En un sistema de energía eléctrica, ya sea de transmisión, distribución o industrial, los defectos monopolares ocurren con más frecuencia que los defectos bifásicos que involucran o no a la tierra.

Cuando se produce un defecto monopolar, las fases no afectadas pueden sufrir altos niveles de sobretensión de fase a tierra, sometiendo los equipos, en particular los transformadores de potencia, a condiciones de operación severas.
El valor de la sobretensión es una función de la configuración del sistema y del tipo de conexión a tierra implementado y se debe al desplazamiento del neutro del sistema.

En este tipo de fallas mencionadas podemos encontrar dos tipos:

  • Transitorias
  • Permanentes

Para profundizar en este tipo de fenómenos que se presentan en las redes, iniciaremos explicando las fallas transitorias, las cuales ocurren en poco tiempo pero con una mayor duración.

“La falla transitoria es una falla en la que se pueden restaurar las condiciones de operación normales del sistema, es decir, se puede eliminar el defecto en algún componente del sistema que causó la falla”

Los ejemplos incluyen: una rama golpeando el cable de red o el choque de dos cables. Es importante señalar que una falla transitoria puede evolucionar hacia una falla permanente en el transformador de medida.

Una falla permanente es aquella donde el defecto permanece sin la posibilidad de que el sistema restaure la condición de operación normal, es decir, que el sistema afectado debe ser apagado, por lo cual se requiere desconectar la extensión o el equipo del resto del sistema para evitar daños adicionales debido a la presencia del defecto. En este caso, se produce un error debido a que el reconectador detecta el cortocircuito y evita que se vuelva a cerrar el mismo.

Luego de reconocer los diferentes tipos de fallas que pueden ocurrir en una red y en consecuencia a los transformadores de medida, podemos ver a profundidad los distintos tipos de sistemas de puestas a tierra y sus respectivas clases, de acuerdo a sus características.

Puesta a tierra para transformadores de medida

El sistema de conexión a tierra es muy importante, especialmente porque la mayoría de los cortocircuitos que ocurren en el sistema eléctrico son dirigidos a tierra, lo que tiene un efecto significativo en el sistema de protección de todos los equipos.

El método de tierra neutral tiene poca o ninguna influencia durante el funcionamiento normal del sistema eléctrico, pero tiene una importancia fundamental cuando se produce un cortocircuito.

Propósito de los sistemas de puesta a tierra para transformadores de medida:

  • Brindar seguridad a los seres vivos mediante el control de los potenciales y la conexión al circuito de conexión a tierra de todas las partes metálicas no energizadas.
  • Permitir que la tierra fluya, desde las corrientes resultantes de la ruptura del aislamiento, los cortocircuitos a tierra, las descargas atmosféricas, las maniobras y las sobretensiones temporales.
  • Permitir el perfecto funcionamiento del sistema de protección.

Clasificación de los sistemas de puesta a tierra:

El sistema de puesta a tierra se puede clasificar en cuatro tipos:

  • Sistema de puesta a tierra no aterrizado
  • Sistema aterrizado a través de alta impedancia.
  • Sistema de puesta a tierra por baja impedancia.
  • Sistema aterrizado.

Sistema de puesta a tierra no aterrizado:

El sistema de puesta a tierra no aterrizado es aquel sistema neutral, que no tiene conexión conductora con la tierra.

Sistema de puesta a tierra aterrizada a través de alta impedancia:

El sistema de alta impedancia consiste en la conexión del punto neutro del sistema a través de una resistencia establecida para limitar las fallas o corrientes de fuga.

En determinados casos, si la corriente de cortocircuito es de baja intensidad, se autoextingue sin causar interrupciones en el suministro, por lo que se reduce la posibilidad de causar daños a las instalaciones eléctricas; es necesario tener en cuenta que para magnitudes mayores de la corriente de cortocircuito, la probabilidad de auto extinción es menor debido a la alta tensión de restauración transitoria.

Clasificación de los sistemas de alta impedancia:

Los sistemas de alta impedancia se pueden clasificar en dos clases, la primera, la tierra resonante, la cual está conectada a un neutro, y la segunda, de alta resistencia, que se caracteriza por estar conectada a través de una resistencia de alto valor; a continuación explicaremos cada una en detalle:

Sistema de puesta a tierra resonante, en este sistema el neutro se conecta a tierra a través de un reactor variable de alta reactancia sintonizable, esto con el fin de alcanzar una capacidad eléctrica equivalente a la fase de la tierra del sistema, para éste tipo de sistemas, el reactor es llamado “bobina de Petersen” y es conocido como el reactor de supresión de arco; además la bobina generalmente está conectada al neutro del transformador de la subestación o a un transformador de tierra en zig-zag.

Nota: Los sistemas con este tipo de puestas a tierra se denominan sistemas de tierra compensada o resonante.

La característica principal de este método de conexión a tierra es el hecho de que el reactor sintonizado proporciona una corriente inductiva de magnitud igual a la corriente capacitiva del sistema, pero con un retraso de 180º, lo que hace que la corriente que fluye a través de la falla sea aproximadamente cero.

También se puede ver en la Figura 2 que en el caso de una falla a tierra, el triángulo de tensión no cambia, lo que sucede en este caso es un aumento de la tensión desde el punto neutro a un nivel de tensión de fase neutro, por lo que el potencial neutro no es más igual al potencial de tierra, como sucedió en el funcionamiento normal del sistema.

Figura 2 – Comportamiento del sistema en condiciones normales y faltantes en tierra resonante.

En el sistema de puesta de alta resistencia, la conexión a tierra se conecta a través de una resistencia de alto valor, que sea igual o ligeramente menor que la reactancia a la tierra capacitiva total del sistema. Este sistema se asemeja mucho al neutral aislado, con la diferencia de que hay una corriente que fluye a través de una resistencia de valor pequeño pero de magnitud mayor o igual a la del componente capacitivo de la corriente de falla.

Este criterio Rg≤Xc o Ir ≥ 3 *Ico debe obedecerse para que no se produzcan sobretensiones muy altas, así como arcos intermitentes, porque el componente resistivo modifica la fase de la corriente de falla, de modo que el momento en que la corriente pasa a través de cero no coincide con el momento de máxima tensión. La corriente de falla está limitada entre 1.0 y 25.0 A.

Este tipo de sistema limita las sobretensiones transitorias en valores seguros durante una falla a tierra, pero durante una falla, como se muestra en la Figura 3, el punto B, y las fases A y C, puede tener una sobretensión temporal de 1.732 *pu, dependiendo del valor de la resistencia utilizada.

diagrama puestas a tierra para transofrmadores de medida
Figura 3 – Resistencia a tierra de alto valor durante la falla de fase a tierra

Sistema de puesta a tierra por baja impedancia.

El sistema conectado a tierra a través de baja impedancia, es el sistema realizado por un reactor o una resistencia de baja impedancia, como se puede observar en la Figura 4, donde se limita la corriente de fase de cortocircuito entre 50 y 600 A en el primario.

Figura 4 – Puesta a tierra por resistencia

En este caso, al limitar la corriente de cortocircuito se reducen las demandas térmicas del equipo, lo que permite evitar altas sobretensiones que pueden dañar el aislamiento del sistema. Esto en otros aspectos es equivalente al sistema efectivamente conectado a tierra, con niveles de sobretensión de alrededor de 1.5 *pu

La figura 5 a continuación muestra una falla de fase a tierra en un sistema de baja impedancia:

diagrama puestas a tierra para transofrmadores de medida
Figura 5 – Falla en un sistema de fase-tierra por baja impedancia.

Sistema de puesta a tierra aterrizado.

El sistema con conexión a tierra es aquel que tiene todos los neutros del sistema eléctrico conectados directamente a tierra. La relación de la reactancia de secuencia cero a la reactancia de la secuencia positiva es menor o igual a tres (X0 / X1) ≤ 3 y la relación de resistencia de secuencia cero y reactancia de secuencia positiva es menor o igual a la unidad (R0 / X1) ≤ 1, para cualquier configuración del sistema, donde X0 y R0 son reactancia y resistencia de secuencia cero y X1 es la reactancia de secuencia positiva del sistema.

diagrama puestas a tierra para transofrmadores de medida
 Figura 6 – No hay cambio de tensión para la falla de fase a tierra del sistema con conexión a tierra

En este sistema, la corriente de cortocircuito puede alcanzar valores altos, lo que hace fundamental la rápida reacción a tierra de la parte afectada del sistema eléctrico.

Este tipo de conexión a tierra no permite el desplazamiento del neutro durante un cortocircuito de fase a tierra, como se muestra en la figura 6, lo que reduce el riesgo de sobretensiones de fase, por lo que el equipo conectado entre la fase y el neutro no requiere altos niveles de aislamiento como en el sistema.

Nota: El uso de los transformadores de medida con conexiones a tierra indebidos, pueden generar daños y pérdidas de garantía, por eso lo invitamos a tener en cuenta la información suministrada para tener en cuenta de acuerdo a los equipos y tensiones empleados.

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