Algunos sistemas eléctricos industriales han sido diseñados sin una
referencia a tierra en baja tensión. Lo anterior representa desde el punto de vista de protecciones
eléctricas un desafío para la operación de los dispositivos de sobrecorriente,
pues un mal diseño conlleva a un bajo o nulo nivel de corriente de falla ante
una contingencia monofásica y puede representar la no operación de las
protecciones eléctricas y el sostenimiento de la falla hasta que ésta sea
eliminada por el operador del sistema.
Con el fin de resolver este inconveniente, en este blog se presenta una
metodología para calcular un transformador de puesta a tierra, el cual para el
caso de fallas monofásicas garantizará la circulación de un determinado valor
de corriente y la operación de las protecciones convencionales. Posteriormente se
realiza una simulación en un software de análisis de sistemas de potencia con el fin de validar los resultados.
2. SISTEMA ELÉCTRICO BAJO ESTUDIO
La Figura 1 presenta el diagrama unifilar del sistema
eléctrico a analizar. Este sistema en particular se interconecta con la red
externa a través de un transformador de potencia con grupo de conexión estrella ‑ delta
y posee un generador en 13.2kV con puesta a tierra de alta impedancia, la cual
limita la corriente de falla monofásica a sólo 10 amperios.
Figura 1. Sistema Eléctrico bajo Estudio – Falla Monofásica en la Barra de 13.2kV
Para corregir éste inconveniente, un transformador zig-zag de puesta a tierra adecuadamente dimensionado puede aportar
un valor determinado de corriente a la falla, y de esta forma permitir que las
protecciones de sobrecorriente convencionales la registren y la despejen cuando
ésta se presente. A continuación se muestra el procedimiento de cálculo para
el dimensionamiento del transformador de puesta a tierra y los resultados
obtenidos.
3. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Y RESULTADOS
Para el cálculo del transformador zig-zag
de puesta a tierra, inicialmente se debe seleccionar la corriente deseada de
aporte a la falla con el fin de garantizar la operación correcta de las
protecciones. Para el presente
ejemplo, se seleccionó un valor de aporte de corriente a la falla de
400 amperios.
Para el cálculo se empleó la norma ANSI/IEEE Std 32‑1972 [1] ratificada
en 1990 y denominada “IEEE Standard Requirements, Terminology, and Test
Procedure for Neutral Grounding Devices” [1].
Cálculo del Transformador de Puesta a Tierra
En el transformador zig-zag
de puesta a tierra, ante una falla monofásica van a circular 400 amperios
por el neutro y por cada fase la corriente será aproximadamente de 135 amperios.
Cálculo de la potencia en falla:
Para determinar la potencia continua del transformador zig-zag de puesta a tierra, se pueden
considerar los tiempos dados en la siguiente tabla, la cual fue tomada de la
norma ANSI/IEEE Std 32‑1972 [1]. Para este ejemplo en
particular, se desea considerar un tiempo máximo de un (1) minuto para la
duración de la circulación de corriente de falla a través del transformador de
puesta a tierra; para este tiempo se tiene un factor del 7% entre la potencia
en falla y la potencia nominal continua.
Tabla I. Factor de Potencia en Falla contra
Potencia Continua [1]
Cálculo de la potencia continua:
La potencia continua del transformador zig-zag se aproxima a 250kVA por ser un valor más comercial.
De forma iterativa y por medio de simulaciones de cortocircuito en el
software de análisis de sistemas de potencia,
se logró determinar la impedancia de secuencia cero del transformador de puesta
a tierra, la cual corresponde a aproximadamente Zcc = 8%. Otra forma
de determinar el valor de la impedancia de secuencia cero es a través de la
siguiente expresión:
De los resultados obtenidos en las simulaciones de cortocircuito
monofásico,
se observa que inicialmente la corriente de cortocircuito era de 10 amperios
(ver figura 1), es decir, sin considerar el transformador de puesta a tierra y
que luego del cálculo del transformador zig-zag,
se logra inyectar un aporte de corriente de aproximadamente 400 amperios.
Las características básicas del dimensionamiento del transformador zig-zag de puesta a tierra son las
siguientes:
§
Potencia = 250 kVA
§
13.2kV ZZ
§
Zcc = 8%
El transformador de puesta a tierra garantiza un aporte ante falla
monofásica en la barra de 13.2kV de aproximadamente 400 amperios como se
presenta en la Figura 2, valor que permite la operación normal de las
protecciones convencionales.
Figura 2. Sistema Eléctrico bajo Estudio – Falla Monofásica en la Barra de 13.2kV con
Transformador zig-zag
4. REFERENCIAS
[1] ANSI/IEEE Std 32‑1972/1990. “IEEE Standard
Requirements, Terminology, and Test Procedure for Neutral Grounding Devices”. 1990.
Ing. Ricardo Artunduaga Gómez. Especialista en Sistemas de Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica. Cali, Colombia
