Sistemas de puesta a Tierra, sistemas electricos

Seminario Técnico I-Gard 2007

Agenda Jueves 12 de Abril • • • • • • •

7:30 – 8:30 8:30 – 9:45 10:00 – 11:15 11:30 – 12:45 13:00 – 14:00 14:00 – 15:45 16:00 – 17:45

Desayuno y Registro Introducción y Dinámica de Grupo PAT de Sistemas Eléctricos y RPT PAT Solida y por Baja Resistencia Almuerzo PAT Flotante y por Alta Resistencia Otros productos

Agenda • Viernes 13 de Abril • • • • • •

7:30 – 8:30 8:30 – 10:45 11:00 – 12:45 13:00 – 14:00 14:00 – 15:45 16:00 –17:45

Desayuno Visita a Planta de Manufactura Aplicaciones Almuerzo Configuración y Especificación Proceso de Venta y Plan de Acción

Sesión 1 • Puesta a Tierra (PAT) de Sistemas Eléctricos • Resistencias para PAT de Neutro

Introducción • Una falla fase-tierra en un sistema eléctrico puede provocar accidentes que afecten al personal, equipos, materia prima y procesos productivos al interrumpir el suministro de electricidad y producir voltajes y corrientes excesivas. • En esta ocasión revisaremos distintos métodos, equipos y sistemas de puesta a tierra orientados a reducir estos problemas.

Definiciones

• Sistema de Puesta a Tierra (“Bonding”, Puenteado, Unión) Unión equipotencial de material conductor no energizado a tierra • Puesta a Tierra de Sistemas (Puesta a tierra, Aterrizaje, Aterramiento) Referencia a tierra para el sistema eléctrico

¿Qué conectar a tierra? • Sistemas eléctricos • Componentes metálicos • Equipos electrónicos • Tuberías de agua • Estructura de la construcción • Rejas o cercas perimetrales • Todo componente conductor que pueda poner en contacto al personal o equipos con diferencias de potencial mayores a las que pueden soportar sin sufrir daño

¿Para qué conectar a tierra? • • • • •

Incrementar seguridad del personal Proteger equipos y producción Detectar fallas Minimizar impacto Acelerar recuperación

¿Qué se requiere? • Una adecuada referencia a tierra de transformadores y generadores. • Una trayectoria de descarga de corrientes de carga capacitivas. • Limite en los sobrevoltajes transitorios en el aislamiento • Límite en los voltajes de falla fase-tierra • Límite en las corrientes de falla fase-tierra • Coordinación de dispositivos de aislamiento de falla • Alarma, información y localización de la falla.

Redes de puesta a tierra • Generalmente tienen forma de malla – Conductor perimetral – Conductores paralelos equidistantes (4/0 de cobre enterrados a 0.5m y separados 3-6m) – Cruces conectados – Electrodos en cada cruce (2cm de diámetro y 3m de largo) – Grava o rocas con profundidad de 8 a 15 cm. Ver IEEE Std 80-2000, NEC 250

Malla de puesta a tierra

Materiales • Deben soportar corrosión, descargas y esfuerzos mecánicos • Baja resistencia eléctrica • Capacidad conductiva • Buen contacto con suelo de baja resistividad • Mejoramiento del suelo • Medición y mantenimiento periódico IEEE Std 80-2000, NEC 250

Parámetros críticos

• Máxima corriente de la malla (IG) • Duración de falla y de choque (tF, tS) • Resistividad del suelo (r) • Resistividad de superficie del suelo (rS) • Geometría de la malla

Tipos de Referencia a Tierra No aterrizados o flotantes

3 fases, 3 hilos

Aterrizados solidamente

3 fases, 3 ó 4 hilos

Aterrizados por resistencia: -Baja Resistencia -Alta Resistencia

3 fases, 3 hilos

Productos I-Gard RESISTIVOS FLOTANTES

Alarma GADD

Localizador Turbo Sleuth

SOLIDOS

Relé MGFR

Alarma GADP

Localizador Turbo Sleuth

Resistencias

GFR-RM

Semáforo

Gemini

Relé DGF-CT

DSA/DSP

Sistema Fusion

Detective

Sistemas Puestos a Tierra • • • • • • •

Voltajes transitorios limitados Localización de fallas simplificada Mayor protección de sistema y equipo Tiempo y gastos de mantenimiento reducidos Mayor seguridad al personal Mejor protección contra rayos Menor frecuencia de fallas

Resistencia de Puesta a Tierra SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR

NEUTRO VOLTAJE DEL SISTEMA VOLTAJE

RESISTENCIA

LINEA - NEUTRO

DE PUESTA A TIERRA

VOLTAJE LINEA-NEUTRO = VOLTAJE DEL SISTEMA / 1.732

Ventajas

El aterrizaje mediante resistencia es por mucho el método mas efectivo: Ventajas • Limita corrientes de falla • Elimina sobrevoltajes transitorios • Permite coordinar dispositivos de protección • Facilita la localización de la falla Desventajas • Hay que separar cargas monofásicas

IEEE IEEE Std. 142-1991 1.4.3 Las razones para limitar la corriente por resistencia son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Reducir quemaduras y partes derretidas por calor... Reducir estrés mecánico... Reducir riesgos de shock eléctrico al personal... Reducir riesgos de arco o flash... Reducir caida momentanea de voltaje de linea ocasionado por ocurrencia de fallas y disparo de reles. Asegurar control de sobrevoltajes transitorios y Evitar disparo del ciruito fallado al ocurrir la primera falla

Tipos de PAT por Resistencia

•

Baja Resistencia (Mayor corriente)

•

Alta Resistencia (Menor corriente)

Baja Resistencia • Popular en sistemas de bajo voltaje de 3-hilos desde los 70s cuando se hizo obligatorio tener protección contra fallas en sistemas solidos de 600V y de 1000A o mayores. • Usada incluso desde antes en sistemas de medio voltaje para limitar corrientes de falla a tierra • Elimina fallas de arco al como la puesta a tierra solida • Elimina sobrevoltajes como la puesta a tierra flotante

Baja Resistencia • Generalmente en Medio Voltaje • Limitan corriente de falla a mas de 50A (Tipicamente 400A) • Requieren disparo en la primera falla • Generalmente se diseñan para operar por 10s

Alta Resistencia • Limitan corriente de falla a valores menores de 15A (Tipicamente 5A) •

Generalmente en sistemas de bajo voltaje

•

Corriente límite mayor que corriente de carga capacitiva

•

Requiere aislamiento del 173%

Tendencia Tipo de sistema Impacto en productividad

Sobrevoltajes Daño a equipos

Sistema no aterrizado o flotante

Sistema solidamente aterrizado

Sistema aterrizado por Sistema baja aterrizado por resistencia alta resistencia

Severos

Limitados

Limitados

Limitados

Mínimo

Ninguno

Razonables

Bajos

No es posible

Posible

Bueno Razonable

Excelente Excelente

Daño por sobrecorriente en punto de falla Impredecible Severo Costos de mantenimiento Altos Altos Operación continua con Posible pero no recomendada falla a tierra No es posible Producción Coordinación de relés detenida (Disparos apropiados, fácil localización de fallas) Dificil Dificil Bajo Bueno Personal Nivel de seguridad

Secundario en Delta

Transformador Zig-Zag de puesta a tierra especificado al Voltage Linea-Linea

Transformador Zig-Zag

Clasificacion de RPT • Estandar IEEE-32 – Elevación de temperatura – Pruebas de potencial aplicado – Pruebas dielectricas – Pruebas de tolerancia resistiva • Tiempo de operación – 10 Segundos – Un minuto – 10 Minutos – Tiempo extendido – Continuo

- Elevación de 760 grados C. - Elevación de 760 grados C. - Elevación de 610 grados C. - Elevación de 610 grados C. - Elevación de 375 grados C.

Pruebas

• Potencial aplicado – Aislamiento total o de subsecciones • < 600V doble L-N mas 1000 V • > 600V 2.25 veces mas 2000 V – Permite tolerancia de mas/menos 10% • Estandares y Certificacion – Todos los resistores fabricados por I-Gard cubren estandares nacionales e internacionales tales como IEEE, CSA, NEC, UL etc.

Selección • Voltaje • < 2400 V • 2400 V – 13,800 V • > 13,800 V • Capacitancia de carga a tierra • < 600 V: 0.5 A por cada 1000 KVA • > 600 V: 1.0 A por cada 1000 KVA • Importancia de mantener produccion continua • Tipos de proteccion utilizados • Acceso del personal • Medio Ambiente

Gabinetes • Abierto: El resistor ira dentro de otro equipo (p.e. en un tablero). • Cerrado: Cuando estará expuesto a los elementos climaticos. • Opciones: Cubiertas solidas, tapa elevada para lluvia, nieve, viento, resistencia sismica, etc. • NEMA o IP

Elementos: Edgewound • • • • • •

Listón devanado de canto Generalmente para baja resistencia Resisten sin deformarse Montados sobre cilindros de porcelana de alta calidad Conexiones en acero inoxidable atornilladas y soldadas • Aleacion de grado electrico con bajo coeficiente de variacion con incremento en temperatura y capaz de conservar sus propiedades durante ciclos termicos

Elementos: Wirewound

• Alambre devanado • Generalmente para operación continua • Temperatura baja • Alambre niquelcromo • Cilindros de porcelana • ( Maxima Elevacion permitida de 375 grados C.)

Elementos • Rejilla Troquelada – Placas estampadas de acero inoxidable – Soldadas individualmente – Multiples puntos de conexión – Tornillería y accesorios de acero inoxidable – Muy alta duración • Serpentín o listón

Material del elemento • Bajo coeficiente de cambio de resistencia respecto a cambios en la temperatura. Ejemplo: • Resistencia para puesta a tierra típica para 8000 V, 1000 A, 10 segundos y elevación de temperatura de 760°C de acuerdo a IEEE 32. Material 1 AISI 304 Nickel Cromo Coeficiente 0.001 ohms / °C RINICIAL= 8000 / 1000 = 8 ohms R10S 8 * (1+0.001 * 760) = 14.08 ohms Corriente de Falla 8000 / 14.08 = 568 A Cambio 43.2% 8.1%

Material 2 Acero Cromo Aluminio 1JR (Ohmalloy) 0.00012 ohms / °C 8000 / 1000 = 8 ohms 8 * (1+0.00012*760) = 8.7 ohms 8000 / 8.7 = 919 A

Material del Elemento

• Es importante asegurar que exista suficiente corriente de falla para que actúe el relé de sobrecorriente y que la corriente de falla no se reduzca más del 20% entre la temperatura ambiente y la máxima temperatura de operación • Se recomienda especificar que el material de la resistencia tenga un coeficiente de temperatura no mayor que 0.00020 ohms / °C • El coeficiente del material utilizado por I-Gard es 0.00012 / ºC

Instalación y mantenimiento • • • • • • •

Transporte Recepción Instalación Inspección Conexión de terminal neutro Conexión de terminal tierra Mantenimiento

Sesión 2 • Puesta a Tierra de Neutro Sólida y por Baja Resistencia • Productos: MGFR, DGF-CT,GFR-RM, FUSION

Puesta a tierra Sólida

• • • • •

Popular en sistemas de bajo voltaje 3-hilos desde los 50s Elimina problema de sobrevoltajes transitorios Permite cargas linea-neutro (iluminación, heating cables) Facilita localización de fallas, pero causa interrupciones de servicio no programadas Peligro de fallas de arco de bajo nivel

Puesta a tierra Sólida Neutros conectados solidamente a tierra física. Ventaja: Se reduce el problema de sobrevoltajes transitorios Desventajas: Si la reactancia del generador o el transformador es muy grande el problema de sobrevoltajes transitorios no será resuelto. Posibilitan grandes corrientes de falla que pueden ser muy destructivas:

Energia (Kilowatt ciclos) = V x I x Tiempo/1000.

Puesta a tierra Sólida Ventaja: • Se reduce el problema de sobrevoltajes transitorios Desventajas: • Si la reactancia del generador o el transformador es muy grande el problema de sobrevoltajes transitorios no será resuelto. • Posibilitan grandes corrientes de falla que pueden ser muy destructivas: • Energia (Kilowatt ciclos) = V x I x Tiempo/1000.

Daños vs. kW Ciclos 100

5000

Lugar de falla identificable por inspección marcas en metal y manchas de humo Daños mínimos pero existentes en equipos y aislamiento

10,000

Falla contenida en los gabinetes

20,000

Destrucción de equipos contiguos

>20,000 Destrucción considerable.

Fallas de Arco de Bajo Nivel Las fallas de arco sostenidas pueden liberar gran cantidad de calor y energia mecanica capaz de provocar severos daños y accidentes

Ejemplo de daño (20,000 Kilowatt ciclos)

IEEE – Fallas de Arco IEEE Std 242-2001 Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems (8.2.2) Una desventaja de los sistemas de 480 V aterrizados solidamente es la gran magnitud de las corrientes de falla que pueden ocurrir y la naturaleza destructiva de las fallas de arco. IEEE Std 141-1993 Electric Power Distribution for Industrial Plants (7.2.4) Los sistemas solidamente aterrizados tienen la mayor probabilidad de escalar a fallas de dos o tres fases, especificamente en sistemas de 480 y 600 V. Esto implica riesgos en la seguridad tales como chispas, arcos y explosiones.

Baja Resistencia

• Utilizado en sistemas de distribucion de voltaje medio • Corriente de carga capacitiva del sistema es mayor que la recomendada para una puesta a tierra por Alta Resistencia • Se limita la falla a tierra a entre 25 y 400 A tipicamente • Se dispara al ocurrir la falla • Evita incidentes de falla arqueada al ocurrir la falla

Aislamiento de cables

Para sistemas de bajo voltaje (480V y 600V), el espesor del aislamiento de los cables de polietileno (XLPE) exceden la rigidez dieléctrica requerida para el voltaje linea-linea que ocurrre durante una falla a tierra.

Ref: Electro-Federation Canada Communiqué 100.96, Wire and Cable Products

Sistemas Puestos a Tierra • • • • • • •

Voltajes transitorios limitados Localización de fallas simplificada Mayor protección de sistema y equipo Tiempo y gastos de mantenimiento reducidos Mayor seguridad al personal Mejor protección contra rayos Menor frecuencia de fallas

Sistemas aterrizados por resistencia SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR

NEUTRO

VOLTAJE DEL SISTEMA VOLTAJE LINEA - NEUTRO

RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

VOLTAJE LINEA-NEUTRO = VOLTAJE DEL SISTEMA / 1.732

Ventajas

El aterrizaje mediante resistencia es por mucho el método mas efectivo: Ventajas • Limita corrientes de falla • Elimina sobrevoltajes transitorios • Permite coordinar dispositivos de protección • Facilita la localización de la falla Desventajas • Hay que separar cargas monofásicas

IEEE IEEE Std. 142-1991 1.4.3 Las razones para limitar la corriente por resistencia son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Reducir quemaduras y partes derretidas por calor... Reducir estrés mecánico... Reducir riesgos de shock eléctrico al personal... Reducir riesgos de arco o flash... Reducir caida momentanea de voltaje de linea ocasionado por ocurrencia de fallas y disparo de reles. Asegurar control de sobrevoltajes transitorios y Evitar disparo del ciruito fallado al ocurrir la primera falla

Pusta a tierra por resistencia

Ventajas • Limita corrientes de falla • Elimina sobrevoltajes transitorios • Permite coordinar dispositivos de protección • Facilita la localización de la falla Desventajas • Hay que separar cargas monofásicas

IEEE IEEE Std. 142-1991 1.4.3 Las razones para limitar la corriente por resistencia son una o más de las siguientes: 1. Reducir quemaduras y partes derretidas por calor... 2. Reducir estrés mecánico... 3. Reducir riesgos de shock eléctrico al personal... 4. Reducir riesgos de arco o flash... 5. Reducir caida momentanea del voltaje de linea ocasionado por la falla y el disparo de los reles. 6. Asegurar control de sobrevoltajes transitorios y 7. evitar el disparo del ciruito fallado al ocurrir la primera falla

Baja Resistencia • • • • •

Generalmente en sistemas de medio y alto voltaje Limitan la corriente de falla a mas de 50A (Tipicamente 400A) El sistema con falla tiene que ser parado a la primera falla Las resistencias generalmente se diseñan para operar por 10 segundos

Beneficios La corriente de falla tiene un valor suficientemente alto como para operar los reles de proteccion y transformadores de corriente que dispararan el circuito de manera muy rápida para: • • • • •

Limitar daño a equipos, Prevenir fallas adicionales, Evitar riesgo al personal, Facilita la ubicación de la falla. Evitar sobrecalentamiento y estrés mecánico

RPT de Medio Voltaje

Sensores de Corriente A

• Conexión Residual

IA

Carga

B

LOAD IB

C

IC

Ig=Ia+Ib+Ic+In

IN RELAY Relé

IG

Sensores de Corriente • Secuencia Cero A

IG = 0, IL - IN = 0 y IS = 0 Si IG > 0, IL - IN = IG y IS = IG/n

LOAD

IA

B

IB IC

C

RELAY

IG

G

Sensores de Corriente • Secuencia Cero R

A

B

C

N

Zero Sequence Sensor Load 1

Load 2

Sensores de Corriente • Ground Strap

Ground Strap Sensor

R GF Relay A

B

C

IG

Coordinación por Tiempo I × Va × t I t KWC = G ≈ G 1000 10

IG Va t

= Amperes = 100V = ciclos

24 Ciclos (0.4 segundos)

R

Transformador ejemplo: R

– 1000 kVA, 5% de impedancia – Corriente de falla IG=20kA – KWC = 48,000 (