Boletin_2 Tierras En Transform Adores Y Gene Rad Ores

BOLETIN INFORMATIVO NO. 2 SEPTIEMBRE 2004 PARTE NO.1

ESPECIFICACIONES PARA TIERRA DE SISTEMAS DE ENERGIA COMERCIAL E INDUSTRIAL Basado en el estándar IEEE 142-1991 (IEEE Recommended Practices for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems)

Definiciones

La variedad de sistemas de tierra y definiciones de terminología relacionada. Las definiciones de términos adicionales pueden encontrarse en IEEE Std 1100-1988 y el NEC (ANSI/NFPA 70-1990). Correctamente aterrizado. Aterrizado a través de una impedancia suficientemente baja de manera que, para todas las condiciones del sistema, la relación de la reactancia de secuencia cero con la reactancia de secuencia positiva (X0/X1) sea positiva y menor a 3, y la relación de la resistencia de secuencia cero con la reactancia de secuencia positiva (R0/X1) sea positiva y menor a 1. Sistema aterrizado. Sistema en el cual al menos un conductor o punto (usualmente el cable medio o punto neutral del devanado del transformador o generador) está intencionalmente aterrizado, ya sea sólidamente o a través de una impedancia. Aterrizado. Conectado a tierra o a algún cuerpo conductor que haga las funciones de tierra, ya sea la conexión intencional o accidental. Aterrizado de alta resistencia. Un sistema aterrizado con una resistencia insertada a propósito, que limita la corriente de falla a tierra de manera que la corriente pueda fluir por un tiempo extendido sin empeorar el daño. Este nivel de corriente se estima normalmente que sea de 10 A o menos. Los sistemas aterrizados de alta resistencia son diseñados para cumplir con el criterio de R0 < XC0 para limitar los sobrevoltaje transitorios debido a fallas de arqueo a tierra. XC0 es la reactancia capacitiva distribuida por fase a la tierra del sistema, y R0 es la resistencia de secuencia cero por fase del sistema.

Aterrizado de baja resistencia. Un sistema aterrizado con resistencia en el cual la resistencia insertada a propósito tiene un valor óhmico bajo como para cumplir con el criterio de aterrizado de alta resistencia. La resistencia es seleccionada para proveer la corriente deseada de relevación. Corriente de cargado por fase (IC0). La corriente (VLN/XC0) que pasa a través de una fase del sistema para cargar la capacitancia distribuida por fase a tierra del sistema. VLN es el voltje de línea a neutro y XC0 es la capacitancia distribuida por fase del sistema. R0. La resistencia de secuencia cero por fase del sistema. aterrizamiento reactivo. Aterrizado a través de una impedancia, cuyo principal elemento es una reactancia inductiva. aterrizamiento resistivo. Aterrizado a través de una impedancia, cuyo principal elemento es una resistencia Resonancia. El incremento de la respuesta de un sistema físico (sistema o circuito eléctrico) a una excitación periódica cuando la frecuencia de la excitación (f) es igual a una frecuencia natural del sistema. Rn. El valor de la resistencia conectada del neutro a la tierra de un sistema de resistencia aterrizada. Para sistemas de alta resistencia aterrizada donde RN es un componente principal de R0, la relación R0=3RN se aplica.

Sólidamente aterrizado. Conectado directamente a través de una adecuada conexión a tierra en la cual ninguna impedancia ha sido insertada intencionalmente. Carga estática. La electricidad generada cuando dos substancias distintas entran en contacto. Las bandas sin fin son productores activos de electricidad estática. Pico de conmutación. Una onda transitoria de sobrevoltaje en un circuito eléctrico causada por la operación de un dispositivo de conmutación interrumpiendo la corriente de carga o la corriente de falla. Sistema. Un sistema aterrizado consiste de todas las conexiones de tierra interconectadas en un sistema específico de potencia y está definido por su aislamiento de sistemas de tierra adyacentes. El aislamiento está dado por devanados primario y secundario de un transformador que están acoplados únicamente por medios magnéticos. Así pues, la frontera del sistema está definida por la ausencia de una conexión física que sea metálica o a través de una impedancia significativamente alta. La Fig. 1 ilustra los límites y fronteras de sistemas aterrizados. Corriente de carga del sistema. La corriente de carga capacitiva total distribuida (3VLN/XC0) de un sistema trifásico. Sistema trifásico de 4 hilos. Un sistema de suministro de corriente alterna comprendido de cuatro conductores, tres de los cuales están conectados como en un sistema trifásico de 3 hilos, el cuarto estando conectado al punto neutro de la fuente o punto medio de una fase en el caso de un devanado secundario delta de un transformador, el cual puede estar aterrizado.

Sistema trifásico de 3 hilos. Un sistema de suministro de corriente alterna comprendiendo 3 conductores, entre pares sucesivos de los cuales son mantenidas diferencias alternas de potencial sucesivamente desplazadas en fase por un tercio de período. Sobrevoltaje transitorio. El sobrevoltaje temporal de corta duración asociado con la operación de un dispositivo conmutador, una falla, un rayo, o durante fallas de arqueo a tierra en el sistema subterráneo. Sistema no-aterrizado. Un sistema sin una conexión intencional a tierra, excepto a través de dispositivos de medición o indicadores de potencial u otros dispositivos de muy alta impedancia.

Propósitos de un Sistema Aterrizado Un sistema aterrizado, o la conexión intencional de una fase o un conductor neutro a tierra, es para el propósito de controlar el voltaje a tierra, dentro de límites predecibles. También provee un flujo de corriente que permitirá la detección de una conexión indeseable entre conductores del sistema y tierra lo cual pudiera instigar la operación de dispositivos automáticos a remover la fuente de voltaje de los conductores con dichas conexiones indeseables a tierra. El control del voltaje a tierra limita el esfuerzo de voltaje en el aislamiento de los conductores de manera que el funcionamiento del aislamiento pueda ser más fácilmente predecible. El control de voltaje también permite la reducción de peligro de descarga a personas que puedan entrar en contacto con conductores vivos.

Métodos de Aterrizamiento del Neutro del Sistema Introducción. La mayoría de los sistemas aterrizados emplean algún método para aterrizar el neutro del sistema en uno o más puntos. Estos métodos pueden ser divididos en dos categorías generales: aterrizamiento sólido y aterrizamiento por impedancia. El aterrizamiento por impedancia puede ser todavía dividido en varias subcategorías: aterrizamiento reactivo, aterrizamiento resistivo y aterrizamiento neutralizador de falla a tierra. Cada método, como su nombre lo indica, se refiere a la naturaleza del circuito externo desde el neutro del sistema a tierra y no al grado de aterrizamiento. En cada caso la impedancia del generador o transformador cuyo neutro este aterrizado está en serie con el circuito externo. De esta manera, un generador o transformador sólidamente aterrizado podría o no proveer una tierra efectiva al sistema, dependiendo de la impedancia del sistema de alimentación.

Aterrizamiento Sólido. Aterrizamiento sólido se refiere a la conexión del neutro de un generador, transformador de potencia, o transformador de aterrizamiento directamente a la estación de tierra o a la tierra. Debido a la reactancia del generador o transformador aterrizado en serie con el circuito del neutro, una conexión sólida a tierra no provee un circuito neutro de impedancia cero. Si la reactancia de secuencia cero del sistema es muy grande con respecto a la reactancia de secuencia positiva, los objetivos vistos en el punto anterior, principalmente el librarse de sobrevoltajes transitorios, podrían no alcanzarse. Esto es rara vez un problema en sistemas de potencia industrial y comercial. La impedancia de secuencia cero de la mayoría de los generadores utilizados en estos sistemas es mucho menor que la impedancia de secuencia positiva. La impedancia de secuencia cero de un transformador delta-estrella no excederá la impedancia de secuencia positiva del transformador. Existen, sin embargo, condiciones bajo las cuales puede ocurrir una alta impedancia de secuencia positiva. Una de estas condiciones es un sistema de potencia alimentado por varios generadores y/o transformadores en paralelo. Si el neutro de solamente una fuente está aterrizado, es posible que la impedancia de secuencia cero de la fuente aterrizada exceda a la impedancia efectiva de secuencia positiva de las varias fuentes en paralelo. Otra condición como la anterior, puede ocurrir donde la potencia sea distribuida a localidades remotas por una línea aérea sin una vía metálica de retorno aterrizada. En este caso, la vía de retorno para corriente de falla a tierra es a través del suelo, y, aún y cuando el neutro de la fuente y las partes no conductoras en la carga puedan estar aterrizadas con electrodos bien hechos, la vía de retorno a tierra incluye la impedancia de ambos electrodos aterrizados. Esta impedancia puede ser significativa. Otra fuente significativa de impedancia de secuencia cero es el enorme espacio línea a tierra de la línea aérea. Para asegurar los beneficios de una tierra sólida, es necesario determinar el grado de aterrizamiento suministrado en el sistema. Una buena guía para la contestación de esta pregunta es la magnitud de la corriente de falla a tierra comparada con la corriente de falla trifásica del sistema.

Mientras más alta sea la corriente de falla a tierra en relación a la corriente de falla trifásica mayor será el grado de aterrizamiento en el sistema. Sistemas aterrizados con efectividad tendrán una corriente de corto circuito línea a tierra de al menos 60% del valor de la corriente de corto circuito trifásica. En términos de resistencia y reactancia, el aterrizamiento efectivo de un sistema es realizado únicamente cuando R0<X1 y X0<3X1 y dichas relaciones existen en cualquier punto en el sistema. El componente X1 utilizado en la relación anterior es la reactancia equivalente de secuencia positiva de Thevenin del sistema completo incluyendo la reactancia subtransitoria de todas las máquinas rotatorias. La aplicación de supresores de pico para servicio de neutro aterrizado requiere que el sistema este aterrizado con efectividad. Obtención del Neutro del Sistema. La mejor manera de obtener el neutro del sistema para propósitos de aterrizamiento en sistemas trifásicos es utilizar transformadores de alimentación o generadores con devanados conectados en estrella. Dichos transformadores están disponibles para prácticamente todos los voltajes excepto 240 V. En sistemas nuevos, los transformadores conectados en estrella 208Y/120 V o 480Y/277 V pueden ser utilizados para mayores ventajas en lugar de 240 V. Transformadores de alimentación conectados en estrella para sistemas de 2400, 4160, y 13800 V están disponibles como una opción estándar, mientras que para 4800 y 6900 tienen que ser cotizados a un precio especial. La alternativa es aplicar transformadores de aterrizamiento. Cuando no hay neutro en el sistema, cuando sistemas existentes conectados en delta requieren ser aterrizados, los transformadores de aterrizamiento pueden ser utilizados para obtener el neutro. La impedancia del transformador hacia voltajes trifásicos balanceados es tan alta que cuando no hay falla en el sistema, únicamente una pequeña corriente de magnetización fluye en el devanado del transformador. Sin embargo, la impedancia del transformador hacia voltajes de secuencia cero es baja, de manera que permite el flujo de altas corrientes de falla a tierra.

Localización de Puntos de Aterrizamiento del Sistema

Selección. Cada sistema está definido por "su aislamiento de sistemas de tierra adyacentes. El aislamiento es proporcionado por los devanados primario y secundario de cada transformador." El nuevo sistema creado por cada transformador o generador requiere el establecimiento de un nuevo sistema de tierra. La selección de un punto de aterrizamiento del sistema está influenciada por el hecho de si los devanados del transformador o generador están conectados en estrella o en delta. Los transformadores delta-estrella o estrella-delta bloquean efectivamente el flujo de corriente de secuencia cero entre sistemas. A pesar de que la conexión estrella es generalmente más conductiva a sistemas de aterrizamiento debido a la disponibilidad de una conexión del neutro, ese sólo hecho no debe ser el único criterio para la localización del punto de aterrizamiento del sistema. El punto de aterrizamiento del sistema siempre debe estar en la fuente de alimentación. Un concepto arcaico de aterrizar en las cargas o en otros puntos del sistema por la disponibilidad de un punto de aterrizamiento conveniente no es recomendado debido a los problemas causados por múltiples vías de tierra y por el peligro de que el sistema pueda quedar no-aterrizado y por lo tanto inseguro. El NEC reconoce este peligro y prohíbe el aterrizamiento de un sistema en cualquier lugar excepto en la alimentación y/o equipo de servicio. Una sola Fuente de Alimentación Cuando un sistema tiene solamente una fuente de alimentación (generador o transformador), el aterrizamiento puede llevarse a cabo conectando el neutro de la fuente a tierra ya sea directamente o a través de una impedancia neutra. El proveer un interruptor para abrir el circuito neutro no es recomendado. No es deseable operar el sistema no-aterrizado al tener la conexión a tierra abierta mientras el transformador o generador está en servicio. En el caso de que se requiera desconectar la conexión a tierra por algún medio para propósitos de medición, prueba, o reparación, un enlace de desconexión debe ser usado y abierto únicamente cuando el sistema este desenergizado.

Fuentes de Alimentación Múltiple Para instalación con múltiples fuentes de alimentación (generadores o transformadores de potencia) interconectadas que están o pueden ser conectadas en paralelo, la tierra del sistema puede realizarse en una de dos maneras: (1) Cada fuente aterrizada, con o sin impedancia. (2) Cada neutro de las fuentes conectado a un bus neutro común, el cual es aterrizado con o sin impedancia. Para sistemas sólidamente aterrizados con múltiples fuentes donde todas ellas tienen que estar sólidamente aterrizadas, es siempre aceptable aterrizar separadamente cada fuente de alimentación. Para sistemas aterrizados por impedancia es siempre aceptable el conectar separadamente cada neutro a tierra a través de impedancias individuales. Localizaciones de Aterrizamiento especificadas por el NEC Las siguientes son localizaciones del sistema de conexiones a tierra que son requeridas o permitidas para el aterrizamiento de sistemas de potencia más comunes por el NEC. Esto no pretende ser una lista completa de los requerimientos del código, y la edición actual del NEC debe ser consultada para detalles o cambios recientes así como para determinar si el aterrizamiento es requerido o prohibido. El propósito es llamar la atención sobre los requerimientos de localización pero no interpretarlos. En sistemas de 50 a 1,000 V, la tierra del sistema, cuando se requiera, debe hacerse en la acometida, entre el extremo de la carga del conductor de acometida exterior (tablero de medición), aérea o subterránea, y el punto donde llega el neutro al tablero de desconexión de la acometida (barra de neutro)

Aterrizamiento de Equipos

Objetivos Básicos. El término aterrizamiento de equipo se refiere a la interconexión y aterrizamiento de los elementos metálicos no eléctricos de un sistema. Ejemplos de componentes del sistema de aterrizamiento de equipo son tubería metálica conduit, carcasas de motor, cubiertas metálicas de equipos y un conductor de tierra. Note que un conductor de tierra es una parte del sistema de aterrizamiento de equipo, como distinción de un conductor aterrizado, el cual es parte del sistema de distribución de energía. Los objetivos básicos de un sistema de aterrizamiento de equipo son los siguientes: (1) Reducir el peligro de una descarga eléctrica al personal. (2) Proveer una adecuada capacidad de conducción de corriente, tanto en magnitud como en duración, para aceptar la corriente de falla a tierra permitida por el sistema de protección de sobre corriente sin crear un peligro de incendio o explosión al inmueble o su contenido. (3) Proveer una vía de retorno de baja impedancia para la corriente de falla a tierra necesaria para la operación a tiempo del sistema de protección de sobre corriente. Exposición a Descarga Eléctrica. Las heridas por descarga eléctrica resultan del contacto con componentes metálicos que están no intencionalmente energizados. Las prácticas efectivas de aterrizamiento de equipo pueden minimizar estas heridas personales. La ruptura de un aislamiento puede causar un contacto accidental entre un conductor eléctrico energizado y la cubierta metálica que lo encierra. Dicho contacto tiende a energizar la cubierta al nivel de voltaje del conductor. Evitar el peligro de descarga de este voltaje requiere el nulificar esta tendencia. El sistema de aterrizamiento de equipo debe lograr esto al formar una vía de baja impedancia a tierra. La impedancia del conductor de tierra debe ser lo suficientemente baja para aceptar la corriente de falla de línea a tierra sin crear una caída de voltaje (IZ) peligrosa por su impedancia. La corriente de falla a tierra del sistema de alimentación tendrá una influencia directa sobre los requerimientos del conductor de tierra del equipo.

Capacidad Térmica. El conductor de tierra debe también funcionar para conducir la corriente de falla a tierra (magnitud y duración) sin un excesivo incremento de temperatura o arqueo. El uso de un conductor de tierra de mayor calibre no es suficiente. Todas las partes del circuito de falla, incluyendo las terminaciones y otras partes, deben ser capaces de soportar la corriente de falla sin esfuerzo. La instalación debe proveer también una vía de retorno de falla de más baja impedancia que cualquier otra vía paralela posible que pueda tener una inadecuada capacidad de conducción de corriente. Reportes de grandes pérdidas por incendio indican que aproximadamente uno de cada cuatro incendios en fábricas se originan en los sistemas eléctricos. El diseño efectivo, instalación y mantenimiento de los sistemas de tierra de equipos es un elemento vital en la reducción de peligro de incendio. Las juntas y conectores son componentes críticos de la vía de retorno de falla. Una buena mano de obra es esencial para lograr un sistema seguro y debe ser exigida. La supervisión de la instalación, inspección, y adecuado mantenimiento, deben asegurar el buen funcionamiento del sistema de tierra. Operación de Protección de Sobre corriente. El sistema de tierra de equipos es una parte esencial del sistema de protección de sobre corriente. El sistema de protección de sobre corriente requiere de una vía de retorno de tierra de baja impedancia para poder operar pronta y adecuadamente. El sistema de tierra al suelo es raramente de suficiente baja impedancia y no es su intención el proveer una vía adecuada de retorno. La impedancia del conductor de tierra debe ser lo suficientemente baja como para que la suficiente corriente de falla a tierra fluya para operar el dispositivo de protección de sobre corriente y eliminar la falla rápidamente. En aplicaciones de CA (Corriente Alterna), es la impedancia total (R+jX) la que controla la división de corriente entre vías paralelas. En circuitos de 60 Hz de 40 A. o menos, la reactancia del circuito (jX) es una parte insignificante de la impedancia. Debido a que la reactancia se incrementa significativamente con la separación del conductor, ésta es el elemento principal de la impedancia para sistemas de cable y charola abierto para circuitos abajo de 200 A. Para sistemas de cable o conductores en conduit con mucha proximidad, la reactancia es un componente significativo de la impedancia para circuitos arriba de 200 A. La reactancia de un circuito de CA es determinada principalmente por el espacio entre los conductores de ida y vuelta (salida y entrada) y es afectada ligeramente por el tamaño del conductor. La resistencia del circuito es

Directamente afectada por el tamaño del conductor. Esto significa que la relación X/R y el efecto relativo de la reactancia en la impedancia del circuito se incrementan al incrementarse el tamaño del conductor. NOTA: El incremento de separación entre los conductores de tierra y fase incrementa no sólo la reactancia del conductor de tierra Xg sino también la reactancia de secuencia cero Xo de los conductores de las fases. En circuitos de 60 Hz de CA arriba de 40 A, es mandatario que el conductor a tierra instalado sea físicamente colocado para presentar una reactancia más baja que cualquier otra vía paralela.

Si usted desea seguir recibiendo nuestros boletines informativos, favor de contactarnos vía correo electrónico a [email protected] o registrándose en nuestra página de Internet www.atsgdl.com.mx