Tema 1. Sistemas eléctricos y los SPAT

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PROGRAMA DE CAPACITACIÓN-PDVSACURSO: SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

ROBERTO VELTRIPROFESOR: IUT-CUMANÁ. CORREO: [email protected]

SISTEMAS ELÉCTRICO Y SU RELACIÓN CON LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

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Existen numerosos equipos que componen los sistemas eléctricos de potencia.

La mayoría de estos equipos deben ser aterrados, tanto el chasis como en los neutros.

Los equipos como: transformadores, capacitores y líneas son aterradas en sus neutros y el chasis.

Otros equipos como dispositivos de maniobra y aislamiento y fusibles, no son aterrados.

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Sin un adecuado sistema de puesta a tierra, las instalaciones eléctricas pudieran resultar peligrosas para la vida de las personas comunes y mucho más para las trabajadores del sector eléctrico.

Adicionalmente muchos dispositivos sensibles necesitan de un adecuado sistema de puesta a tierra para no deteriorarse.

El propio sistema no es capaz de operar efectivamente durante averías si un sistema de puesta a tierra.

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Una de las funciones de los sistemas de puesta a tierra es asegurar que la corriente de falla a tierra sea detectada y por tanto, debe ser alta. Así como asegurar que los voltajes de referencia se mantengan dentro de las normas.

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COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS SISTEMAS DE POTENCIA:

TRANSFORMADOR DE POTENCIA:

Los transformadores de potencia tienen como función, disminuir el voltaje eléctrico a los niveles permitidos por el usuario.

Existen numerosos tipos y conexiones, pero los de enfriamiento forzado son los más comunes en las subestaciones eléctricas.

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TRANSFORMADOR DE POTENCIA:

Transformador trifásico en una subestación

Banco de transformadores en redes de distribución

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Se clasifican en:

Transformadores de Baja Potencia:Estos son fundamentalmente los transformadores de distribución, iluminación en plantas industriales, y en fin, los que tengan menor potencia.

Transformadores de Media Potencia:Estos son fundamentalmente los transformadores de subestaciones de distribución, de plantas industriales y aquellos donde la potencia no supere los 10 MVA.

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Se clasifican en:

Transformadores de Gran Potencia:Estos son fundamentalmente los transformadores empleados en grandes subestaciones eléctricas, en plantas generadoras de gran potencia, así como en las plantas industriales de altos consumos eléctricos. Las potencias pueden llegar hasta superar los 10 MVA.

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En dependencia de su ubicación, usan algún dieléctrico para su aislamiento y enfriamiento tales como:

Transformadores Sumergidos en Aceite:Son los más empleados en las redes eléctricas actuales y tienen sus devanados totalmente sumergidos en un tanque lleno de aceite. Este aceite dieléctrico, además de un aislante, es un medio refrigerante para el calor que se produce en los devanados y en el núcleo.

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En dependencia de su ubicación, usan algún dieléctrico para su aislamiento y enfriamiento tales como:

Transformadores Secos:Estos se emplean mayormente en instalaciones o subestaciones bajo tierra. El devanado que rodea al núcleo está al aire y muy bien cubierto de materiales dieléctricos sólidos, tales como papel aislantes, celulosa, mica, entre otros.

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Transformador secoTransformador

sumergido en aceite

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En dependencia de las fases, se clasifican en:

Transformadores Monofásicos:Estos transformadores funcionan con una sola fase del circuito y son evidentemente más pequeños que los trifásicos.

Se puede hacer la misma función de un transformador trifásico mediante conexiones eléctricas con un banco de tres transformadores monofásicos. Existen muchas conexiones posibles.

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La ventaja radica en que magnéticamente no están unidos y los flujos magnéticos dependen solo de las corrientes en las fases. Los flujos magnéticos producidos por las corrientes de unas fases no afectan a los flujos producidos por las otras fases.

Transformadores Trifásicos:Estos transforman tres fases del circuito en una sola unidad. Estos son los más comunes dentro de los transformadores de potencia en las subestaciones eléctricas.

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Existen muchas conexiones posibles en los transformadores de potencia, pero son más conocidos los:

Transformadores Estrella-Estrella:Estas conexiones son ampliamente empleadas en las subestaciones de distribución. Las tensiones en las fases del primario y del secundario no tienen desfase teórico. El desfase es solo provocado por la propia circulación de las corrientes debidas a los fenómenos de magnetización del núcleo.

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Transformadores Estrella-Delta:Esta conexión es igualmente muy común en las subestaciones de generación o de distribución. Existe un desfase de 30 grados entre las tensiones y corrientes en el devanado primario y secundario.

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Transformadores Estrella-Estrella Aterrada en Ambos Devanados:Se emplean en las subestaciones de distribución. Pero si la conexión en el primario es estrella aterrada, las tensiones y corrientes en el primario serán iguales en fase que sus duales en el secundario.

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Conexiones Delta – Estrella: Se pueden emplear impedancias de limitación de fallas a tierra en la conexión en estrella aterrada o aterrar el neutro sólidamente. Se puede emplear una resistencia o una impedancia.

Esto permite disminuir la magnitud de la falla monofásica en las cercanías del transformador.

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Están compuestas por:

-. Postes.

-. Tensores.

-. Cables.

-. Aisladores.

-. Interruptores y seccionadores.

-. Pararrayos.

REDES AÉREAS DE DISTRIBUCIÓN:

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Las torres de acero se emplean en la transmisión y subtransmisión de alta tensión, iguales o superiores 115 kV.

Los postes de concreto se emplean ampliamente en la distribución, iguales o superiores a 13,8 kV.

Los postes de madera ya se han ido eliminando, pero poseen excelentes propiedades aislantes y se emplean en la distribución.

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Igualmente los postes deben soportar:-. Aisladores -. Conductores-. Pararrayos.-. Cortacorrientes.-. Los herrajes.-. Otros dispositivos.

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Un dispositivo de gran importancia que poseen las redes de distribución aéreas son los descargadores a tierra o pararrayos.

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Tiene como misión derivar a tierra la sobretensión producida por la descarga atmosférica, directa o indirecta.

Estos pueden estar en el primario de los transformadores, en la entrada de un red subterránea o en cualquier parte de la red aérea.

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NEUTRO EN LOS SISTEMA DE POTENCIA:

Los sistemas eléctricos de potencia se encuentran en forma de circuitos trifásicos y monofásicos. Aunque existen varios tipos de conexiones, la conexión en delta es la más común en los sistemas distribución de alta tensión, sin embargo en baja tensión se usa la conexión en estrella, donde sale el neutro. En ocasiones es el neutro es aterrado.

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NEUTRO EN LOS SISTEMA DE POTENCIA:

Existen varios tipos de sistemas:

-. Sistemas no aterrados.

-. Sistemas aterrados.

-. Sólidamente aterrados.

-. Efectivamente aterrados.

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SISTEMAS NO ATERRADOS:Es un sistema donde ninguna de las fases o puntos neutrales, es conectado a tierra. Algunos sistemas industriales utilizan la conexión en delta para evitar que las averías monofásicas a tierra, que son las más comunes, no provoquen una desconexión.

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SISTEMAS ATERRADOS:Es un sistema, donde al menos un conductor es intencionalmente conectado a tierra, ya sea directamente o a través de una impedancia de aterramiento. Típicamente es un cable intermedio o un punto neutro en un transformador o generador.

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SISTEMAS ATERRADOS:En este sentido existen diferentes clasificaciones:

Sistemas Sólidamente Aterrados.

Sistemas Efectivamente Aterrados.-. Sistemas Efectivamente Aterrados con

Resistencias.-. Sistemas Efectivamente Aterrados con

Inductancias.

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SISTEMAS SÓLIDAMENTE ATERRADOS:Son sistemas con un punto medio o neutro directamente aterrados, de tal forma que ninguna impedancia es conectada entre el punto medio o neutro. y la tierra.

Fuente: Electric Power Distribution Handbook,

2004.

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SISTEMAS SÓLIDAMENTE ATERRADOS:Casi en todas las instalaciones de baja tensión, excluyendo instalaciones muy específicas como en los hospitales, se emplea la conexión del neutro directamente conectado a tierra.

En estos sistemas el neutro se aterra, pero existen dos formas concretas, donde el neutro viaja a lo largo de la línea como un cable más o se queda aterrado en la subestación.

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Sistemas de 4 hilos multiaterrados:El cable neutro se extiende por toda la red y es aterrado en varios puntos de las misma. Las tensiones de fase a tierra se mantienen controlados. Es mucho más costoso y los neutros tienden a destruirse.

Sistemas de 3 cables:El cable neutro se queda en el transformador. Las tensiones de fase a tierra pueden crecer. Es mucho menos costoso.

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Este tipo de sistema es común en los niveles de 13,8 kV en los países que siguen la norma Americana.

En este sistema el neutro viaja como un cable adicional y es aterrado en varios puntos a lo largo del sistema.

Con una separación máximo entre 1,6 km.

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Se usan en sistemas de media tensión primaria, 33 kV y otros.

El neutro se aterra en la subestación y se queda allí.

Los voltajes de fase a tierra pueden elevarse, cerca de los de líneas, en fallas.

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SISTEMAS EFECTIVAMENTE ATERRADOS:Es uno de los sistemas conocido como sistema aterrado.

Es un sistema que es aterrado con una impedancia de relativo pequeño valor. Se colocan las impedancias buscando reducir el nivel máximo de las corrientes de cortocircuitos monofásicos a tierra.

Cuando en la impedancia de aterramiento se cumpla que X0/X1 sea menor que 3 y que R0/X1 sea menor que 1. entonces este sistema es considerado un sistema efectivamente aterrizado.

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SISTEMAS EFECTIVAMENTE ATERRADOS:Estos esquemas son mucho más comunes en la distribución urbana y rural que en los sistemas con neutros asilados, donde las impedancias de aterramiento tienen un valor más elevado.

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EJEMPLO: 2 2213,8

0,2381800

kkVZ

MVAcc

V

MVA

1 1(17) 86,6X

tg tgR

*cos( ) 0,2381*0,0593 0,0141R Z

* ( ) 0,2381*0,998 0,2376X Z sen

2 2

13,80,1 3,81

100 5NCC

T

VVX

MVA

1 0,2376 3,81 4,048TX X X

0 3,81TX X

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EJEMPLO:Como se esta colocando una impedancia de aterramiento por el neutro, la relación X0/X1 cambia a:

Igual para R0/X1.

0 1 0

1

3 33

3

Xn X X XXn

X

3 4,048 3,812,778

3Xn

1

1

31

3

XRnRn

X

4,0481,35

3Rn

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EJEMPLO:Para la corriente máxima de cortocircuito trifásica, se tiene:

Para la corriente máxima de cortocircuito bifásica a tierra, se tiene:

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138003 1968,24

4,048fVIccX j

A

20

1380033 3 2007,582 2 4,048 3,81

fVIccXn X j

A

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EJEMPLO:Para la corriente máxima de cortocircuito monofásica a tierra, a través de Rn, se tiene:

Para la corriente máxima de cortocircuito monofásica a tierra, a través de Xn, se tiene:

11 0

1380033 3 1498,012 3 2 4,048 3,81 4,05

fVIccX X

ARn

11 0

1380033 3 1180,942 3 2 4,048 3,81 8,334

f AV

IccX X Xn

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SISTEMAS EFECTIVAMENTE ATERRADOS, MEDIANTE RESISTENCIA:Es un sistema efectivamente aterrado, pero utilizando una impedancia que es mayormente resistiva. Este esquema de conexión del neutro es típico en las instalaciones industriales de media tensión. Se emplea para disminuir la magnitud de las corrientes de cortocircuitos de fase a tierra.

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SISTEMAS EFECTIVAMENTE ATERRADOS, MEDIANTE RESISTENCIA:

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SISTEMAS EFECTIVAMENTE ATERRADOS, MEDIANTE REACTANCIAS:Es un sistema aterrado, pero mediante una impedancia mayormente inductiva. Según el valor de la impedancia del sistema de aterramiento el sistema puede ser considerado efectivamente aterrado o no aterrado. Este tipo de esquema se aplica más en instalaciones europeas donde las impedancias son de gran valor.

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SISTEMAS EFECTIVAMENTE ATERRADOS, MEDIANTE REACTANCIAS:

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FALLAS Y SU CIRCULACIÓN POR TIERRA:Existen numerosos tipos de fallas. Algunas de ellas no involucran la tierra, las más frecuentes que involucran la tierra, son las de una fase a tierra. En este tipo de fallas, la tierra o el sistema de tierra permite la circulación de la corriente a tierra y por tanto, debe tener capacidad para soportarla.

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FALLAS Y SU CIRCULACIÓN POR TIERRA:En el sistema multiaterrado de 4 hilos, cuando ocurre una falla del tipo monofásico a tierra, una corriente circulará desde la fase fallada y retornará por tierra, hasta el punto de conexión del neutro a tierra más cercano y regresará al transformador por el neutro.

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FALLAS Y SU CIRCULACIÓN POR TIERRA:Este neutro debe tener la capacidad para soportar estas corrientes de cortocircuitos e incluso las corrientes de descargas atmosféricas también pueden subir por el neutro.

El neutro tiene muy baja impedancia, por lo que en estos sistemas la falla a tierra tiene alta magnitud y las protecciones la pueden disparar con facilidad.

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FALLAS Y SU CIRCULACIÓN POR TIERRA:En los sistemas de 3 hilos cuando ocurre una falla entre fase y tierra, una corriente circula entre la fase fallada y regresa al transformador por toda la tierra.

Cuando la tierra no tiene baja resistencia, la corriente puede tener muy baja magnitud y las protecciones no alcanzarán a detectarlas. Esta situación puede ser peligrosa, porque la avería permanecerá activa por mucho tiempo y pudiera resultar peligrosa para las personas.

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FALLAS Y SU CIRCULACIÓN POR TIERRA:

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FALLAS Y SU CIRCULACIÓN POR TIERRA:En un circuito secundario si la conexión del neutro a tierra en el medidor de una cometida o un consumidor determinado está defectuoso, una falla monofásica a tierra, tiende a viajar por la tierra hasta encontrar un punto de conexión del neutro a tierra en otra acometida y retornará al transformador mediante este.

Es decir, las fallas en un consumidor podrán afectar el funcionamiento de otro si su conexión del neutro a tierra está defectuosa.

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FALLAS Y SU CIRCULACIÓN POR TIERRA:

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PUESTA A TIERRA PARA MANTENIMIENTO:La conexión de fase a tierra durante un régimen normal representa un cortocircuito con elevadas corrientes. Pero cuando se quiere dar mantenimiento en las redes, es imprescindible conectar a tierra las redes eléctricas como medida de protección.

El obrero debe conectar las fases a tierra mediante conductores eléctricos cuando vaya a dar mantenimiento.

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PUESTA A TIERRA PARA MANTENIMIENTO:

Si por accidente el circuito es energizado, la tensión no llegará al obrero porque se creará un cortocircuito y las protecciones dispararán.

También protegerá al trabajador de voltajes inducidos.

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PUESTA A TIERRA PARA MANTENIMIENTO:Es importante que la conexión con el poste donde está subido el obrero, está localizado debajo del mismo.

En sistemas multiaterrados el conductor se conecta con el neutro.

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SECCIONADORES DE PUESTA A TIERRA: Cuando se va a trabajar una línea eléctrica, se abren los interruptores y seccionadores de ambos extremos, además, cerrar los de puesta a tierra.Si la distancia del trabajo es muy alejado del punto donde están los obreros, ellos tendrán que adicionalmente instalar sus derivadores de tierra.

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MEDIDAS DE SEGURIDAD: Aunque la cuadrilla o el obrero, hayan tomado he instalado todos los medios de puesta a tierra de seguridad, se recomienda que el operario de mantenimiento utilice todos los medios de protección tales como guantes y gafas de protección.

Igualmente estos dispositivos de puesta a tierra, así como los medios de protecciones que empleen los obreros, deben ser revisados minuciosamente y limpiados cuidadosamente.

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