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Estructuras tierras y diagramas unifilares




  1. Clasificación de los diferentes tipos de estructuras
  2. Sistemas de puesta a tierra
  3. Diagramas unifilares
  4. Bibliografía

SÍNTESIS UNIDAD 3: ESTRUCTURAS, TIERRAS Y DIAGRAMAS UNIFILARES

Según Pearson education (2005), se clasifican según si la subestación es de tipo intemperie, tipo interior o tipo blindado.

  • Tipo interperie: Generalmente se construyen en terrenos expuestos a la intemperie, y requiere de un diseño, aparatos y máquinas capaces de soportar el funcionamiento bajo condiciones atmosféricas adversas (lluvia, viento, nieve, etc.) por lo general se utilizan en los sistemas de alta tensión.

  • Tipo interior: En este tipo, los aparatos y máquinas están diseñados para operar en interiores. Operan con potencias relativamente bajas y generalmente son usados en las industrias o comercios.

  • Tipo blindado: Aquí los aparatos y las máquinas están bien protegidos, y el espacio necesario es muy reducido, generalmente se utilizan en fábricas, hospitales, auditorios, edificios y centros comerciales que requieran poco espacio para su instalación. Normalmente están aisladas con SF6.

El sistema de puesta a tierra es una conexión conductora por medio de la cual un circuito eléctrico o equipo se conecta a la masa de la tierra o a algún cuerpo conductor de dimensiones relativamente grandes que cumple la misma función que la masa de la tierra y esta constituida por:

  • Electrodo: Conductor o conjunto de conductores que sirven para establecer una conexion con tierra.

  • Línea de tierra: Conductor o conjunto de conductores (malla) que une(n) el electrodo de tierra con una parte de la instalación que se haya de poner a tierra, siempre y cuando los conductores estén fuera del terreno o colocados en el pero aisladoes del mismo.

  • Punto de puesta a tierra: Es un punto, situado generalmente fuera del terreno, que sirve de unión entre las líneas de tierra con el electrodo, directamente o a través de líneas de enlace con él.

Figura 1: Puesta a tierra.

Fuente: Servitecweb.com

Sus funciones son:

  • Mantener el voltaje del sistema dentro de límites razonables bajo condiciones de falla y asegurar que no se exceda el voltaje de ruptura dieléctrica de las aislaciones.

  • Limitar el voltaje a tierra sobre materiales conductivos que circundan conductores o equipos eléctricos.

  • Estabilizar los voltajes de fase a tierra en líneas eléctricas bajo condiciones de régimen permanente.

  • Proporcionar una trayectoria alternativa para las corrientes inducidas y de tal modo minimizar el ruido eléctrico.

  • Proporcionar una plataforma equipotencial sobre la cual pueda operar equipo electrónico.

  • Reducir sobretensiones.

3.2.1 Clasificación de sistemas de tierras.

El diseño de un sistema de tierras para la subestación eléctrica tiene los siguientes objetivos.

  • Proporcionar un medio para conducir las corrientes eléctricas hacia tierras bajo condiciones normales y de falla, sin exceder alguno de los límites de operación del equipo o afectar la continuidad del servicio.

  • Asegurar que una persona que se encuentre dentro de la vecindad de sistema de tierras no esté fácilmente expuesta al peligro de descargas eléctricas críticas.

La clasificación de puesta a tierra en subestaciones eléctricas es la siguiente:

  • Neutro rígido.

Son aquellos que son operados con una conexión directa del neutro a tierra.

Figura 2: Neutro rígido.

Fuente: García, R. (1991).

Ventajas:

  • Facilidad de detección y localización de las faltas a tierra.

  • Limitación de las sobretensiones por faltas a tierra y transitorias por maniobras y rayos.

Desventajas:

  • Faltas a tierras más energéticas. Se requieren protecciones de alta velocidad para limitar los efectos térmicos y mecánicos sobre los equipos.

Se puede aplicar en AT y MAT por economía de los aislamientos.

  • Neutro aislado:

Son aquellos que están operados sin una conexión intencional del neutro a tierra.

Figura 3: Neutro aislado.

Fuente: García, R. (1991).

Ventajas:

  • La primera falta a tierra solo causa una pequeña circulación de corriente capacitiva, por lo que se puede operar el sistema sin afectar a la continuidad del suministro.

  • No es necesario invertir en equipamiento para la puesta a tierra, pero si para el sistema de protección.

Desventaja:

  • Mayor coste de aislamiento de los equipos a tierra.

  • Mayores posibilidades de sobretensiones transistorias por faltas con arco, resonancia, ferroresonancia, etc.

  • Su uso está restringido a sistemas de distribución de media tensión y requiere de esquemas de detección de falta a tierra.

  • Neutro con resistencia.

Son aquellos que están operando con una conexión del neutro a tierra a través de una resistencia.

Figura 4: Neutro con resistencia.

Fuente: García, R. (1991).

Puede ser de alta resistencia o de baja resistencia.

Ventajas y desventajas para baja resistencia similares al sistema de neutro rígido a tierra, pero con efectos menos dañinos durante la falta al haberse reducido la corriente a tierra.

Alta resistencia.

Ventajas

  • No es necesario dar disparo instantáneo ante una primera falta a tierra.

  • Reducción a los daños por efecto térmico y electrodinámicos.

  • Reducción de las sobretensiones transistorias por maniobras y rayos.

Desventajas:

  • Comportamiento para faltas a tierra similar a neutro aislado. Fases sanas a tensión compuesta.

  • Neutro con reactancia.

Son aquellos que están operando con una conexión del neutro a tierra a través de una reactancia de valor fijo.

Figura 5: Neutro con reactancia.

Fuente: García, R. (1991).

Ventaja: Permite reducir las sobretensiones transitorias.

Desventaja: La reducción de la corriente de falta no es tan elevada como en el caso de puesta a tierra con resistencia, por lo que no es una alternativa a esta última.

Este método se utiliza para puesta a tierra de generadores y transformadores de potencia.

  • Neutro resonante.

Son aquellos que operan con una conexión del neutro a tierra a través de una reactancia de valor variable (bobina Petersen).

Figura 6: Neutro resonante.

Fuente: García, R. (1991).

El coeficiente de inducción de la bobina se ajusta para que resuene con la capacidad a tierra del sistema, de forma que para una falta a tierra, la corriente de falta queda reducida a un valor resistivo muy bajo.

Ventajas:

  • Durante una falta a tierra la corriente es muy reducida y está en fase con la tensión, por lo que las faltas con arco se extinguen fácilmente.

  • Una falta a tierra no implica disparo instantáneo, por lo que se mejora la continuidad.

Desventajas:

  • Similar a neutro aislado, las fases sanas se ponen a tensión compuesta durante la falta.

  • El sistema de protección es muy complejo.

3.2.2 Cálculo de tensiones de paso y de contacto.

Figura 7: Tensiones de paso y de contacto.

Fuente: Harper, E. (2005).

La tensión de paso es la diferencia de tensión que puede aparecer entre dos puntos del terreno adyacente a la puesta a tierra, separados a una distancia de 1 m (distancia de paso), ante una fuga a tierras. Se evitará que esta tensión alcance valores peligrosos para los seres humanos.

La ecuación para el cálculo de tensión de paso es:

Ec. 1.

La tensión de contacto es la diferencia de tensión que puede aparecer entre dos puntos situados a 1 m de distancia cuando existe una fuga a tierras, siendo estos puntos, la pica o el cable de enlace con tierra y el terreno a 1 m de distancia.

La ecuación para calcular la tensión de contacto es:

Ec. 3.

La longitud del conductor está dada por:

L= n·A + m·B.

Entonces:

Ec. 4.

3.2.3 Cálculo de la red de tierras.

La red de tierras está afectado por las siguientes variables:

  • Tensión permisible de paso.

  • Tensión permisible de contacto.

  • Configuración de la red.

  • Tiempo máximo de despeje de la falla.

  • Conductor de la red.

  • Profundidad de instalación de la red.

Para calcular la sección del conductor se aplica la siguiente ecuación:

Ec. 5.

El cálculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el método de Laurent y Niemann o por el método de Dwingth. El método de Laurent y Niemann se calcula con la siguiente ecuación:

Ec. 6.

El método de Laurent y Niemann es una aproximación del valor real, que suele ser menor.

El método de Dwight es mucho más extenso y exacto; el primer paso consisten en calcular la resistencia de un conductor de la red con la siguiente fórmula:

Ec. 7.

Después se procede al cálculo de las resistencias debidas a las interferencias mutuas entre los conductores:

Ec. 8.

La resistencia mutua de los componentes de unión incluyendo la interferencia debida a los conductores transversales a los cuales se encuentra unidos es:

Ec. 11.

Diagrama que representa los elementos principales de una subestación, donde dichos elementos están representados por una simbología que se expone más adelante. El diagrama debe cumplir:

  • Fuente de alimentación o puntos de conexión a la red, incluyendo valores de voltajes y de cortocircuito.

  • Generadores (en su caso), incluyendo su potencial en KVA o MVA, voltaje, impedancia y método de conexión a tierra.

  • Tamaño y tipo de todos los conductores, cables, barras y líneas aéreas.

  • Tamaño de transformadores, voltajes, impedancias, conexiones y métodos de conexión a tierra.

  • Dispositivos de protección.

  • Transformadores de instrumento.

  • Apartarrayos y bancos de capacitores.

  • Identificación de cargas (en su caso), incluyendo grandes motores eléctricos e impedancias.

  • Tipos de relevadores.

  • Ampliaciones futuras.

La cantidad de detalle en un diagrama unifilar está determinada por su uso relativo, el diagrama unifilar conceptual no debe contemplar toda la información descrita anteriormente, la simbología es la siguiente:

3.3.1 Simbología.

Figura 8: Simbología.

Fuente: Harper, G. (2005).

3.3.2 Diferentes tipos de subestaciones.

Dependiendo del nivel de voltaje, potencia que manejan, objetivo y tipo de servicio que prestan, las subestaciones se pueden clasificar como:

  • Subestaciones elevadoras: Se usa en las centrales eléctricas, cuando se trata de elvar los voltajes de generación o valores de voltajes de transmisión.

  • Subestaciones reductoras: Es donde los niveles de voltaje de transmisión se reducen.

  • De enlace: Se utilizan para tener mayor flexibilidad de operación para incrementar la continuidad del servicio.

  • En anillo: Se usan con frecuencia en los sistemas de distribución para interconectar subestaciones que están interconectadas a su vez con otras.

  • Radial: Es cuando la subestación tiene un solo punto de alimentación y no se interconecta con otras.

  • De switcheo: No se tiene transformadores de potencia, ya que solo se hacen operaciones de conexión y desconexión.

  • García, R. (1991), La puesta a tierra de instalaciones eléctricas y el R.A.T.", Editorial Productica, España.

  • Harper, E. (2005), "El ABC de las instalaciones eléctricas industriales". Editorial Reverté, México.

  • Harper, E. (2005), "Fundamentos de instalaciones eléctricas de media y alta tensión". Editorial Reverté, México.

  • Pearson Education (S. F.), "Subestación interactiva", extraído el 26/03/11, de: http://www.pearsoneducacion.net/brokering/brokering/Proyectos/Subestaciones/entrada.html

  • Servitec (S. F.), "Puesta a tierra", extraído el 26/03/11, de: www.servitecweb.com

 

 

Autor:

Lira Martínez Manuel Alejandro

DOCENTE: ING. CHIMAL Y ALAMILLA FLORENTINO


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