GUÍA TÉCNICA
GTC
COLOMBIANA
206
2011-11-17
GUÍA
PRÁCTICA
PARA
EL
CÁLCULO
Y
SELECCIÓN DE LA PUESTA A TIERRA DEL
NEUTRO DE GENERADORES SINCRÓNICOS
TRIFÁSICOS
E: PRACTICAL GUIDE FOR THE CALCULATION AND SELECTION OF THE NEUTRAL GROUNDING IN THREE-PHASE SYNCHRONOUS GENERATORS
CORRESPONDENCIA:
DESCRIPTORES: máquina eléctrica rotatoria; generador; generador eléctrico; generador sincrónico; generador trifásico; puesta a tierra; puesta a tierra del neutro.
I.C.S.: 29.160.20
Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado 14237 Bogotá, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435
PRÓLOGO
El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993.
ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo.
La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general.
La GTC 206 fue ratificada por el Consejo Directivo de 2010-11-17.
Esta guía está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales.
A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta guía a través de su participación en el Comité Técnico 131 Máquinas eléctricas rotatorias.
CONSORCIO INDUSTRIAL S.A ENERCON INGENIERÍA
EMPRESA DE ENERGÍA DEL PACÍFICO -EPSA-
EXTRACTORES Y MOTORES INDUSTRIALES LTDA.
IME LTDA
LABORATORIO TECNOELÉCTRICO SIEMENS
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE UNIVERSIDAD DEL VALLE
UNIVERSIDAD DE CIENFUEGOS - CUBA WEG COLOMBIA LTDA.
Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las siguientes empresas:
AGP REPRESENTACIONES ANDI
ASEA BROWN BOVERI CIDET
CODENSA
CUMMINS API S.A DABRAS LTDA.
ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA LAUMAYER
LKS LTDA.
MELECTRO LTDA.
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA UNIVERSIDAD DE LA SALLE
UNIVERSIDAD DEL NORTE UNIVERSIDAD NACIONAL
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA -UPME-
ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados.
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CONTENIDO
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0. INTRODUCCIÓN ... 1
1. ALCANCE ... 1
2. OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA DE UN GENERADOR ... 1
3. REFERENCIAS NORMATIVAS ... 2
4. DEFINICIONES ... 2
5. EFECTOS DE LAS CORRIENTES POR EL NEUTRO DE GENERADORES ... 2
6. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA ... 3
6.1 SISTEMAS DE GENERACIÓN DE UNA UNIDAD CONECTADA ... 4
6.2 GENERADORES DE RED COMÚN SIN ALIMENTADORES ... 5
6.3 GENERADORES CON ALIMENTADORES CONECTADOS DIRECTAMENTE A LA TENSIÓN GENERADA ... 6
7. TIPOS DE PUESTA A TIERRA ... 7
7.1 PUESTA A TIERRA DE ALTA RESISTENCIA ... 7
7.2 SIN CONEXIÓN DE PUESTA A TIERRA ... 10
7.3 SÓLIDAMENTE ATERRIZADO ... 10
7.4 PUESTA A TIERRA RESONANTE [13, 17]... 10
7.5 PUESTA A TIERRA DE BAJA RESISTENCIA ... 15
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7.7 PUESTA A TIERRA MEDIANTE TRANSFORMADOR ... 16
7.8 PUESTA A TIERRA CON BARRAJE DE NEUTRO O DE CONMUTACIÓN ... 20
7.9 PUESTA A TIERRA HÍBRIDO... 20
8. CONEXIONES DEL GENERADOR AL SISTEMA ... 21
8.1 CONEXIÓN “A” y CONEXIÓN “F” ... 21
8.2 CONEXIÓN “B” ... 22
8.3 CONEXIÓN “C” ... 23
8.4 CONEXIÓN “D” y CONEXIÓN “E” ... 23
8.5 CONEXIÓN G ... 23
9. MÉTODOS DE PROTECCIÓN ... 24
10. PROCEDIMIENTO RECOMENDADO PARA LA SELECCIÓN Y CÁLCULO DE PUESTA A TIERRA DE GENERADORES ... 25
BIBLIOGRAFÍA ... 32
FIGURAS Figura 1. Sistemas de puesta a tierra... 4
Figura 2. Sistema de generación de una unidad conectada ... 5
Figura 3. Generadores de red común sin alimentadores ... 6
Figura 4. Generadores con alimentadores conectados directamente a la tensión generada ... 7
Figura 5. Conexiones temporales para sintonizar el neutralizador ... 14
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Figura 7. Transformador de puesta a tierra “Y” delta abierta ... 17
Figura 8. Transformador de puesta a tierra en zig-zag ... 19
Figura 9. Barraje de neutro o de conmutación ... 20
Figura 10. Método de puesta a tierra híbrido ... 21
Figura 11. Conexiones A y F ... 22 Figura 12. Conexión B ... 22 Figura13. Conexión C ... 23 Figura 14. Conexiones D y E ... 23 Figura 15. Conexión G ... 24 TABLAS Tabla 1. Máxima corriente desequilibrada continúa permisible ... 3
Tabla 2. Máxima corriente permisible de corto tiempo I2t ... 3
Tabla 3.Factor de sobrecarga transformadores ... 9
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GUÍA PRÁCTICA PARA EL CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LA PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DE GENERADORES SINCRONICOS TRIFÁSICOS
0. INTRODUCCIÓN
Esta guía establece las reglas básicas y recomendaciones prácticas para el cálculo y selección de la puesta a tierra del neutro de generadores en plantas industriales, con el fin de minimizar las fallas debido a una selección errónea de esta. Como consecuencia, se estabiliza la corriente que circula por el neutro ante la variación de carga y/o conmutación de otros generadores en paralelo, a la par que se obtiene una mejor calibración de las protecciones asociadas.
1. ALCANCE
Esta guía aplica tanto para turbogeneradores como para hidrogeneradores, con conexión de estrella o delta.
2. OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA DE UN GENERADOR
El principal objetivo de aterrizar un sistema de generadores sincrónicos es la protección del generador y los equipos asociados contra daños causados por condiciones eléctricas anormales.
Los objetivos específicos son:
- Minimizar el daño por fallas internas a tierra.
- Reducir los esfuerzos mecánicos en el generador por fallas externas a tierra. - Limitar las sobretensiones temporales y transitorias del aislamiento del generador. - Proveer un medio de detección de fallas a tierra al sistema del generador.
- Coordinación de las protecciones del generador con otros equipos conectados al mismo barraje.
El tipo de puesta a tierra a seleccionar se determina en gran parte por la importancia relativa para el usuario de cada uno de los objetivos citados anteriormente.
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2 3. REFERENCIAS NORMATIVAS
Los siguientes documentos normativos referenciados son indispensables para la aplicación de este documento normativo. Para referencias fechadas, se aplica únicamente la edición citada. Para referencias no fechadas, se aplica la última edición del documento normativo referenciado (incluida cualquier corrección):
NTC 2805:2005, Máquinas eléctricas rotatorias. Características nominales y características de funcionamiento
ANSI/IEEE C62.92.2-1989, IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical
Utility Systems, Part II: Grounding of Synchronous Generator Systems.
ANSI/IEEE C37.101:1993, Guide for Generator Ground Protection. IEEE Std. C37.101:2006, Guide for Generator Ground Protection. IEEE C37.102:2003, Guide for AC Generator Protection.
4. DEFINICIONES
Para efectos de esta guía se deben tener en cuenta las definiciones de la NTC 2805 (IEC 60034-1)
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BIBLIOGRAFÍA
[1] Protección de generadores. [Citado en Mayo 2006] Web: http://www.iae.org.ar/archivos/educ7.pdf
[2] COMITÉ DE NORMALIZACIÓN DE PETRÓLEOS MEXICANOS Y ORGANISMOS SUBSIDIARIOS. Rehabilitación de generadores síncronos de polos lisos. Web: http://www.pemex.com/files/content/NRF-052-PEMEX-2004.pdf
[3] McFADDEN, Richard H. Grounding of generators connected to industrial plant distribution buses. IEEE Transactions on industry application. v. 1A-17, Nº 6, November/December 1981. p. 553-556.
[4] ARCILA, José Dariel. Armónicos en Sistemas Eléctricos. IEB S.A. p. 1-26.
[5] GRADY, W. Mack. SANTOSO, Surya. Understanding Power System Harmonics. Grady/Santoso, September 1 2001. p. 1-5.
[6] FERRACCI, Philippe. Cahier technique. No. 199.Power Quality. October 2001. p. 8-10, 13-15.
[7] DE ARMA TEYRA, Marcos. Corrientes armónicas en el circuito de secuencia cero de generadores independientes sincronizados al sistema eléctrico nacional. Caso Elpidio Gómez.
[8] En: Energía y computación. Volumen XIII- Nº 1. Edición 23. Cali Colombia. p. 21-25. ISSN 0121-5299.
[9] Copper Development Association. Voltage Disturbances Introduction to Unbalance. May
2002
[10] Manual General Electric. GER-4008. Protection of Synchronous Generators During
Unbalanced System Conditions. April 1975.
[11] Manual General Electric. GEK-46080. Operation Lynn Air-Cooled Turbine Generator.
April 1977. IEEE Std 519-1992. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems.
[12] WAKILEH, George J. Harmonics in Rotating Machines. Science Direct. Electric Power
System Research 66 2003. p. 31-37
[13] ANSI/IEEE C62.92.2-1989. IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in
Electrical Utility Systems, Part II: Grounding of Synchronous Generator Systems.
[14] FULCZYK, Marek. BERTSCH, Joachim. Ground-Fault Currents Unit-Connected
Generators With Different Elements Grounding Neutral. IEEE Transactions on Energy Conversion. Vol. 17, No 1 (March 2002); p. 61-62.
[15] ANSI/IEEE C37.101-1993. Guide for Generator Ground Protection.
[16] PILLAI, Prafulla. Grounding and Ground Fault Protection of Multiple Generator
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Grounding Methods Working Group Report. IEEE Transactions on Industry Applications. v. 40, Nº 1, January-February 2004, p. 17-23.
[17] KHUNKHUN, K.J.S. KOEPFINGER, J.L. HADDAD, M.V. Resonant grounding (ground
fault neutralizer) of a unit connected generator. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. v. 96, Nº 2, March-April 1977, p. 550-559.
[18] IEEE Std. C37.101-2006. Guide for Generator Ground Protection.
[19] POWELL, Louie. The Impact of System Grounding Practices on Generator Fault
Damage. IEEE Transactions on Industry Applications. v. 34, Nº 5, September-October
1998, p. 923-927.
[20] WU, Alex. MV Generator Low-Resistance Grounding and Stator Ground Fault Damage.
IEEE Transactions on Industry Applications. v. 40, Nº 2, March-April 2004, p. 672-679.
[21] KHAN, Shoaib. Application Aspects of Generator and Excitation System for Process
Plants. IEEE transactions on Industry Applications. Vol. 35, No 3 (May/June 1999); p. 705-706.
[22] BAKER, David. S. Charging Current Data for Guesswork-Free Design of
High-Resistance Grounded Systems. IEEE Transactions on Industry Applications. v. IA-15, Nº 2, March-April 1979, p. 136-140.
[23] GARD. Ground Fault Protection on Ungrounded and High Resistance Grounded
Systems Application Guide. p. 1-8.
[24] MOODY, D. BEACHUM, V. SHIPP, D. VILCHECK, W. NATALI, T Hybrid Grounding
System. IEEE Industry Applications Magazine. v. 10, Nº 3, May-June 2004, p. 40-61.
[25] PILLAI, Prafulla. Grounding and Ground Fault Protection of Multiple Generator
Installations on Medium-Voltage Industrial and Commercial Power Systems - Part 1: the Problem Defined Working Group Report. IEEE Transactions on Industry Applications. v.
40, Nº 1, January-February 2004, p. 11-16.
[26] Tutorial IEEE de protección de generadores sincrónicos. The Power Engineering
Education Committee. Power System Relaying Committee. p 24-26.
[27] PILLAI, Prafulla. Grounding and Ground Fault Protection of Multiple Generator
Installations on Medium-Voltage Industrial and Commercial Power Systems - Part 3: Protection Methods Working Group Report. IEEE Transactions on Industry Applications.
v. 40, Nº 1, January-February 2004, p. 24-28.
[28] IEEE C37.102-2003. Guide for AC Generator Protection.
[29] MENESES, Jhon. PALECHOR, Jenny. Tesis de Grado: Propuesta Práctica para el Cálculo y Selección de la Puesta a Tierra de Generadores en Plantas Industriales. Enero 2008. Universidad del Valle.
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