PROTECCION DE FALLAS A TIERRA EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIONIng. Carlos Arroyo Arana Profesor de Proteccin de Sistemas de Potencia de la Universidad Nacional de Ingeniera

Lima, marzo de 1998

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ANTECEDENTES

IntroduccinLa deteccin de las fallas a tierra de alta impedancia en los sistemas de distribucin de MT es uno de los problemas ms difciles y cada vez ms frecuentes. En nuestro medio, los esquemas de proteccin generalmente se han desarrollado principalmente en base a rels de sobrecorriente calibrados por encima de los valores nominales del alimentador, por lo tanto, es imposible discriminar una falla a tierra si esta tiene valores de corriente muy por debajo de sus valores normales de carga como resultado de una alta resistencia de contacto del conductor elctrico con el terreno. Es importante indicar que generalmente en nuestro medio ( en la ciudad de Lima ) el tipo de puesta a tierra del neutro del sistema de distribucin de 10 kV no es determinante para mejorar la deteccin de estas fallas ya que la resistencia de contacto del conductor cado con el terreno es muy alta.

Orgenes del problemaEl problema de las fallas a tierra no tendra importancia si la distribucin de la energa elctrica fuera mediante cables subterrneos, sin embargo desde ya hace ms de 20 aos se viene utilizando cada vez ms las lneas areas, lo que origina un peligro latente de riesgo elctrico a las personas ante la cada a tierra de un conductor.

Investigacin del fenmeno de fallas a tierraEn vista de la importancia de este problema, en ELECTROLIMA a fines de la dcada del 70, se estudi el comportamiento de las fallas a tierra en diferentes tipos de terreno, encontrando el modelo matemtico que permite analizar tericamente estas fallas.

En las pruebas que se efectuaron y que fueron complementadas por el sector de Proyectos de SETs de aquella poca, se registraron caractersticas muy importantes del comportamiento de las tensiones y corrientes homopolares en condiciones de falla

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que identifican claramente este tipo de fenmeno elctrico. En el grfico de a continuacin se puede observar el momento en que se rompe el conductor areo y cuando el conductor toca el suelo, el momento en que aparecen las tensiones y corrientes homopolares es el instante que el conductor toca el suelo.

Las pruebas tambin permitieron calcular el orden de las resistencias de fallas a tierra y el comportamiento de la resistencia en funcin del tiempo, observndose que en general la resistencia de falla al inicio es alta y con el transcurso del tiempo disminuye. En la tabla de a continuacin se puede observar que estos valores dependen del tipo de terreno y en algunos casos pueden tener valores muy altos.

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RESISTENCIAS DE FALLAS EN FUNCION DEL TERRENOTIPO DE SUELO INTERVALO RESISTENCIA EN PUNTO DE TIEMPO DE FALLA DE FALLA (ms) (ohmios) Jardn con cesped Tierra seca y pocas piedras Tierra seca de cultivo Tierra humeda con hierba Tierra de cultivo Pedregoso con residuos de construccin Terreno arenoso con piedras 0 .. 280 290 550 .. 850 85 .. 125 125 .. 440 0 .. 220 220 .. 700 0 .. 50 50 .. 260 260 .. 700 0 .. 110 200 .. 400 0 .. 300 310 550 .. 1050 0 .. 150 150 .. 215 215 .. 285 285 .. 415 415 .. 915 0 .. 105 105 .. 400 0 .. 450 450 .. 800 0 .. 300 0 .. 65 65 .. 175 175 .. 895 91.6 137 40.5 233 58.8 62.9 42 17.6 13.3 9.6 43.3 15 253 289 98.6 7619 1515 920 553 395 141 203 38.1 31.2 659 47 27 23

Asfalto Vereda humeda Arena seca Acequia con poca agua

Diseo del Sistema de Proteccin contra Fallas a TierraDespus de los estudios efectuados donde determinaron el modelo matemtico de la falla a tierra, el rea de Proyectos SETs de ELECTROLIMA se dedic a estudiar la concepcin de un rel que sea capaz de detectar este tipo de falla tan peculiar y se lleg a determinar que la proteccin ms adecuada sera con rels direccionales de sobrecorriente homopolar de alta sensibilidad para los sistemas con neutro aislado y rels de sobrecorriente homopolar, no direccionales, para los sistema con el neutro puesto a tierra. Con los principales fabricantes de equipos de proteccin de la poca, a fines de la dcada del 70, se coordin para que se fabricase un rel con las caractersticas deseadas, siendo ASEA de Suecia el primer fabricante que nos proporcion un rel direccional de sobrecorriente homopolar para los sistemas con neutro aislado y un rel de sobrecorriente homopolar, no direccional, para los sistemas puestos a tierra. Estos rels se instalaron en las SETs Puente, con sistema aislado, y Villa Salvador, con sistema rgido a tierra, obtenindose resultados satisfactorios en las pruebas de fallas a tierra que se efectuaron.

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Una vez que se obtuvieron resultados satisfactorios en las pruebas realizadas y que ELECTROLIMA decidi la implementacin de estos rels en toda su red de distribucin con lneas areas, BBC mostr inters y se le sugiri modificar el diseo de uno de sus rels de potencia de manera de tener una sensibilidad equivalente a los rels anteriormente mencionados, fabricados por ASEA, dando como resultado el modelo REX911. En la actualidad se viene coordinando con los diferentes fabricantes de manera que nos proporcionen rels para alimentadores que tengan todas las funciones de proteccin necesarias as como la de falla a tierra en una sola unidad, de manera de facilitar el montaje, mantenimiento y operacin de estos, habindose logrado que varios fabricantes ya tengan en su lnea de produccin estas unidades y otros estn por fabricarlos. Adicionalmente, se est coordinando para implementar nuevas funciones de fallas a tierra, el cual se explicar en futuros artculos. Adicionalmente a los rels de proteccin, exista la necesidad de detectar la corriente homopolar sin influencia de la corriente de carga del sistema, definindose que la forma ms adecuada era con transformadores de corriente toroidal seccionable que permitiran la instalacin de estos en cables trifsicos NKY existentes.

DETECCION DE PARAMETROS ELECTRICOS Tensiones HomopolaresPara poder efectuar la deteccin de las tensiones homopolares simplemente hay que reproducir la ecuacin matemtica en un circuito elctrico, tal como se muestra a continuacin:R S T

3 Vo

Vo = ( V R + V S + V T ) / 3

Corriente Homopolar

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De igual manera, para la deteccin de la corriente homopolar hay que reproducir la ecuacin matemtica en un circuito elctrico. Sin embargo debido a que la corriente homopolar es muy pequea en comparacin de la corriente del alimentador y si la deteccin de la corriente se efecta a travs de la suma de tres transformadores de corriente, es posible que el resultado del filtro homopolar sea una corriente debido a la diferencia de corrientes de excitacin que dara como resultado operaciones incorrectas. Para solucionar este problema debemos efectuar la suma de las tres corrientes dentro de un solo ncleo magntico, lo cual da como resultado una corriente en el secundario del transformador siempre y cuando exista corriente homopolar en el sistema primario. Para poder introducir las tres fases dentro de un ncleo magntico la nica forma es que el electroducto sea un cable. Al respecto indicamos que fue ASEA de Suecia el primer fabricante que proporcion este tipo de transformadores de corriente, existiendo en la actualidad varios fabricantes que tienen en su lnea de produccin estos transformadores especiales. A continuacin graficamos la explicacin dada:

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IR IS IT R

Io = ( I R + I S + I T ) / 3Ir Iex IR Ir - IexRel

luego la corriente en el rel es :

Irele = ( Ir - Iexr ) + ( Is - Iexs ) + ( It - Iext ) Irele = ( Ir + Is + It ) - ( Iexr + Iexs + Iext ) - si el sistema no tiene falla a tierra Irele = - ( Iexr + Iexs + Iext )esta corriente puede originar operaciones incorrectas del rel

Para solucionar este inconveniente es preferible sumar las tres corrientes dentro de un solo ncleo magntico I R IS IT Ir + Is + It

Iex

I rele

I rele = ( Ir + Is + It ) - Iex

En los grficos de a continuacin mostramos un croquis dimensional de un transformador de corriente toroidal seccionable y su montaje :

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TIPOS DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIONExisten bsicamente dos tipos de sistemas de distribucin, sistemas con neutro aislado y sistemas con neutro puesto a tierra, sin embargo existen sistemas intermedios, por ejemplo un sistema puesto a tierra a travs de una resistencia.

Sistemas con Neutro Aislado

A continuacin mostramos un sistema con neutro aislado en la que se indican los fasores de tensin antes y despus de una falla a tierra, en esta se puede observar el corrimiento del neutro ante la falla a tierra, caracterstica importante de este tipo de fallas que permite la generacin de tensiones homopolares que polarizan los rels direccionales.

10 kV

60 kV

A1 A2

G

YDVr Vs Vr Vt

An

Vt

Vs

sin falla

con falla

Sistemas con Neutro Puesto a Tierra

El sistema mostrado es con neutro puesto a tierra. Ante una falla a tierra, el neutro prcticamente no se desplaza, lo cual no permite la generacin de tensiones homopolares o resultan muy pequeas, lo que impedira el uso de rels direccionales.

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10 kV

60 kV

A1 A2

G

DYVr Vs Vt Vr Vs

An

Vt

sin falla

con falla

ANALISIS TEORICO DE LAS FALLAS A TIERRA Sistemas con Neutro Aislado

En el grfico de a continuacin mostramos el comportamiento de las corrientes homopolares en un sistema de distribucin con neutro aislado ante una falla a tierra. Como se puede apreciar, en el alimentador con la falla a tierra existe una corriente desde la barra de la S.E. hacia la falla. Debido a que la conexin en delta del transformador de potencia asla al transformador del sistema de distribucin, de acuerdo a la teora de las componentes simtricas, segn la ley de Kirchoff esta corriente tiene que regresar a la barra a travs de los otros alimentadores y de sus capacidades homopolares teniendo una direccin contraria; es decir, ante un falla a tierra de un alimentador, en todos los alimentadores de la S.E. circulan corrientes homopolares siendo la direccin de la corriente homopolar en el alimentador con falla en un sentido y en sentido contrario en todos los otros alimentadores. Por consiguiente, con la finalidad que la deteccin de la falla sea selectiva, se hace necesario la implementacin de rels direccionales de sobrecorriente homopolar en cada alimentador, en caso de utilizar rels no direccionales, todos los rels operaran.

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10 kVAbierto para la secuencia homopolar

60 kV

Co

A1 A2

G

Co

YDI>o

Co

AnCo falla a tierra

El circuito equivalente para el anlisis de este tipo de fallas ser efectuado de acuerdo a la teora de las componentes simtricas y se muestra a continuacin :

Ef

Z1

Z2 3 Rfalla

SET

Io

C T0

C0

C 0

Vo

donde :

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C T0 = capacidad total homopolar de los alimentadores no involucrados en la falla C 0 y C 0 = capacidad homoplar del alimentador fallado Z1 y Z2 = impedancia de secuencia positiva y negativa del sistema R falla = resistencia de falla a tierra

Debido a que generalmente las reactancias homopolares son mucho mayor que las reactancias de secuencia positiva y negativa del sistema, podemos aproximar el circuito anterior como sigue :

Ef

3 Rfalla SETRele I o Io

C T0

C0

C 0

Vo

donde :

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Io = (3Rf ) 2 +2

Ef 1 w (CTo + Co + Co )2

La

corriente homopolar del rele es: I0 = I0 CT 0

CT 0 + C0 + C0

En una S.E.con varios alimentadores donde CT 0 C0 + C0!!!I 0 I 0 I 0 = Ef

(3Rf )2 +

1

(wCT 0 )

2

V0 =

I 0 wCT 0

Las ecuaciones mostradas las podemos graficar con la finalidad de poder visualizar el comportamiento del sistema en funcin de diferentes capacidades homopolares y de resistencias de fallas a tierra, resultando lo siguiente :

CARACTERISTICA DE OPERACION DE RELES HOMOPOLARES 100 RESISTENCIA 50 DE FALLA 10 A TIERRA (ohm) 400 800 1000 1 2000 200 100 25

Io (amp)

50 0.1 10/3

100

200 300 100/3

500

1000

2000 3000 1000/3 10000/3

Reactancias Capacitivas (ohm) Vo (volt)Rels de sobrecorriente homopolar Rels de potencia homopolar

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Sistemas con neutro puesto a tierra

El comportamiento de las corrientes homopolares en un sistema puesto a tierra se muestra a continuacin, en esta se puede observar que debido al hecho de que el neutro del transformador de potencia est puesto a tierra y que su reactancia homopolar sea mucho menor que la reactancia capacitiva homopolar de los alimentadores, al existir una falla a tierra, prcticamente toda la corriente homopolar retorna a la barra a travs del neutro del transformador de potencia, existiendo corriente solo en el alimentador fallado y no en los otros alimentadores; es por esto que no se justifica la instalacin de rels direccionales, en este caso es suficiente la instalacin de rels no direccionales sensitivos de corriente homopolar. Adicionalmente, en caso de utilizarse rels direccionales estos no operaran debido a que las tensiones homopolares generadas seran muy pequeas, debajo del 1%, los rels direccionales necesitan de 3 a 5 % de tensin para poder polarizarse.10 kV

60 kV

DY

Co

A1 A2

G3Io

Co

Xo

Co

AnCo falla a tierra

De igual manera el esquema de principio es el siguiente :

Ef

Z1

Z2 3 Rfalla

SET

Io

Xo C T0donde :

C0

C 0

Vo

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C T0 = capacidad total homopolar de los alimentadores no involucrados en la falla X 0 = reactancia homoplar del trafo de potencia generalmente Xo o

I rele = 0

Para evitar todos estos inconvenientes, la puesta a tierra de la cabeza terminal de cable debe pasar por el transformador de corriente toroidal, tal como se indica a continuacin :

Trafo de corrienteEnvoltura de plomo

I

Falla a tierraI>o I rele = I

Botella terminal de cable NKY

El montaje de la cabeza terminal debe efectuarse aislndolo de tierra, con la finalidad que la corriente no circule a tierra a travs del soporte del terminal, permitiendo de esta forma que toda la corriente de falla pase por el conductor de puesta a tierra dentro del transformador de corriente, tal como se indicara en el dibujo anterior. El detalle del montaje se muestra en el dibujo de a continuacin.

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arandela aislante plancha aislante

tubo de plstico

arandela aislante

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En sistemas con NPT los rels direccionales no funcionan, deben usarse rels de sobrecorriente no direccional. En sistemas con NPT no deben usarse cargas conectadas al neutro ya que esto impide la discriminacin de las fallas a tierra por los rels de sobrecorriente homopolar. En sistemas con Neutro Aislado, la proteccin direccional de sobrecorriente homopolar solo es posible con ms de un alimentador, en sistemas con NPT es posible con un alimentador. La proteccin en sistemas con Neutro Aislado con un solo alimentador es posible con rels de sobretensin homopolar. Es necesario que se respeten las reas debajo de las lneas areas ya que si el conductor elctrico le cae a una persona, esta sufrir el efecto elctrico y mecnico y luego funcionara la proteccin. Es importante determinar y solucionar el problema de las cadas de conductores, las lneas no se deben caer por temblores, cortocircuitos, etc. por lo tanto es necesario definir calibres mnimos . Hay que darle importancia a la calidad de la ferretera, al montaje de la lnea y a la recepcin de las obras.

23 Con la instalacin de la proteccin de fallas a tierra, es necesario aumentar el periodo del mantenimiento para mejorar la calidad del servicio. Los sistema aislados tienen una ventaja sobre los sistemas puestos a tierra desde el punto de vista de la tensin que se vera sometida una persona ante la cada de un conductor, en los sistemas aislados la tensin fase tierra del conductor cado es baja, mientras que en los sistemas puestos a tierra esta tensin prcticamente no vara con la falla siendo del orden de 5773 voltios para una red de 10 kV. Es importante hacer notar que todas las protecciones existentes en el mundo para que puedan operar primero tiene que existir la falla y despus el rel estara en condiciones de detectar y despejar la falla. Esto significa que la proteccin de sobrecorriente homopolar para que funcione primero tiene que caer el conductor al suelo para generar la corriente homopolar, es decir, si la lnea cae encima de personas o viviendas estas sern sometidas al efecto elctrico y despus operara la proteccin. No existe proteccin alguna que detecte el conductor en el instante que se rompe, ya que en ese momento no existe la corriente homopolar, parmetro determinante que indica la falla a tierra. La resistencia de contacto a tierra de un conductor cado puede tener un margen muy amplio, de cero ohmios hasta casi infinito, sin embargo toda proteccin tiene un rango de operacin y fuera de esta la proteccin no acta, en ese sentido es importante que las fallas a tierra tengan valores que sean capaces de ser detectados por los rels direccionales de sobrecorriente homopolar. De acuerdo a lo mencionado en el prrafo anterior, el diseador de las redes de distribucin areas, debe tratar en lo posible de buscar un recorrido de forma tal que al caerse el conductor se asegure la baja resistencia de contacto a tierra para permitir la operacin del rel direccional de sobrecorriente homopolar. Por lo tanto no es conveniente pasar una lnea area encima de veredas y asfalto ya que se corre el riesgo de que la proteccin no acte. Tambin hay que evitar instalar otros tipos de redes debajo de las lneas areas que impidan que el conductor llegue al suelo al romperse y no ser detectado por la proteccin. Adicionalmente se corre el riesgo que la tensin de 10 kV pase a la red instalada debajo de la lnea con todos los problemas que puede ocacionar esta eventualidad a los usuarios de esas redes, por ejemplo una red telefnica. Para la adquisicin de rels direccionales de sobrecorriente homopolar es muy importante efectuar la consulta sobre el buen funcionamiento de marcas y tipos, a empresas que tienen instalados por muchos aos este tipo de proteccin, como EDELNOR y LUZ DEL SUR, ya que se han dado casos en que los fabricantes aseguran la buena operacin de sus rels y en la prctica no operan. La proteccin direccional de sobrecorriente homopolar tiene una experiencia de casi 20 aos en la zona de Lima, habiendo tenido buenos resultados.

CAA 98.03.10