Metodologa para el Clculo de un Transformador de Puesta a Tierra en Sistemas Industriales con Nula o Baja Corriente de Falla MonofsicaPublicado en 6 febrero, 2013 por Webmaster en Noticias INTRODUCCINAlgunos sistemas elctricos industriales han sido diseados sin una referencia a tierra en baja tensin, a travs 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 elctricas un desafo para la operacin de los dispositivos de sobrecorriente, pues un mal diseo conlleva a un bajo o nulo nivel de corriente de falla ante una contingencia monofsica y puede representar la no operacin de las protecciones elctricas y el sostenimiento de la falla hasta que sta sea eliminada por el operador del sistema. Con el fin de resolver este inconveniente, en este blog se presenta una metodologa para calcular un transformador de puesta a tierra, el cual para el caso de fallas monofsicas garantizar la circulacin de un determinado valor de corriente y la operacin de las protecciones convencionales. Posteriormente se realiza una simulacin en el software de anlisis de sistemas de potencia etap con el fin de validar los resultados.

DESCRIPCIN DEL SISTEMA ELCTRICO BAJO ESTUDIOLa Figura 1 presenta un diagrama unifilar esquemtico del sistema elctrico a analizar. Este sistema en particular se interconecta con la red externa a travs de un transformador de potencia con grupo de conexin estrella delta y posee un generador en 13.2kV con puesta a tierra de alta impedancia, la cual limita la corriente de falla monofsica a slo 10 amperios.

Figura 1. Sistema Elctrico bajo Estudio Falla Monofsica en la Barra de 13.2kV Para corregir ste 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 sta se presente. A continuacin se presenta el procedimiento de clculo para el dimensionamiento del transformador de puesta a tierra y los resultados obtenidos.

PROCEDIMIENTO DE CLCULO Y RESULTADOSPara el clculo 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 operacin correcta de las protecciones. Es recomendable tomar valores de aporte al cortocircuito entre 400 y 600 amperios, valores que garantizan la operacin adecuada de las dispositivos de sobrecorriente en caso de presentarse una falla monofsica. Para el presente ejemplo, se seleccion un valor de aporte de corriente a la falla de 400 amperios.Para el clculo se emple 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].

Clculo del Transformador de Puesta a Tierra

En el transformador zig-zag de puesta a tierra, ante una falla monofsica van a circular 400 amperios por el neutro y por cada fase la corriente ser aproximadamente 135 amperios.

Clculo 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 mximo de un (1) minuto para la duracin de la circulacin de corriente de falla a travs 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]Continuous Duty Current in Percent of Thermal Current Rating

Rated Time of Device Reactors, Ground-Fault Neutralizers, and Transformers Used For Grounding Resistor

10 s 3 0

1 min 7 0

10 min 30 0

Extended Time 30 0

NOTE Where there is a third harmonic component of current, it shall not exceed 15 percent of the rated continuous duty current.

Clculo de la potencia continua:

La potencia continua del transformador zig-zag se aproxima a 250kVA por ser un valor ms comercial. De forma iterativa y por medio de simulaciones de cortocircuito en el software de anlisis de sistemas de potencia etap, se logr 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 travs de la siguiente expresin:

De los resultados obtenidos en las simulaciones de cortocircuito monofsico 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 diseo del transformador zig-zag, se logra inyectar un aporte de corriente de aproximadamente 400 amperios.Las caractersticas bsicas 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 monofsica en la barra de 13.2kV de aproximadamente 400 amperios como se presenta en la Figura 2, valor que permite la operacin normal de las protecciones convencionales.

Figura 2. Sistema Elctrico bajo Estudio Falla Monofsica en la Barra de 13.2kV con Transformador zig-zag

REFERENCIAS[1] ANSI/IEEE Std 32 1972/1990. IEEE Standard Requirements, Terminology, and Test Procedure for Neutral Grounding Devices. 1990.Ing. Ricardo Artunduaga Gmez. Especialista en Sistemas de Transmisin y Distribucin de Energa Elctrica. Cali, Colombia; e-mail: ricardo.artunduaga@pti-sa.com.co ricardo.artunduaga@gmail.com