Diseño resistencias puesta a tierra

«El diseño de resistencia para la puesta a tierra se ha convertido en una necesidad con cada vez mayor peso e importancia».

Por ello desde KLK Electro materiales nos hemos decidido a escribir este articulo de conceptos generales que ayude a clarificar posibles dudas de la mano de nuestro responsable de ingeniería en el departamento de resistencias de potencia Fernando Rodriguez Fernandez.

1. DESCRIPCIÓN:

Las resistencias de Puesta a Tierra de Neutro son equipos pensados para limitar el defecto a tierra resultante de un cortocircuito en el primario de un transformador (generalmente en el área de distribución o generación).

Estos equipos se conectan al neutro del secundario del transformador ya que, en caso de un cortocircuito entre fases del primario (o entre fase y tierra), las tensiones de línea no se anularán en el neutro del transformador dando lugar a una tensión y una corriente asociada a la misma, que, en el peor de los casos alcanzará el orden de los kA originando un serio peligro para las personas y los equipos.

2. FUNDAMENTOS DE CÁLCULO:

Las RPAT se diseñan considerando el peor de los escenarios posibles, esto es, un defecto franco a tierra en bornes del generador (considerando que el valor de la resistencia de defecto RT de la figura es 0).

Imagen cedida por D.Ricardo Granizo | UPM

En ese caso, la intensidad de defecto será: ?? = ? · ?? /√3 · ????

Siendo:

Id: intensidad de defecto a tierra

c: factor de sobretensión

Un: Tensión nominal de la red

RPAT: Valor óhmico de la resistencia de puesta a tierra

En la mayoría de los cálculos el factor de sobretensión se considera 1, si bien algunas compañías (siguiendo la norma UNE-EN 60909-0), utilizan 1,1.

A día de hoy, la única norma relevante para el diseño de Resistencias de Puesta a Tierra es la IEEE C52.37, en ella se indican como valores críticos de diseño:

•  Incremento de temperatura medio para servicios inferiores a 10 minutos: 760ºC
•  Incremento de temperatura máximo para servicios superiores a 10 minutos (servicio continuo): 385ºC

 3. FUNDAMENTOS DE DISEÑO:

a. Aspectos fundamentales de diseño

Los parámetros principales que definen una resistencia de puesta a tierra son los siguientes:

•  Tensión nominal de la red
•  Intensidad de defecto a tierra
•  Duración del defecto (tiempo de extinción)
•  Intensidad permanente

De todos ellos, la duración del defecto se ha establecido habitualmente en 10 segundos, a pesar de que el tiempo de actuación de las protecciones pueda ser menor, ya que en algunas ocasiones es preciso tener en cuenta posibles fallos consecutivos.

La intensidad del defecto a tierra es tremendamente variable puesto que depende de la capacidad de la red de tierras para absorber el fallo, los valores más habituales oscilan entre 10 A (habitualmente utilizado para generadores, puesto que intensidades superiores a 14 A pueden dañar el estator) y 2000 A. Los valores más habituales en las compañías eléctricas suelen ser los 300, 500 y 1000 A, no siendo recomendables valores inferiores a los 200 A. Es necesario no perder de vista que este diseño es el peor escenario posible, siendo los valores medidos de defectos a tierra sensiblemente inferiores (entre un 40 y un 60% dado que el rango de defectos que se puede producir es muy variado, y la distancia del defecto a la subestación puede ser relevante).

La intensidad permanente a soportar viene dada por un desequilibrio en la red que produce una corriente homopolar permanente a través del neutro, estos desequilibrios dependen enteramente de la red y pueden variar de un país a otro sensiblemente (entre 25 y 75 A en casos extremos). En el caso particular de España, no se recomienda un valor superior a los 25 A por carecer de sentido dada la calidad de la red, siendo importante que este sea menor que un 10% de la intensidad de defecto asignada al equipo por razones económicas.

b. Aspectos fundamentales de diseño

Adicionalmente existen varios aspectos que pueden ser relevantes a tener en cuenta en el diseño:

•  Grado de protección (IP)
  •  Instalación de elementos auxiliares o Transformador de intensidad
  • Transformador de corriente
  • Seccionador (normal o motorizado)
  •  Acabado de la envolvente de los equipos de acuerdo al grado de polución o Acero galvanizado pintado según ISO 12944
  •  Acero inoxidable (AISI-304) sin pintar
  •  Acero inoxidable (AISI-316) sin pintar
  •  Conexiones de entrada y salida de los cables o Pasamuros (conexión exterior)
  •  Aisladores (conexión interior)

De entre todos ellos el grado de IP es el que más controversia plantea, ya que los equipos de intemperie en electricidad suelen gozar de valores elevados (55, 56, 65, etc.). No obstante, las RPAT plantean dos peculiaridades: la primera es que por cuestiones constructivas, su línea de fuga es muy elevada (superior a los 31 mm/KV), con lo que la polución no plantea un problema de funcionamiento; y la segunda es que estos equipos se diseñan para temperaturas de 760ºC, siendo necesario evacuar el calor generado en su interior. Por todo ello se entiende que el grado que aporta un mayor compromiso entre funcionalidad y protección es IP23, este grado es el más extendido entre las eléctricas de nuestro país (ENEL, Iberdrola, EDP…)