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El método de puesta a tierra del neutro determina la magnitud de la corriente de falta, los requisitos de coordinación del relé y el comportamiento de la sobretensión transitoria en todo el sistema de protección de media tensión. Los tres enfoques dominantes (puesta a tierra sólida, resistencia de puesta a tierra del neutro (NGR) y bobina de Petersen) crean desafíos de protección y especificaciones de equipos fundamentalmente diferentes.
Esta comparación examina cómo afecta cada método de puesta a tierra a los recorridos de la corriente de defecto a tierra, qué cambios se producen en los ajustes de los relés y los valores nominales de los interruptores, y qué aplicaciones favorecen cada enfoque.
El punto neutro de los sistemas trifásicos, normalmente el punto estrella de los transformadores, puede conectarse a tierra a través de varias vías de impedancia. Esta conexión única rige lo que ocurre durante las faltas de línea a tierra (SLG), que representan el 70-80% de todas las faltas de los sistemas de distribución.
Cuando se produce una falta de fase a tierra, la corriente fluye desde la fase en falta a través de la impedancia de falta a tierra, volviendo a través de la conexión neutra a tierra. La impedancia de puesta a tierra limita directamente la magnitud de la corriente de falta.
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La magnitud de la corriente de defecto If depende de la tensión del sistema y de la impedancia total en la trayectoria de la falta. Para una falta atornillada en un sistema de 10 kV con una resistencia de puesta a tierra del neutro (NGR) de 400 A, la corriente de falta a tierra suele limitarse a 200-400 A, en comparación con los 8.000-15.000 A de los sistemas sólidamente puestos a tierra de MVA equivalentes[HTML-BLOCK-END].
Tres parámetros caracterizan cualquier sistema de puesta a tierra: magnitud de la corriente de defecto, relación de sobretensión transitoria y sensibilidad de detección de defectos a tierra. Estos parámetros se compensan entre sí: la reducción de la corriente de defecto aumenta intrínsecamente el riesgo de sobretensión y complica la detección de defectos.
Según la norma IEC 60364-4-44, el factor de sobretensión durante las faltas a tierra alcanza 1,73× tensión de línea a neutro en sistemas sólidamente conectados a tierra, pero puede superar 2,5× en configuraciones con puesta a tierra resonante durante faltas de arco.
En los sistemas sólidamente conectados a tierra, el neutro del transformador se conecta directamente al electrodo de tierra sin impedancia intencionada. Esto crea una vía de corriente de falta de baja impedancia, que suele producir corrientes de falta a tierra de 5.000-20.000 A en función de la impedancia de la fuente y la ubicación de la falta.
Características de la corriente de defecto
Las puestas a tierra sólidas permiten el máximo flujo de corriente de falta, a menudo comparable o superior a los niveles de falta trifásica. En un sistema de 13,8 kV con 500 MVA de servicio de falta disponible, las faltas SLG producen habitualmente entre 8.000 y 15.000 A. Esta elevada magnitud garantiza un funcionamiento fiable de los relés de sobreintensidad estándar sin problemas de sensibilidad.
La avería se despeja en 3-6 ciclos cuando funcionan elementos instantáneos. El despeje rápido limita los daños en los equipos, pero genera un grave riesgo de arco eléctrico en el punto de fallo.
Requisitos del régimen de protección
Se aplica la coordinación estándar de tiempo sobre corriente. Los relés de falta a tierra (50G/51G) ajustados a 10-40% de captación de fase funcionan de forma fiable con relaciones de TC convencionales. Los estudios de coordinación siguen la metodología conocida de curva tiempo-corriente.
Ventajas:
Limitaciones:
Los alimentadores de distribución de 4,16-34,5 kV utilizan predominantemente puestas a tierra sólidas en las que la eliminación rápida de averías tiene prioridad sobre la continuidad.
[Visión experta: Observaciones sobre el terreno acerca de la conexión a tierra firme].
- En nuestras evaluaciones de más de 40 subestaciones industriales de 6-35 kV, los sistemas con puesta a tierra sólida mostraron sistemáticamente la eliminación de averías más rápida, pero los costes de reparación más elevados en los puntos de avería.
- La magnitud de la corriente de defecto a tierra a menudo superaba los 120% de la corriente de defecto trifásica en los puntos de alimentación remotos debido a la distribución de impedancia de secuencia cero.
- Los cálculos de energía incidente de arco eléctrico según IEEE 1584 suelen arrojar 8-25 cal/cm² a la distancia de trabajo en sistemas de 13,8 kV sólidamente conectados a tierra.
Los sistemas NGR insertan una resistencia calibrada entre el neutro y la tierra. Esta resistencia limita la corriente de defecto a niveles predeterminados manteniendo una magnitud suficiente para el funcionamiento del relé de protección.
Puesta a tierra de baja resistencia frente a alta resistencia
Conexión a tierra de baja resistencia (LRG) limita la corriente de falta a 100-1.000 A, normalmente 200-400 A. Los relés de sobreintensidad estándar funcionan de forma fiable, pero la eliminación de la falta debe producirse antes de 10 segundos para evitar daños térmicos en la resistencia. El LRG se adapta a los sistemas industriales que requieren una eliminación definitiva de los fallos con un riesgo reducido de relámpago de arco.
Conexión a tierra de alta resistencia (HRG) limita la corriente de fallo a 1-10 A, dimensionada para superar la corriente de carga capacitiva del sistema en un factor de 1-2×. Esta corriente mínima no puede hacer funcionar los elementos de sobreintensidad estándar. Los sistemas HRG utilizan relés de tensión de secuencia cero (59N) o detección de fallo a tierra por impulsos especializados, que suelen emitir alarmas en lugar de dispararse al producirse el primer fallo.
Adaptaciones del régimen de protección
Los sistemas LRG requieren relés de fallo a tierra con ajustes de captación de 5-15% del límite de corriente NGR. Un sistema NGR de 400 A podría utilizar una captación 50G a 20-40 A con coordinación de tiempo definido.
Los sistemas HRG cambian radicalmente la filosofía de protección. En lugar de un disparo inmediato, el primer fallo a tierra produce una alarma mientras el sistema sigue funcionando. El personal de mantenimiento localiza el alimentador averiado mediante detección por impulsos o conmutación secuencial de alimentadores.
Ventajas:
Limitaciones:
Las instalaciones industriales, los generadores neutros y las explotaciones mineras suelen especificar la puesta a tierra NGR por el equilibrio entre seguridad y flexibilidad operativa.
Las bobinas Petersen (bobinas de supresión de arco) introducen una inductancia que resuena con la capacitancia de fase a tierra del sistema. Cuando se sintoniza correctamente, la bobina genera una corriente reactiva que cancela la corriente de fallo capacitiva, reduciendo la corriente residual en el punto de fallo a 5-10 A o menos.
Principio de puesta a tierra resonante
La inductancia de la bobina se ajusta para que la corriente inductiva sea aproximadamente igual a la corriente de carga capacitiva del sistema. Durante un fallo del SLG, estas corrientes - 180° desfasadas - se cancelan en el punto de fallo. La pequeña corriente resistiva residual no puede mantener un arco, lo que permite la autoextinción de los fallos transitorios.
El folleto técnico 283 del CIGRE documenta que aproximadamente 80% de las faltas a tierra transitorias se autoextinguen en los sistemas con puesta a tierra resonante sin accionamiento del interruptor.
Requisitos de ajuste
La capacitancia del sistema cambia cuando se conectan o desconectan alimentadores o se añaden secciones de cable. Las modernas bobinas Petersen de sintonización automática (con núcleo de émbolo o diseños de toma cambiante) ajustan la reactancia continuamente. El desajuste dentro de ±5% generalmente mantiene una supresión eficaz del arco.
Retos de la protección
La puesta a tierra resonante minimiza intencionadamente la corriente de falta, creando dificultades de detección. Los relés de tensión homopolar indican la presencia de averías, pero no pueden identificar el alimentador averiado. Los relés direccionales o vatímetros especializados que miden el componente de potencia activa son necesarios para la selección del alimentador.
Los fallos permanentes (conductor caído, equipo averiado) requieren un aislamiento final. El sistema tolera retrasos mientras los operarios localizan el fallo, pero el funcionamiento continuado con un fallo a tierra sostenido somete a tensión el aislamiento de fase sin fallo.
Ventajas:
Limitaciones:
Las compañías eléctricas europeas utilizan ampliamente las bobinas de Petersen para la distribución aérea rural de media tensión, donde predominan las faltas transitorias provocadas por la vegetación y la fauna.
[Visión experta: experiencia de campo con la bobina Petersen]
- Los sistemas de ajuste automático necesitan entre 2 y 5 segundos para compensar los cambios en la topología de la red; los ingenieros de protección deben tener en cuenta este intervalo en los estudios de coordinación.
- La tensión de fase sin fallo aumenta hasta el valor de línea a línea (1,73×) durante los fallos a tierra sostenidos, lo que requiere un equipo con la capacidad nominal correspondiente.
- Los sistemas de cable presentan una alta capacitancia que requiere bobinas poco prácticas; la puesta a tierra resonante se adapta a las redes aéreas dominantes.
| Parámetro | Sólida conexión a tierra | NGR (Low-R / High-R) | Bobina Petersen |
|---|---|---|---|
| Corriente de fallo SLG | 5,000-20,000 A | 200-400 A / 1-10 A | <10 A residual |
| Limpieza de fallos | Inmediato (3-6 ciclos) | Requerido (<10 s) / Alarma | A menudo autolimpiante |
| Tipo de relé | Sobreintensidad estándar | Sobrecorriente / GF sensible | Direccional, wattmétrico |
| Requisitos de TC | Ratios estándar | Puede necesitar ratios más bajos | Secuencia cero sensible |
| Sobretensión transitoria | ≤1,4 pu | ≤1,7 pu / ≤2,0 pu | ≤2,5 pu |
| Gravedad del arco eléctrico | Alto | Reducido / Mínimo | Mínimo |
| Continuidad del servicio | Viaje obligatorio | Disparo requerido / Alarma primero | Posibilidad de circular |
| Complejidad | Bajo | Moderado | Alto |
| Mejores aplicaciones | Distribución de servicios | Industrial, generadores | Redes aéreas rurales |
El método de puesta a tierra afecta directamente a Clasificaciones de los interruptores automáticos de vacío y asociados componentes de aparatos de conexión.
Interruptor automático Función de interrupción
Los sistemas sólidamente conectados a tierra requieren disyuntores con capacidad nominal para toda la corriente de falta SLG; a menudo, el caso que rige supera los niveles trifásicos en determinadas ubicaciones. Los sistemas NGR reducen el servicio de interrupción de falta a tierra al límite de la resistencia; la falta trifásica se convierte en el factor determinante de la capacidad. Los sistemas de bobina Petersen rara vez requieren el funcionamiento del interruptor para faltas a tierra, aunque la eliminación de faltas permanentes sigue necesitando una capacidad adecuada.
Selección de TC y relés
Las relaciones de TC estándar de 600:5 ó 1200:5 funcionan bien para los sistemas sólidamente conectados a tierra. Los sistemas NGR pueden requerir relaciones de 100:5 ó 200:5 para una sensibilidad adecuada del relé de falta a tierra. Los sistemas resonantes necesitan TC de equilibrio de núcleo con alta sensibilidad (a menudo 50:1 o 100:1) para el funcionamiento del elemento direccional.
Coordinación de descargadores de sobretensiones
Los sistemas sólidamente conectados a tierra utilizan descargadores con una capacidad nominal de 80% de la tensión máxima del sistema. Los sistemas resonantes requieren descargadores de 100%, un incremento de 25% que afecta tanto a la selección del descargador como a la coordinación del aislamiento en toda la instalación.
Comprender estas implicaciones afecta selección de VCB de interior frente a VCB de exterior basada en la exposición ambiental y las tensiones transitorias relacionadas con la toma de tierra.
La selección depende de las características del sistema y de las prioridades operativas:
Favorecer una conexión a tierra sólida cuando:
Favor NGR Cuando:
Favor Petersen Bobina Cuando:
Documentar la filosofía de puesta a tierra en los estudios de coordinación de protecciones. Las futuras modificaciones del sistema deben respetar los supuestos originales o requerir un nuevo estudio exhaustivo.
Tanto si su sistema utiliza puestas a tierra sólidas que exigen un servicio de falta total, configuraciones NGR con corrientes controladas o puestas a tierra resonantes que requieren un manejo especializado de transitorios, la aparamenta XBRELE cumple los requisitos técnicos.
Nuestro equipo de ingeniería entiende cómo el método de puesta a tierra afecta a la especificación del disyuntor, la selección del TC y la coordinación de la protección. Póngase en contacto con Fabricante de disyuntores de vacío XBRELE para estudiar soluciones de conmutación adaptadas a la filosofía de puesta a tierra de su sistema.
P: ¿Qué método de puesta a tierra del neutro produce la menor corriente de defecto a tierra?
R: La bobina de Petersen (puesta a tierra resonante) produce la corriente de fallo más baja, normalmente inferior a 10 A residuales, porque el inductor sintonizado cancela la corriente capacitiva del sistema en el punto de fallo, lo que a menudo permite la autoextinción del arco sin necesidad de que actúe el disyuntor.
P: ¿Pueden los relés de sobreintensidad estándar detectar fallos en sistemas de alta resistencia conectados a tierra?
R: Los relés de sobreintensidad estándar no pueden detectar con fiabilidad las faltas HRG porque los límites de corriente son de 1-10 A, muy por debajo de los umbrales de captación típicos; estos sistemas requieren relés de tensión de secuencia cero o métodos de detección de faltas a tierra por impulsos.
P: ¿Cómo afecta el método de conexión a tierra a la selección del valor nominal de interrupción del disyuntor?
R: Los sistemas sólidamente conectados a tierra requieren disyuntores con capacidad nominal para toda la corriente de falta SLG (que puede superar los niveles trifásicos), mientras que los sistemas NGR reducen el servicio de falta a tierra al límite de corriente de la resistencia, lo que hace que la falta trifásica sea el caso nominal que rige.
P: ¿Por qué los sistemas con puesta a tierra resonante tienen sobretensiones transitorias más altas?
R: La elevada impedancia del neutro permite que las tensiones de fase sin fallo aumenten hacia valores de línea a línea durante los fallos a tierra, pudiendo alcanzar 2,5 por unidad durante condiciones de arco, en comparación con 1,4 por unidad en sistemas sólidamente conectados a tierra.
P: ¿Qué industrias suelen especificar resistencias de puesta a tierra del neutro?
R: Las instalaciones industriales, las explotaciones mineras y las instalaciones de generadores suelen utilizar la puesta a tierra NGR para equilibrar la reducción del arco eléctrico con los requisitos de detección de fallos; las plantas petroquímicas y de pulpa/papel suelen favorecer la puesta a tierra de alta resistencia para la continuidad del proceso.
P: ¿La conexión a tierra del neutro afecta a la selección del descargador de sobretensiones?
R: Los sistemas sólidamente conectados a tierra admiten descargadores con una tensión nominal de 80% de la tensión máxima del sistema, mientras que los sistemas con puesta a tierra resonante requieren descargadores con una tensión nominal de 100% para soportar sobretensiones transitorias más elevadas durante las faltas a tierra, lo que supone un aumento de 25% en la clase de tensión del descargador.
Referencia externa: Serie IEEE C62.92 - Guía para la aplicación de la puesta a tierra del neutro en sistemas de suministro eléctrico - https://standards.ieee.org/
