Sistemas de puesta a Tierra, sistemas electricos

(1)

(2)

Agenda

Jueves 12 de Abril

• 7:30 – 8:30 Desayuno y Registro

• 8:30 – 9:45 Introducción y Dinámica de Grupo • 10:00 – 11:15 PAT de Sistemas Eléctricos y RPT • 11:30 – 12:45 PAT Solida y por Baja Resistencia

• 13:00 – 14:00 Almuerzo

• 14:00 – 15:45 PAT Flotante y por Alta Resistencia • 16:00 – 17:45 Otros productos

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Agenda

• Viernes 13 de Abril

• 7:30 – 8:30 Desayuno

• 8:30 – 10:45 Visita a Planta de Manufactura • 11:00 – 12:45 Aplicaciones

• 13:00 – 14:00 Almuerzo

• 14:00 – 15:45 Configuración y Especificación

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Sesión 1

• Puesta a Tierra (PAT) de Sistemas

Eléctricos

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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.

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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

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¿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

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¿Para qué conectar a tierra?

• Incrementar seguridad del personal • Proteger equipos y producción

• Detectar fallas • Minimizar impacto

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¿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.

(10)

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.

(11)

(12)

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

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Parámetros críticos

• Máxima corriente de la malla (I_G) • Duración de falla y de choque (t_F, t_S) • Resistividad del suelo (r)

• Resistividad de superficie del suelo (r_S) • Geometría de la malla

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Tipos de Referencia a Tierra

No aterrizados o flotantes

Aterrizados solidamente

Aterrizados por resistencia: -Baja Resistencia

-Alta Resistencia

3 fases, 3 ó 4 hilos

3 fases, 3 hilos 3 fases, 3 hilos

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Productos I-Gard

Alarma GADD Localizador Turbo Sleuth FLOTANTES Sistema Fusion Relé MGFR SOLIDOS Gemini Semáforo Detective Alarma GADP Relé DGF-CT DSA/DSP Resistencias GFR-RM Localizador Turbo Sleuth RESISTIVOS

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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

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Resistencia de Puesta a Tierra

SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR

RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

VOLTAJE LINEA - NEUTRO

VOLTAJE LINEA-NEUTRO = VOLTAJE DEL SISTEMA / 1.732 VOLTAJE DEL SISTEMA

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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

(19)

IEEE

IEEE Std. 142-1991

1.4.3 Las razones para limitar la corriente por resistencia son:

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 de voltaje de linea ocasionado por ocurrencia de fallas y disparo de reles.

6. Asegurar control de sobrevoltajes transitorios y

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Tipos de PAT por Resistencia

• Baja Resistencia (Mayor corriente)

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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

(22)

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

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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

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Tendencia

Sistema no aterrizado o flotante Sistema solidamente aterrizado Sistema aterrizado por baja resistencia Sistema aterrizado por alta resistencia

Sobrevoltajes Severos Limitados Limitados Limitados

Daño por sobrecorriente

en punto de falla Impredecible Severo Mínimo Ninguno

Costos de

mantenimiento Altos Altos Razonables Bajos

Operación continua con falla a tierra

Posible pero no

recomendada No es posible No es posible Posible

Coordinación de relés (Disparos apropiados, fácil localización de

fallas) Dificil Dificil Bueno Excelente

Personal Nivel de seguridad Bajo Bueno Razonable Excelente

Daño a equipos Producción detenida Impacto en productividad Tipo de sistema

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Secundario en Delta

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

(26)

(27)

Clasificacion de RPT

• Estandar IEEE-32

– Elevación de temperatura

– Pruebas de potencial aplicado – Pruebas dielectricas

– Pruebas de tolerancia resistiva • Tiempo de operación

– 10 Segundos - Elevación de 760 grados C. – Un minuto - Elevación de 760 grados C. – 10 Minutos - Elevación de 610 grados C. – Tiempo extendido - Elevación de 610 grados C. – Continuo - Elevación de 375 grados C.

(28)

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.

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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

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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.

(31)

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

(32)

Elementos: Wirewound

• Alambre devanado

• Generalmente para operación continua

• Temperatura baja • Alambre niquelcromo • Cilindros de porcelana

• ( Maxima Elevacion permitida de 375 grados C.)

(33)

Elementos

• Rejilla Troquelada – Placas estampadas de acero inoxidable – Soldadas individualmente – Multiples puntos de conexión – Tornillería y accesorios de acero inoxidable

– Muy alta duración

(34)

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 Material 2

AISI 304 Nickel Cromo Acero Cromo Aluminio 1JR (Ohmalloy) Coeficiente 0.001 ohms / °C 0.00012 ohms / °C

R_INICIAL= 8000 / 1000 = 8 ohms 8000 / 1000 = 8 ohms

R_10S 8 * (1+0.001 * 760) = 14.08 ohms 8 * (1+0.00012*760) = 8.7 ohms Corriente de Falla 8000 / 14.08 = 568 A 8000 / 8.7 = 919 A

(35)

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

(36)

Instalación y mantenimiento

• Transporte • Recepción • Instalación • Inspección

• Conexión de terminal neutro • Conexión de terminal tierra • Mantenimiento

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Sesión 2

• Puesta a Tierra de Neutro

Sólida y por Baja Resistencia

• Productos:

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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

(39)

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:

(40)

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:

(41)

Daños vs. kW Ciclos

100 Lugar de falla identificable por inspección marcas en metal y manchas de humo

5000 Daños mínimos pero existentes en equipos y aislamiento

10,000 Falla contenida en los gabinetes

20,000 Destrucción de equipos contiguos

(42)

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

(43)

Ejemplo de daño

(20,000 Kilowatt ciclos)

(44)

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.

(45)

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

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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

(47)

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

(48)

Sistemas aterrizados por

resistencia

SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR

RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

VOLTAJE LINEA - NEUTRO

VOLTAJE LINEA-NEUTRO = VOLTAJE DEL SISTEMA / 1.732 VOLTAJE DEL SISTEMA

(49)

Ventajas

Desventajas

• Hay que separar cargas monofásicas

(50)

IEEE

IEEE Std. 142-1991

1.4.3 Las razones para limitar la corriente por resistencia son:

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 de voltaje de linea ocasionado por ocurrencia de fallas y disparo de reles.

(51)

Pusta a tierra por resistencia

Ventajas

Desventajas

(52)

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.

(53)

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

(54)

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.

(55)

(56)

Sensores de Corriente

• Conexión

Residual

Ig=Ia+Ib+Ic+In

A B C LOAD RELAY I_A I_B I_N I_C I_G Relé Carga

(57)

Sensores de Corriente

• Secuencia Cero

IG = 0, IL - IN = 0 y IS = 0 Si IG > 0, IL - IN = IG y IS = IG/n RELAY LOAD A B C G IG IA IB IC

(58)

Sensores de Corriente

• Secuencia

Cero

R A B C N Load 1 Load 2

(59)

Sensores de Corriente

• Ground Strap

R Ground Strap Sensor A B C GF Relay

I

_G

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Coordinación por Tiempo

Transformador ejemplo: – 1000 kVA, 5% de impedancia – Corriente de falla I_G=20kA – KWC = 48,000 (<10,000 es aceptable) 10 t G I KWC= × × ≈ 1000 t Va G I I_{G =}_Amperes Va = 100V t = ciclos 24 Ciclos (0.4 segundos) 12 Ciclos (0.2 segundos) 6 Ciclos (0.1 segundo) R R R

(61)

Relé MGFR

Protección Selectiva

Instantanea por Zona

–ZSIP-Permiten responder

instantaneamente en caso de falla disparando solo la zona donde ocurrió la falla.

Esto se logra mediante un protocolo de comunicación entre los relés: Los reles no dispararán si algún relé aguas abajo detectó la falla.

100A 100A

30A

10A, INST 3A, INST 10A, INST

100A 0.5 SEG

(62)

Rele de falla a tierra: MGFR

• Selectivo – identifica alimentador fallado

5 A NGR 1 A PICKUP 1 A PICKUP 1 A PICKUP 1 A PICKUP R R R R

(63)

Características del MGFR

• Basados en microprocesador

• Utilizan sensores de corriente de secuencia cero

• En una falla el relé calcula el valor RMS

• Si esta arriba del valor especificado disparará para abrir el interruptor correspondiente

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Control, Disparo, Inhibición

V

F

Disparo

Inhibición

MGFR-1-AB

240

50 DMT

NO

MGFR-x-AB

240

50 DMT/IDMT

NO

MGFR-1-ZB

120

60 DMT

NO

MGFR-x-ZB

120

60 DMT/IDMT

NO

MGFR-SE-ZB

120

60 DMT

SI

x= 2, 20, 200, 1200 DMT = Tiempo minimo definitivo

IDMT = T. min. definitivo inverso

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Corrientes de disparo

MGFR-1 : 0.01A, 0.02A, 0.03A, 0.04A, 0.05A, 0.07A, 0.10A, 0.20A

MGFR-2: 0.1A, 0.2A, 0.3A, 0.4A, 0.5A, 0.7A, 1.0A, 2.0A

MGFR-20: 1.0A, 2.0A, 3.0A, 4.0A, 5.0A, 7.0A, 10.0A, 20.0A

MGFR-200: 10A, 20A, 30A, 40A, 50A, 70A, 100A, 200A

MGFR-1200: 100A, 200A, 300A, 400A, 500A, 700A, 900A, 1200A

(66)

Características DMT

• 8 curvas disponibles

• Poner interruptor CURVE SELECT en DMT • Modelos 1 solo operan en DMT

• Seleccionar curva deseada con interruptor tipo DIP • El relé disparará de acuerdo al tiempo programado

(67)

Tiempos de disparo

MGFR-1,2,20-ZB:

Inst. 0.1 sec, 0.2 sec, 0.4 sec,

MGFR-1,2,20-AB :

0.6 sec, 1.0 sec, 3.0 sec, 5.0 sec.

MGFR-200-ZB,-AB: Inst. 0.1 sec, 0.2 sec, 0.3 sec

MGFR-1200-ZB:

Inst. 0.1 sec, 0.2 sec, 0.3 sec

MGFR-1200-AB: 0.4 sec, 0.6 sec, 0.8 sec, 1.0 sec.

(68)

Características IDMT

• Dos conjuntos disponibles

• Para MGFR-2 y MGFR-20

• Para MGFR-200 y MGFR-1200

• La pendiente es de 63

º

(69)

Curvas de disparo Inverso

• T (M1.96_{) =K para 1.2 < M < 10}

• M = Multiplo de corriente de disparo • T = Tiempo de disparo en segundos • K = Constante del relé

(70)

Display

• 3 dígitos indican multiplos de corriente de disparo detectada

• Luz verde indica que esta energizado • Mide corriente cada 2ms

• Despliega resultados cada segundo

(71)

Indicador de disparo

• Modelos SE cuentan con indicador

eletromagnetico (Rojo/Negro)

• Los demás modelos cuentan con

indicador de LED rojo

• Todos cuentan con botón de reajuste

• Se recomienda tomar alimentación de

(72)

Reajuste

Lo modelos ZB pueden autoreajustarse o reajustarse manualmente (SELF/MANUAL

RESET) – seleccionar mediante jumper en parte trasera del relé.

(73)

Coordinación

• TCP = Time Coordinated Protection (Coordinación por Tiempo)

• ZSIP = Zone Selective Instantaneous Protection (Coordinación por Zona)

(74)

Relé DGF-CT

(75)

Relé DGF-CT

El relé DGF-CT es una solución de bajo costo para detectar fallas a tierra en sistemas de bajo voltaje aterrizados

solidamente o mediante resistencia.

Protección

Proporciona contactos normalmente aislados normalmente abiertos y normalmente cerrados para alarmar o disparar.

Detección

Trabaja detectando corrientes de secuencia cero mediante su sensor de corriente integrado. Permite tambien la conexión de sensores externos. Sus niveles de disparo y retraso de

(76)

DGF-CT

(77)

Relé GFR-RM

Rele de falla a tierra y monitoreo de resistencia

Para sistemas de hasta 27.6 kV.

Nivel y tiempo de disparo ajustables.

(78)

Conexión GFR-RM

FIGURE 1 - TYPICAL GFR-RM FIELD CONNECTIONS

POWER SOURCE ST NEUTRAL GROUNDING RESISTOR C.B. % 100 80 60 40 20 0 0-1mA AMMETER WITH 0-100% SCALE + 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

P N TRIP RELAY ZONE I/L TEST RESET AUX. TRIP RELAYS RES. METER NGR FAULT GND FAULT SENSING CT G/F 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 S G + -RESET NGR MONITOR ZONE GR OFF ON GND NGR POWER FAULT FAULT ON

G/F TRIP SET NGR SET

MODE DELAY LEVEL CURRENT

+

GFR-RMNGR-GF MONITOR

IPC RESISTORS INC.

TEST 600Vac NEUTRAL NGRS-6 REMOTE TEST REMOTE RESET R RELAY

(79)

Sistema FUSION

Patent No. 5 867 358

Deteccíón

El sistema Fusión funciona de manera similar al Semáforo o al Detective avisando de inmediato visual o audiblemente en caso de ocurrencia de una falla a tierra..

Protección

Este sistema proporciona adicionalmente una trayectoria de aterrizamiento sólido paralela a la trayectoria de aterrizamiento por alta resistencia. En condiciones normales el sistema operará como un sistema solidamentre aterrizado pero en caso de falla a tierra la trayectoria sólida se abrirá y la trayectoria de alta resistencia protegerá al personal, los equipos y la producción. También es posible que la trayectoria adicional a tierra sea de baja resistencia. Esto es útil sobre todo para aterrizar generadores de modo que para fallas en el generador el aterrizaje sea por alta resistencia y para fallas en las cargas sea por baja resistencia permitiendo la coordinación adecuada de las protecciones.

(80)

FUSION

• FUSION es un sistema de puesta a tierra de alta

resistencia selectivo coordinado con alta corriente de

primera falla.

• Este sistema se convierte de una puesta a tierra sólida

en una de alta resistencia reduciendo inmediatamente la

corriente de falla. Esto permite mantener la falla en el

sistema sin causar daños y sin interrupciones no

planeadas.

• Para fallas en equipos menores o alimentadores

pequeños permite que dispare el dispositivo de

sobrecorriente para liberar la falla manteniendo la

puesta a tierra sólida.

(81)

Componentes del FUSION

• 1.Dispositivo Limitador de Corriente

– Tal como un fusible limitador de corriente ó interruptor de circuito proporcionan un camino a tierra de baja impedancia para que circule la corriente de falla a tierra.

– La selectividad y coordinación tiempo-corriente se mantiene cuando las características de tiempo-corriente del dispositivo de protección del ciercuito en el sistema Fusion está

diseñado para coordinarse con los dispositivos de protección de sobrecorriente. Esto

asegura que el dispositivo de sobrecorriente ó falla a tierra más cercano a la carga dispare y aísle el equipo fallado.

• 2. Resistencias de Puesta a Tierra de Alta Resistencia

– Su función es limitar las corrientes de falla a tierra a niveles no peligrosos bajo una condición de falla de fase a tierra. Esto proporciona al usuario la oportunidad de mantener la

continuidad del proceso, detectar y liberar la falla.

• 3. Sistema Pulsante Automático (Opcional)

– El sistema limitará cíclicamente la falla al 100%, 75% y 50% de la corriente de falla a tierra disponible. El pulsado cíclico combinado con el sensor de rastreo manual le da mayor

ventaja al usuario para rastrear el circuito con falla al punto de la falla en complejos sistemas de distribución sin desenergizar la carga.

• 4. Relevador y Transformador Detector de Falla a Tierra

– Este relevador microprocesado mide la corriente de falla a tierra utilizando un transformador de corriente de secuencia cero y filtra las armónicas para evitar disparos en falso.

(82)

Sesión 3

• Puesta a Tierra de Neutro

Flotante y por Alta Resistencia

• Productos:

GIL, GADD, GADP, SEMAFORO,

GEMINI, DETECTIVE, DSP-OHMNI,

SENTINEL

(83)

Puesta a Tierra Flotante

• Popular en sistemas de bajo voltaje de 3-hilos hasta los 50s

• Industrias y plantas de tratamiento de agua

• Corrientes de falla despreciables y sin disparo en la primera falla fase-tierra • Dificultan la localización de fallas

• Elevación de voltaje de hasta 5-6 veces el voltaje del sistema con fallas

interminentes debido a la acumulación de cargas en el sistema (efecto

(84)

Sistemas no aterrizados

A

C B

Secundario

No hay conexión entre conductores y tierra física

El acoplamiento capacitivo genera un “Aterrizaje capacitivo”

(85)

Sistemas no aterrizados

Problemas: Costos por daño a equipos

Dificultan la busqueda de fallas

Producción detenida mientras se encuentra la falla Muy expuestos a segundas fallas

Ventaja: No hay que detener operación al ocurrir la primer falla

IEEE Std 242-1986

7.2.5 Los sistemas no aterrizados no son mejores que los sistemas aterrizados por alta resistencia en cuanto a continuidad de servicio y

tienen las desventajas de permitir sobrevoltajes transitorios, de dificultar la localización de la falla y de incrementar la posibilidad de aparición de fallas adicionales que pueden ser catastroficas. Por estas razones se usan

cada vez menos y frecuentemente se sustituyen por sistemas de alta resistencia.

(86)

Sistemas no aterrizados

A A B C C B Voltaje fase-fase Cada fase esta a un

Voltaje fase-neutro Respecto a la tierra

(a)

La fase C esta ahora Esta a potencial de tierra No hay flujo de corriente Hacia la fuente.

Las fases A y B estan ahora a un Voltaje fase-fase respecto a tierra

Punto neutro establecido Por capacitancia distribuida Relaciones de voltaje (b)

En caso de falla fase-tierra las otras dos fases presentarán un voltaje 1.73 veces mayor que el normal.

La capacitancia distribuida podrá ocasionar sobrevoltajes transitorios varias veces superiores al voltaje fase-tierra. Esto podrá causar fallas en otros puntos ya que los niveles de aislamiento no serán suficientes. Si la segunda falla es en otra fase tendremos muy altas corrientes fase-fase y en consecuencia daños severos.

(87)

Corriente de carga capacitiva

A B C I_C0 I_C0 I_C0

(88)

Falla a tierra en sistemas flotantes

N 60° B C A N 120° B C A G No Ground Fault

Full Ground Fault on Phase B N

B

C A

50% Ground Fault on Phase B G

(89)

Corriente de carga capacitiva 3I

_C0

A B C I_F = 3I_C0 I_C0 3 3I_C0

(90)

Luces indicadoras GIL

• Minimo requerido por el código

• Indican visualmente la fase con falla • Cumplen regla 10-106(2) del CEC

(91)

Luces indicadoras GIL

• Se colocan en lugares de dificil acceso (cerca de cada transformador)

• Pueden dar indicación erronea (Fusible o foco fundido) • No es facil apreciar la magnitud de la falla

(92)

Alarma GADD

Alarma modular con:

•Indicador de fase con falla •Indicador de nivel de falla •Ajuste de nivel de alarma en caso de falla

(93)

Alta Resistencia

• Limita la corriente de falla limitada a valores menores de 10A (Tipicamente 5A)

• Se encuentra generalmente en sistemas de bajo voltaje

• Debe limitar la corriente a valores mayores que la corriente de carga por capacitancia a tierra del sistema

(94)

Beneficios

• Evita el tener que interrumpir la producción en caso de falla fase-tierra

• Facilita la localización del punto de falla sin desenergizar alimentadores

• Permite tolerar la falla hasta que sea factible aislarla o corregirla • Puede agregarse a sistemas flotantes sin necesidad de costosos

(95)

IEEE

IEEE Std 242-1986

7.2.4 El aterrizaje por alta resistencia limita la falla a una magnitud predeterminada. Esto hace posible utilizar reles de falla a tierra para identificar el alimentador con falla.

IEEE Std 141-1993

7.2.2 El aterrizaje por alta resistencia tiene las ventajas de los sistemas flotantes pero limita los sobrevoltajes asociados con esos sistemas. Además son inmunes a las fallas por arco que ocurren en sistemas solidamente aterrizados ya que limita la corriente de falla a alrededor de 5 amperes.

(96)

IEEE (Cont.)

IEEE Std. 142-1991

1.4.3 Las razones para limitar la corriente mediante aterrizaje por resistencia son:

1) Para reducir el riesgo de que los equipos con falla, tales como tableros, transformadores, cables y motores, se quemen o se derritan.

2) Para reducir estrés mecánico en circuitos y aparatos por los que podrían circular corrientes de falla.

3) Para reducir riesgo de choque electrico al personal causado por corrientes de falla perdidas en su trayectoria de regreso a tierra.

4) Para reducir riesgo de arco electrico al personal que podria causar o estar cerca de la corriente de falla.

5) Para reducir la caida momentanea en el voltaje ocasionada por la falla y su interrupción.

6) Para controlar los sobrevoltajes transitorios al mismo tiempo que se evita la necesidad de interrumpir la operación del circuito en que ocurrio la primera falla.

(97)

CEC

Código Eléctrico Canadiense Regla 10-1102 (3):

Cuando se use un dispositivo de puesta a tierra en un sistema de 5kV o menor, el sistema deberá poder ser desenergizado

automaticamente al detectar la falla a menos que:

– La falla a tierra se limite a 5 A o menos; y

– Se proporcione una alarma visual o audible, claramente identificada, para indicar la existencia de una falla a tierra.

(98)

(99)

(100)

(101)

(102)

Alarmar o Disparar

• La puesta a tierra por resistencia no es suficiente

• Hay que detectar la falla y tomar una acción rápidamente: Alarmar o Disparar

(103)

Corriente de falla

A B C R X_C0 X_C0 X_C0 3I_C0 I_R

( ) (

)

2 0 2

3

_C R F

I

=

+

(

3

₀

)

At

minimum

fault

current,

3

₀

2

_C _R _C

F

I

(104)

Sistemas de Alta Resistencia

Semáforo Detective GEMINI FUSION Agregar localizador de fallas Agregar redundancia y monitoreo de resistencia Agregar switch y segunda trayectoria a tierra en paralelo

(105)

Sistema SEMAFORO

Detección

El sistema tiene 3 lamparas de colores rojo, verde y ambar. La roja indica falla a tierra activa, la verde indica que no ha habido fallas en el sistema y la luz ambar indica que hubo alguna falla.

Protección

Permite que su instalación electrica trabaje en forma segura aún con una falla a tierra. Reduce significativamente el posible daño a equipos y protege al personal contra fallas a tierra al limitar la corriente de falla a un nivel mínimo.

Localización

Existe un modelo del Semáforo que es compatible con el módulo generador de pulsos. Este Semáforo ha sido diseñado especialment para instalaciones con multiples transformadores. La utilización de este módulo externo permitirá localizar el punto exacto de la falla mediante la generación de pulsos detectables con un sensor de corriente flexible portatil sin interrumpir la producción.

(106)

SEMAFORO

• El STOPLIGHT es un sistema de puesta a tierra de alta resistencia completo y económico que proporciona una amplia protección al sistema contra fallas a tierra dañinas. Utilizando un simple pero efectivo sistema de tres lámparas, el Stoplight proporciona

indicación visual y remota para avisar al personal de operación y mantenimiento de fallas a tierra.

• Una luz roja indica un falla a tierra activa, una luz ámbar indica que ha ocurrido una falla a tierra pero que es intermitente y una luz

(107)

Componentes del SEMAFORO

• Resistencia de Puesta a Tierra de Alta Resistencia

– Su función es limitar las corrientes de falla a tierra a niveles no peligrosos bajo una condición de falla a tierra monofásica. Esto

proporciona al usuario la oportunidad de mantener la continuidad del proceso y detectar y liberar la falla.

• Relevador y Transformador Detector de Falla a Tierra

– Mide la corriente de falla a tierra utilizando un transformador de

secuencia cero. Filtra armónicas para eliminar la posibilidad de disparos en falso.

• Sistema Pulsante Automático (opcional)

– Limitará cíclicamente la falla al 100%, 75% y 50% de la corriente de falla a tierra disponible.

• Sensor Portátil (para usarse con sistema pulsante opcional)

– Permite seguir los pulsos desde su fuente hasta el lugar específico de la falla. Una vez que se localiza la falla, puede ser aislada y reparada.

(108)

GEMINI

Patent Serial No. 09/656 328

Detección

El Gemini contiene una resistencia de puesta a tierra (Alta resistencia) y un relé de falla a tierra y monitoreo de resistencia. Es posible programar los valores de falla a tierra a los que se disparará la alarma o se interrumpira el circuito. Este relé también alarmará o disparará cuando la el valor de la resistencia de puesta a tierra sea mayor que el 150% o menor que el 70% de su valor programado.

Protección

La resistencia de puesta a tierra tiene una trayectoria redundante por lo que si una de ellas llegara a fallar la segunda seguira proporcionando protección al sistema.

(109)

GEMINI

• El GEMINI es un sistema integrado de puesta a tierra de neutro tolerante a fallas y con monitoreo de resistencia.

• Este sistema patentado tiene un altísimo nivel de tolerancia a fallas ya que combina un sistema de resistencia redundante con un relé que monitorea su integridad contra cualquier variación.

• Proporciona protección contra problemas que comprometan la integridad de la resistencia, incluyendo cortos circuitos o circuitos abiertos, además de limitar cualquier falla a tierra a niveles seguros y predeterminados y alarmar en caso de cualquier falla.

• Si empezara a fallar alguna de las resistencias, el sistema dará una alarma y continuará proporcionando la protección necesaria hasta que el problema sea resuelto.

(110)

Componentes del GEMINI

1.Unidad de Puesta a Tierra de Alta Resistencia

Limita las corrientes de falla a tierra a niveles que no ocasionen problemas.

Resistencias en paralelo que forman dos trayectorias identicas. Dimensionadas para limitar las corrientes de falla fase-tierra a valores predeterminados. En caso de falla de alguna resistencia, la otra continuará limitando la falla a tierra a la mitad de los

niveles predeterminados y seguirá proporcionando protección. Adicionalmente una alarma indicará la falla de la resistencia.

(111)

Componentes del GEMINI

2. Relé de Falla a Tierra con Monitoreo de Resistencia (GFR-RM)

En conjunto con un sensor de resistencia y un sensor de corriente, el

GFR-RM mide la corriente a través de la resistencia de puesta a tierra, el voltaje de neutro a tierra y el valor óhmico de la resistencia; compara los valores medidos contra sus parametros ajustables y al detectar

condiciones anormales proporciona salidas de relé y señales luminosas.

El GFR-RM es el único relé capaz de discriminar entre fallas a tierra, fallas de la resistencia, corto circuito y circuito abierto. La unidad dispara en 1.5 segundos después de detectar una falla en la resistencia. Esta condición se determina cuando la resistencia baja a menos del 66% o sube a más del 150% de su valor nominal.

(112)

Componentes del GEMINI

3. Capacidad de Pulsos (Opcional)

La corriente de falla fase-tierra se limitará cíclicamente al 100%, 75% y 50% de la corriente máxima permitida de falla a tierra. Este tren de pulsos podrá rastrearse fácilmente con un

multímetro y un sensor de de corriente flexible portátil

(TS-SENSOR) permitiendo la localización rápida del punto de falla incluso en sistemas de distribución complejos sin necesidad de desenergizarlos.

(113)

(114)

TS-SENSOR

(115)

(116)

GADP

• Rele de falla a tierra por detección de voltaje

(117)

Relé GADP

El relé GADP es una alarma de falla a tierra compacta con indicadores de fase y magnitud de falla. Mide solo 8”x 8” por lo que puede colocarse dentro de gabinetes de tamaño reducido.

Cuenta con la posibilidad de generar pulsos en conjunto con la resistencia de puesta a tierra tipo Ohmni. Estos pulsos permitirán localizar la

ubicación exacta de la falla sin tener que desconectar el sistema.

(118)

Relé GADP

• Ideal para sistemas de potencia con puesta a tierra por medio de resistencia donde se requiere indicación de la severidad de la falla, indicación de la fase fallada y la capacidad de localizar la falla.

• Opera bajo el principio del cambio de voltaje de línea a tierra que se presenta cuando ocurre una falla en una de las líneas de un sistema con puesta a tierra con alta resistencia.

• Para propósitos de medición, se utiliza un divisor de voltaje I-GARD tipo DDR2 el cuál proporciona una señal de baja tensión

proporcional para indicar cuál fase ha fallado y el nivel de falla como un porcentaje del máximo nivel de falla del 100% (representando un corto circuito de fase a tierra)

(119)

Relé GAPD

RESISTOR DIVIDER SENSING NETWORK

VOLTAGE SENSING RELAY

(120)

Sistemas de Puesta a Tierra

SLEUTH (DETECTIVE)

(121)

DETECTIVE

Detección

El Detective cuenta con un sensor de corriente de falla, un relé que indica visual (y opcionalmente en forma auditiva) la ocurrencia de una falla a tierra y su magnitud. Además cuenta con un sistema generador de pulsos que permitirá al personal de mantenimiento localizar el punto exacto de la falla sin perjudicar la operación de los equipos conectados al sistema.

Protección

El Detective también incluye una resistencia de puesta a tierra que limitará las corrientes de falla fase-tierra a niveles no perjudiciales (Alta resistencia).

Localización

Localizar fallas a tierra es muy sencillo con el Detective. Basta activar la generación de pulsos y seguirlos hasta el lugar donde se encuentra la falla. Una vez encontrado el punto de falla es posible decidir si se separa dicha sección del sistema o si es mejor esperar al siguiente paro programado.

(122)

DETECTIVE

• El Detective™ es un sistema integrado de Alta Resistencia para puesta a tierra del neutro de

generadores y transformadores que limita las corrientes de falla fase-tierra a niveles no dañinos.

• Este equipo alerta inmediatamente al personal de mantenimiento en caso de fallas a tierra y permite la rápida localización del punto exacto de la falla sin tener que detener los procesos productivos y sin poner en riesgo al personal y a los equipos.

(123)

Componentes del DETECTIVE

• Resistencias para Puesta a Tierra por Alta Resistencia

– limitan las corrientes de falla a niveles no peligrosos bajo condición de falla fase-tierra.

– Permiten de mantener continuidad en procesos mientras se libera la falla.

• Sensor de corriente flexible portátil

– Permite seguir los pulsos desde el Detective™ hasta el punto exacto donde se encuentra la falla. Puede ordenarse con

circunferencias de 61cm SENSOR) ó 122cm (TS-SENSOR-48).

(124)

Componentes del DETECTIVE

• Sistema Pulsante Automático

– Limitará la falla cíclicamente al 100%, 75% y 50% de la corriente de falla a tierra. El pulsado cíclico combinado con el sensor

portátil ayudarán al usuario a localizar rápidamente el punto de falla aún en sistemas de distribución complejos y sin necesidad de desenergizarlos o de desconectar las cargas.

• Relé con Transformador Sensor de Falla a Tierra

– Este relevador digital basado en microprocesador mide la corriente de falla a tierra utilizando un transformador de

secuencia cero integrado que mantiene su precisión sobre un rango de 45 a 65Hz y filtra las armónicas para eliminar la

(125)

TURBO DETECTIVE

Detección

El Turbo Detective opera de manera similar al Detective con la diferencia de que es movil. Esto permite contar con las ventajas del detective sin tener que instalar uno en cada transformador siempre y cuando no se tenga el neutro distribuido.

Protección

El Turbo Detective también incluye una resistencia de puesta a tierra que limitará las corrientes de falla fase-tierra a niveles menores a 10 amperios (Alta resistencia).

Localización

Para localizar fallas a tierra con el Turbo Detective bastará conectarlo a tierra y a las tres fases del sistema con falla, activar la generación de pulsos y seguirlos hasta el lugar donde se dejen de observar. Una vez encontrado el punto de falla es posible decidir si se separa dicha sección del sistema o si es mejor esperar al siguiente paro programado.

(126)

Relé DSP OHMNI

Selectividad en lainterrupcion en caso de una segunda falla a tierra.

(127)

Relé DSP OHMNI

Diseñado para generar alarma sin disparar en caso de ocurrir una falla a tierra. Este relé tiene indicadores de fase, magnitud y

alimentador con falla.

Es el único que ofrece protección contra segunda falla gracias a su sistema SIFT (Disparo selectivo instantaneo) que permite al usuario priorizar los alimentadores de modo que al ocurrir la segunda falla solo se disparará el alimentador de menor prioridad manteniendo el funcionamiento del resto del sistema.

Además cuenta con un módulo generador de pulsos que permitirá encontrar la ubicación exacta de la falla sin tener que deconectar el sistema.

(128)

(129)

Nuevas características del DSP OHMNI

• Comunicación Modbus

• Seguridad mejorada – Detección de corrientes de arranque evita los incomodos disparos falsos

provocados por altas corrientes de arranque

• Montable en riel DIN – requiere mucho menos espacio en tableros – ahora cabe en secciones de 22” de ancho

(130)

Relé DSP OHMNI

DDR2 25VA CPT 120V OHMNI-PM NGR MAIN BUS HORN 1A PULSE SIGNAL DSP-DSM ZSCS BREAKER TRIP SIGNAL ALARM CONTACTS A B C N G A BCN G POWER AC/DC TRIP CONTACT SEN SOR IN PU T DSP-DFM LOADS DSP-DFM DSP-DPS DSP-DM RS-485 TO NETWORK DSP-DFM DSP-DFM 1A 1A N G 20 COND RIBBON

(131)

Sesión 4

• Otros Productos:

Rele Minero GCHK-100

DGF-CT-A

(132)

(133)

Relé Minero GCHK-100

• Para atender las necesidades especiales de la minería, I-Gard ha desarrollado el relevador de falla a tierra GCHK-100. Este relevador incrementará la seguridad del personal y el equipo en aplicaciones sobre y bajo tierra. La detección de fallas a tierra es importante para evitar descargas eléctricas y riesgos de incendio que al ocurrir

podrían causar serios daños.

• El GCHK-100 ha sido diseñado para usarse en sistemas aterrizados por resistencia de hasta 4160V así como en circuitos de sistemas aterrizados cuando la corriente de carga se limite a 800 A.

(134)

Funcionamiento

• La seguridad del personal contra descargas eléctricas depende en mucho de la integridad de la puesta a tierra del equipo cuando está energizado. Para esto se incorpora un segundo conductor de puesta a tierra en el cable de arrastre del equipo móvil. El GCHK-100 monitorea ambas tierras y

dispara cuando se excede un valor determinado.

• Adicionalmente detectará si el circuito de tierra se ha puesto en corto o está abierto. En caso de una falla en la conexión a tierra y una fuga eléctrica dentro del equipo móvil, la carcasa podría energizarse y provocar una descarga. En este caso el GCHK-100 detectará los altos voltajes en la carcasa del equipo y disparará rápidamente. Este disparo será dos veces más rápido que en caso de un problema en la tierra y será cinco veces más rápido cuando el voltaje en la carcasa exceda los 100 V.

• Detecta la falla a tierra con 13 niveles de disparo, de 0.25 a 12.5A y ocho niveles de retardo, de 0.20 a 10 segundos.

• Verifica el circuito de tierra mediante conductor de tierra piloto auxiliar. • Protección de voltaje de paso en carcasa. Cuatro niveles de disparo de 40

(135)

Relé de falla a tierra para CCMs:

DGF-CT

(136)

(137)

(138)

2PDT

• Protección de Personal, Una fase • Clase A 5mA

• CSA No 144 • Cargas de 70A

• 120/208V, 120/240V • 2 Polos

(139)

GP/GPA

• 5mA, y 10mA, ajustes fijos de 208 a 600V • CSA No144, UL 1053

• Sistemas puestos a tierra y flotantes • Cargas de hasta 90HP

• Arrancadores, Bombas, Estaciones de Prueba

(140)

GPD, GPFJ

• 5mA, 10mA, 20mA, 35mA, 50mA • 208V a 600V,

• CSA 144, UL 1053

• Sistemas puestos a tierra y flotantes

• Completo con Breaker o Interruptor manual

• Iluminación bajo el agua, Fuentes, Granjas de peces, Lecherias • Estaciones de pruebas, Laboratorios.

(141)

Sesión 5

• Aplicaciones

Industrias Petrolera, Eléctrica, Química, de

Alimentos, del Papel,Minera, del

Transporte, Automotriz, Centros de

(142)

Generadores

• Los generadores no se diseñan para soportar corrientes de falla a tierra – solo se protegen contra fallas trifásicas sólidas.

• De acuerdo a IEEE y NEMA es necesario ponerlos a tierra por resistencia para limitar las estas corrientes.

(143)

Generadores en Paralelo

GENERATORS 600V 600V DDR2-6 DSA 15-20A, 3P 100 kAIC 5A, 347V Neutral Grounding Resistor G G G G To BMS To BMS

TYPICAL PARALLEL GENERATOR HIGH RESISTANCE GROUNDING SCHEM E

Zero Sequence Current Sensors (one per f eeder; one per generator)

Optional Pulsing Resistor 5A, 600V Zig-Zag Grounding Transf ormer 2 - #16AWG, 24 Vdc f or pulsing control

See Notes 1 and 2.

Notes:

1. NGR/Zig-Zag assembly w ith pulsing resistor, IPC Part Number: OHMNI-6PM-5-ZZ 2. NGR/Zig-Zag assembly w ithout pulsing resistor, IPC Part Number: NTR600-5-ZZ

DS

-P

M

2

Optional DS-PM2 Pulsing Card

AWG#8 as per CEC 10-1108(3)

(144)

Sesión 6

• Configuración y especificación de

productos

(145)

Mayor información

Consultando nuestro web site:

www.i-gard.com

Enviandonos un e-mail a:

[email protected]

(146)

Bibliografía

• IEEE Std 80-2000 Guide for Safety in AC Substation Grounding

• IEEE Std 142-1991 Grounding of Industrial and Commercial Power

Systems.

• IEEE Std 141-1993 Electric Power Distribution for Industrial Plants. • NEC 70 1998. National Fire Protection Association. Quincy MA. • The National Electrical Code - 1990 Handbook. National

Fire Protection Association. Quincy MA.

• McGraw-Hill's Standard Handbook for Electrical Engineers 1993.

McGraw-Hill. New York NY.

• Hill's National Electrical Code Handbook 1993.