE 7.9 High-resistance grounding with resistor in the neutral. Figura 6: Sistema de puesta a tierra mediante una resistencia

The grounding resistor may be connected in the neutral of a generator or power transformer (Figure 7.9), or across the broken delta of line-to-groundconnected distribution transformers (Figure 7.10). With the resistor in the neutral, as in Figure 7.9, a solid ground fault can produce a maximum V0 equivalent to the phase-to-neutral voltage as illustrated in Figure 7.1. Thus a line-to-neutral-rated distribution transformer is normally used, although lineto-line ratings have also been used. For the grounding system similar to that indicated in Figure 7.10, a solid ground fault can raise the voltage on two of the distribution transformers to line-to-line equivalent (see Figure 7.1). Thus,

La configuraci´ on de la Figura 6 se utiliza en el neutro del generador.

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Cuando se tienen varios generadores conectados a la misma barra se prefiere la conexi´ on de la Figura 7.

a

b c

I0R XC

Distribution transformers VLL: 120 V Typically

3I0R

I0R

XC

XC

System distributed capacitance

3R 59G +

Zero sequence

No

X 0C

R I 0R

3V0

Fault

V0

I 0C +

FIGURE 7.10 High-resistance grounding with resistor across distribution transformer Figura 7: Sistema de puesta a tierra con varios generadores secondaries.

Protecci´ a tierra: 7.5.3 oEnXAMPLE : TYPICAL

HIGH-RESISTANCE NEUTRAL GROUNDING

La n para faltas todo se con generator, una pro- as Thprotecci´ is type oof ground ing fase-tierra is applied en to aeste 160m´eMVA 18logra kV unit tecci´ o n de sobretensi´ o n, conectada a la resistencia. shown in Figure 7.11. The area of ground protection is the generator to the

low-voltage winding of the power transformer and to the high-voltage winding ofSistemas the unit auxiliary transform er. mediante In this area una the followi ng capacitanc 1.5. puestos a tierra impedancia bajaes to the ground (microfarads per phase) must be considered: Este m´etodo de puesta a tierra limita la corriente de tierra para faltas fasetierraGenera a valores 50A tor entre windin gs hasta 1000A. Este m´etodo es usado 0.24para limitar la corriente de falta, y adem´ a s permitir selectividad en los rel´ es de protecci´on. Generator surge capacitor 0.25

Generator-to-transformer leads 0.004 Power transformer low-voltage winding 0.03 Station service transformer high-voltage winding 0.004 Voltage transformer windings 0.0005 Total capacitance to ground

0.5285

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Adem´ as, el equipamiento alcanza con que tenga una aislaci´on fase-tierra, ya que las tensiones no aumenta en forma considerada para las faltas fase-tierra. Generalmente, se implementa conectando un reactor o una resistencia en el neutro del transformador.

Figura 8: Sistemas puestos a tierra mediante una impedancia baja Cuando se tiene un transformador conectado en tri´angulo, el neutro del sistema no est´ a disponible. Por lo tanto, se puede conectar un transformador zig-zag (de relaci´ on 1:1) o un transformador estrella-tri´angulo.

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Figura 9: Sistemas puestos a tierra mediante un transformador Por el transformador zig-zag solo puede circular la corriente de secuencia cero; y no circulan ni la corriente de secuencia directa ni la de secuencia inversa. La impedancia de secuencia cero es la impedancia del transformador, xT , una reactancia.

Protecci´ on a tierra: Dependiendo del m´etodo de puesta a tierra se divide en: Impedancia conectada al neutro : La protecci´on para faltas a tierra se implementa por medio de una protecci´on de sobrecorriente de neutro conectado en la impedancia de neutro. Impedancia conectada mediante un transformador : La protecci´on para faltas a tierra se implementa como en el caso anterior. Adem´as, se

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instala una protecci´ on para proteger el transformador, que consiste en una protecci´ on de sobrecorriente de fase y neutro. La siguiente figura muestra la conexi´on m´as usada de transformadores de corriente.

Figura 10: Conexi´ on de los transformadores de corriente

Sistema de protecci´ on A continuaci´ on hay dos aplicaciones de protecci´on para un transformador zig-zag.

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Figura 11: Protecciones para transformador zig-zag La Figura 11 representa un sistema de protecci´on donde los secundarios de los transformadores est´ an conectados en tri´angulo, de manera de filtrar las corrientes para faltas a tierra. De esta manera la funci´on de sobrecorriente de fase solo protege al transformador mientras que la funci´on de sobrecorriente de neutro protege a la resistencia.

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Figura 12: Protecciones para transformador zig-zag El sistema de protecci´ on de la Figura 12 est´a formado por una protecci´on diferencial de alta impedancia para proteger el transformador zig-zag frente faltas a tierra y una funci´ on de sobrecorriente de fase que protege a la resistencia y al trasnsformador sig-zag. A este u ´ltimo lo protege frente faltas entre fase.

1.6.

Sistemas r´ıgidamente puestos a tierra

Seg´ un IEEE, un sistema est´ a r´ıgidamente puesto a tierra cuando las constantes del sistema verifican: X0 R0 ≤ 3,0 y ≤ 1,0 X1 R1 donde X0 y R0 son las reactancia y resistencia de secuencia cero del sistema y X1 y R1 son las reactancia y resistencia de secuencia positiva del sistema. Esto significa que no hay una impedancia conectada entre el neutro del sistema y tierra.

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Generalmente, esto se implementa conectando el neutro de la estrella de los transformadores a la malla de tierra de la subestaci´on. Por lo tanto, la corriente de tierra para faltas fase-tierra puede variar de valores muy peque˜ nos a valores m´as grandes que las corrientes de falta para faltas trif´ asicas. La magnitud de la corriente depende de la configuraci´on del sistema de potencia y sus constantes, ubicaci´on de la falta y de la resistencia de falta.

Figura 13: Sistema r´ıgidamente puesto a tierra

1.6.1.

Protecci´ on a tierra:

Dado que la corriente de falta es alta, es f´acil localizar la falta con protecciones de sobrecorriente de neutro. Generalmente, se utilizan las funciones de sobrecorriente de tiempo dependiente de la corriente, ajustada de forma muy sensibles y coordinados en tiempo con el resto de las protecciones.

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Figura 14: Protecciones para un sistema r´ıgidamente puesto a tierra

2.

Bibliograf´ıa - C37.97-1979 (Protective Relay Applications to Power System Buses) - Protective Relaying Theory and Applications, Walter A. Elmore, Marcel Dekker Inc. 2nd ed. 2004 - Protective Relaying: Principles and Applications, J. Lewis Blackburn, Marcel Dekker Inc. 2nd ed. 1997 - Power System Relaying, S. Horowitz, A. Phadke 3rd ed. 2008 - High-Impedance Differential Relaying, GER3184 - 242-2001 (Buff Book) Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems