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• Dawn Hernandez

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miércoles, 9 de enero de 2013

Metodología para el Cálculo de un Transformador de Puesta a Tierra en Sistemas Industriales con Nula o Baja Corriente de Falla Monofásica 1. INTRODUCCIÓN Algunos sistemas eléctricos industriales han sido diseñados sin una referencia a tierra en baja tensión, a través de un transformador estrella-delta (sistema flotante) o mediante un sistema de puesta a tierra de alta impedancia. 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 el software de análisis de sistemas de

potencia

etap

con

el

fin

de

validar

los

resultados.

2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO BAJO ESTUDIO

La Figura 1 presenta un diagrama unifilar esquemático 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 presenta 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. Es recomendable tomar valores de aporte al cortocircuito entre 400 y 600 amperios, valores que garantizan la operación adecuada de las dispositivos de sobrecorriente en caso de presentarse una falla monofásica. 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 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 etap, 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 en el software etap, 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 diseño 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.