Conexión a tierra del neutro de los generadores en plantas

Boletín IIE
abril-junio-2014
Artículo técnico
Conexión a tierra del neutro de los
generadores en plantas petroquímicas
Job García Paredes y Gabriel García Gaona
Abstract
This paper describes the transient overvoltages caused by the neutral grounding connection of the generators and transformers during phase
to ground failures in some Mexican petrochemical plants. Analysis of this type of overvoltages generated during phase to ground failures are
shown, it can be seen that severe damages to the generators and other electrical equipments is produced. Unfortunately, these problems occur
rather frequently and produce outages with great economical impact.
A solution to this problem was proposed, by permanently connecting the neutral of all generators with a high resistance scheme using a
grounding transformer. This solution has been presented to petrochemical plants and it has been accepted and finally introduced in one
Mexican plant. Simulation and practice show that no overvoltages are presented by applying this solution.
Introducción
Inicialmente, para mantener
la continuidad de la producción en los centros petroquímicos, el esquema de
conexión a tierra del neutro
de los generadores de energía eléctrica fue establecido
a través del método de baja resistencia con un bus de
neutros asociado.
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Uno de los problemas principales que afectan en
mayor medida la operación de los Centros Petroquímicos de México (CPM) es la interrupción
del servicio de energía eléctrica en los procesos de
producción. La causa principal de las interrupciones es la presencia de fallas que inhiben la continuidad y confiabilidad del servicio de energía
eléctrica. Una causa de falla en el sistema eléctrico
con daños permanentes en los equipos eléctricos
primarios ha sido la ocurrencia de sobretensiones
transitorias. La presencia de este fenómeno está
directamente asociada con la manera de conectar
a tierra el neutro de los generadores eléctricos.
De manera conceptual y diseño original en los
CPM se conecta a tierra únicamente el neutro de
uno de los equipos generadores eléctricos y uno
de los transformadores de enlace con la Comisión
Federal de Electricidad (CFE), por lo que al presentarse una falla de fase a tierra, operan las pro-
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tecciones para liberar la falla, dejando al sistema
eléctrico temporalmente sin referencia de tierra.
Es una práctica común tener un bus de neutros al
cual se conectan todos los generadores a través de
un interruptor.
Las sobretensiones que se han presentado oscilan
entre 10 veces la tensión nominal, lo cual ocasiona arcos en los puntos más débiles del sistema
eléctrico, por ejemplo, los empalmes de los cables
de energía.
Este artículo presenta la experiencia de la Gerencia de Equipos Eléctricos del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en la solución de problemas asociados con la presencia de sobretensiones y
aplicados en la industria de los CPM.
Puesta a tierra del neutro de
los generadores
Inicialmente, para mantener la continuidad de
la producción en los centros petroquímicos, el
esquema de conexión a tierra del neutro de los
generadores de energía eléctrica fue establecido a
través del método de baja resistencia con un bus
de neutros asociado.
El bus de neutros está formado por un tablero con
varios interruptores, dependiendo del número de
generadores. De este tablero se deriva un banco
de resistencias con una magnitud del orden de 8 a
13.2 Ohms (figura 1). Durante la operación normal del sistema eléctrico, solo uno de los interruptores del bus de neutros se encuentra cerrado, el
resto se mantiene abierto.
Figura 1. Esquema de conexión a tierra del neutro de los generadores de un
CPM.
de falla. Si ésta no es liberada correctamente, o la falla sucede en el generador
con el neutro conectado a tierra, es necesario que éste se mantenga en operación. Cuando el generador que se encuentra con referencia a tierra en el neutro sale de operación, el sistema se queda sin referencia intencional a tierra y
puede estar expuesto a la presencia de sobretensiones debidas al fenómeno de
resonancia electromagnética.
La literatura actual recomienda no operar con el neutro flotado debido a que
se pueden presentar sobretensiones peligrosas, las cuales han originado pérdidas cuantiosas y daños a los equipos eléctricos.
Un sistema eléctrico sin referencia intencional a tierra presenta una capacitancia que puede tener una magnitud igual a la reactancia inductiva del circuito del cual forma parte y a una frecuencia de sintonía, la tensión puede
incrementarse en varios p. u. (por unidad).
Durante una falla a tierra, el retorno de la corriente de falla es a través de la resistencia del bus de
neutros. La coordinación de las protecciones de
falla a tierra activará las funciones de protección
ANSI 50/51.
Estadísticamente, las fallas a tierra corresponden a
un porcentaje superior al 90% de ocurrencia, en
comparación con las fallas trifásicas. La coordinación de las protecciones debe estar determinada
de tal manera que la fuente de corriente de falla
sea inhibida y para lograrlo es necesario aislar la
falla o en su caso eliminar la fuente de la corriente
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Considerando el diagrama de la figura 2 con un
sistema en estado estable, donde el generador entrega su potencia a la carga, la corriente que circula por el neutro es prácticamente nula. El generador está conectado a tierra a través de su capacitancia y en el neutro del generador prácticamente
no hay circulación de corriente y hay un voltaje
de tercera armónica del orden de 1 kVpp.
Figura 2. Circuito eléctrico equivalente de un sistema de generación de energía eléctrica en un CPM.
Figura 3. Falla del sistema en la Fase A y trayectoria de retorno de la corriente.
Figura 4. Distorsión del voltaje en las fases no falladas por efecto del corto
circuito.
Análisis de simulación de sobretensiones
Considerando un generador con el neutro flotado, alimentando una carga,
como se muestra en la figura 2, el generador está representado por una fuente en serie con una impedancia. También se muestra la impedancia de los
cables de conexión. Las capacitancias de los cables, bancos de compensación
y supresores de transitorios, también están representadas.
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Cuando ocurre una falla en el sistema hay una corriente de retorno a través de la capacitancia del
generador y se inyecta un voltaje a través del neutro que distorsiona el voltaje aplicado a las fases
no falladas, como puede observarse en la figura 3.
Al inyectar una corriente por la capacitancia del
neutro se eleva el potencial del neutro, de tal forma que el potencial de línea a tierra de las fases se
cambia al voltaje entre líneas por el corrimiento
del neutro. Esta situación, aunque es negativa, se
toma en cuenta en el diseño de los sistemas eléctricos, por ejemplo, los cables de energía se diseñan con un nivel de aislamiento del 133%. Sin
embargo, la situación se torna muy grave debido
a que, por la inyección de corriente de la fase fallada, se distorsiona la forma de onda de las fases
no falladas, quedando excitadas con una forma de
onda que ya no es senoidal. Por la simple interacción de la corriente inyectada por la fase fallada
con las fases libres de falla se obtiene una forma
de onda como la que se muestra en la figura 4,
la cual tiene componentes de frecuencia distintas a la fundamental. Aplicando la Transformada
de Fourier se encuentra la frecuencia de las componentes armónicas de la tensión de fase a neutro
del generador, como se muestra en la figura 5.
Las fases no falladas quedan excitadas con la forma
de onda distorsionada y el sistema entra en resonancia generando sobretensiones y provocando
la falla a tierra de una fase distinta a la que previamente había fallado. En la práctica, la segunda
falla puede ocurrir en un sitio diferente a donde
ocurrió la primera, la condición necesaria es que
la inductancia y la capacitancia estén sintonizadas
para formar un circuito resonante serie, como el
que se muestra trazado en color rojo en la figura 3.
Es importante notar que cuando se tiene un generador conectado a tierra con baja resistencia y ocurre una falla, por el neutro del generador que está a
tierra circularán 600 A y por los que no están co-
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nectados a tierra habrá una circulación de corriente
del orden de 0.5 A, por lo que desde el punto de
vista de la generación de sobrevoltajes por resonancia es obligatorio que todos los neutros de los generadores y transformadores se conecten a tierra.
Solución al problema
A través de los años se ha observado que cuando se
presenta una falla a tierra en el nivel de 13.8 kV,
el relevador de protección del generador que tiene
una referencia a tierra detecta la falla y actúa dejando fuera de operación a este generador. En esta
situación, el sistema de energía eléctrica continúa
operando sin una referencia a tierra. Como no se
tiene una corriente de sensibilidad para las protecciones de la falla, el esquema de protección no
es capaz de liberarla. La corriente de cortocircuito está limitada por la capacitancia del generador
y es del orden de 0.5 A. La corriente de inyección
de la falla a través del neutro produce un voltaje
no sinusoidal en la salida del generador. Esta tensión proporciona el voltaje de excitación de la falla
y es posible que se presente un circuito resonante
en serie. En esta condición puede presentarse una
sobretensión peligrosa. En la práctica se han observado arcos eléctricos entre las barras de los tableros
del orden de 15 cm de distancia con respecto a las
paredes de los mismos, por lo que se estima que las
sobretensiones son del orden de 10 a 12 p. u. Con
el fin de evitar estas sobretensiones por resonancia
es necesario contar con un sistema de puesta a tierra de manera permanente, a través de una alta impedancia. La figura 6 muestra un sistema con conexión a tierra por alta impedancia. En este caso,
cuando ocurre una falla a tierra, la magnitud de la
corriente de cortocircuito está determinada por la
magnitud de la alta impedancia, en este diagrama
es de 5 A. En un esquema con alta impedancia, las
simulaciones mostraron que no se presenta sobretensiones superiores a 1.73 p .u.
La solución práctica consiste en tener un sistema
de puesta a tierra del neutro híbrido, de tal manera que la alta impedancia evite la presencia de
sobretensiones y la baja resistencia permita tener
la corriente de sensibilidad para la operación del
sistema de protección de falla a tierra, de acuerdo con la coordinación de protecciones vigente.
De este modo, la inversión para la implantación
de esta solución consiste en la adquisición de un
Figura 5. Análisis de Fourier de la tensión fase-neutro del generador.
Figura 6. Esquema de conexión a tierra del neutro por el método de alta impedancia para evitar la presencia de sobretensiones por resonancia.
transformador de puesta a tierra conectado en el neutro de las unidades de
generación y a su vez conectado en paralelo con el banco de baja resistencia
actualmente instalado, como se observa en la figura 7.
Finalmente, la figura 8 muestra un transformador de alta impedancia instalado en una planta petroquímica.
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Conclusiones
El esquema de aterrizamiento del neutro actualmente empleado en las plantas petroquímicas de
la República Mexicana para los generadores, ha
provocado serios problemas debido a sobretensiones transitorias por la formación de un circuito
resonante serie, al quedar el sistema eléctrico temporalmente “flotado”.
Figura 7. Esquema híbrido de conexión a tierra del neutro.
Se han observado y analizado múltiples casos donde se han presentado sobretensiones del orden de
10 a 12 p. u., con las consecuencias de destrucción de tableros y generadores eléctricos. Es posible solucionar este problema conectando a tierra
el neutro de los generadores eléctricos a través de
un sistema de puesta a tierra híbrido, formado por
un transformador de alta impedancia conectado al
neutro del generador y a su vez conectado en paralelo con el banco de baja resistencia actualmente instalado. Esta solución práctica y económica
se ha realizado en un CPM y a lo largo de cuatro
años no se han presentado fallas relacionadas con
sobretensiones. Con la solución propuesta se protege y se prolonga la vida útil del equipo de mayor
inversión de un sistema eléctrico, que es el grupo
generador-turbina.
Referencias
Figura 8. Transformador de alta impedancia instalado en un CPM.
J.P. Nelson. System Grounding and Ground-fault Protection in
the Petrochemical Industry: ANeed for a Better Understanding,IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 38, No. 6,
November-December 2002, p. 1633–1640.
B. Bridger, Jr, High Resistance Grounding. IEEE Transactions
on Industry Applications, Vol. IA-19, No. 1, Jan./Feb. 1983,
p. 15-21.
Charles J Mozina, P.E. Upgrading the Protection and Grounding
of Generators at Petroleum and Chemical Facilities, IEEE, Paper
No. PCIC-2004-6.
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Artículo técnico
JOB GARCÍA PAREDES
[jgarcia@iie.org.mx]
Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por la SEPI-ESIME del Instituto Politécnico Nacional
(IPN) en 2004. Ingeniero Eléctrico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM)
en 1996. Ingresó al IIE en 1996 a la División de Sistemas Eléctricos. Actualmente es investigador
de la Gerencia de Equipos Eléctricos, donde colabora en proyectos relacionados con el diseño y
operación de sistemas eléctricos de potencia de mediana tensión y su influencia en los equipos
eléctricos. Ha participado como ponente en diferentes congresos nacionales e internacionales relacionados con su área de investigación. A la fecha ha sido autor de 42 artículos publicados y de
divulgación, y de 3 derechos de autor en la categoría de software y obra literaria. Recientemente
publicó el capítulo 9: Resonance in Electrical Power Systems of Petrochemical Plants, del libro Petrochemical, Editorial Intech, marzo de 2012.
GABRIEL GARCÍA GAONA
[ggarcia@iie.org.mx]
De izquierda a derecha: Job García Paredes y Gabriel García
Gaona.
Ingeniero Electromecánico por el Instituto Tecnológico de Zacatepec. En 2005 ingresó a la Gerencia de Equipos Eléctricos como becario de prácticas profesionales y posteriormente del programa
en Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT). A partir de 2006 se desempeña como investigador dentro de esta misma Gerencia. Actualmente participa en proyectos relacionados con el
análisis, especificación y diseño de sistemas eléctricos industriales. Colaboró como coautor en artículos nacionales e internacionales y recientemente participó en el capítulo 9: Resonance in Electrical
Power Systems of Petrochemical Plants, del libro Petrochemical, Editorial Intech, marzo de 2012.
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