IEEE C37.99-2000 recomienda poner a tierra el neutro de un banco solo en sistemas efectivamente puestos a tierra, y desde 121 kV pide banco y sistema a tierra para el interruptor. Cuando hay varios bancos en la misma subestación, sus neutros se unen y se conectan a la malla en un solo punto (tierra en un solo punto) o por un conductor de península, para que las corrientes de energización entre bancos no circulen por la malla.
Respuesta corta
Un banco de capacitores en estrella puede tener el neutro a tierra o aislado. IEEE C37.99-2000 (cl. 6.2) recomienda ponerlo a tierra solo en sistemas efectivamente puestos a tierra, y sugiere banco y sistema a tierra desde 121 kV. Cuando hay dos o más bancos en estrella en un mismo lugar, sus neutros se conectan directamente entre sí con una sola conexión a tierra (cl. 6.1): en un solo punto o en península. El objetivo es que las corrientes de alta frecuencia entre bancos no pasen por la malla de la subestación.
Neutro a tierra o aislado (cl. 6.2)
Cuándo ponerlo a tierra. En general, solo en sistemas efectivamente puestos a tierra. En un sistema que no lo está, una falla a tierra con el neutro del banco a tierra puede causar sobretensiones transitorias altas, en el sistema y en el banco, por el reencendido del arco de la falla.
Ventaja del neutro a tierra. Reduce la tensión de recuperación en el primer polo que despeja cuando se desconecta el banco. Esa tensión es la suma de la carga atrapada en los capacitores y de la variación de la tensión del sistema:
| Banco | Tensión de recuperación en el primer polo |
|---|---|
| A tierra | Aproximadamente 2 veces la tensión pico normal |
| Sin tierra | Hasta 3 veces la tensión pico de fase a tierra en el primer pico |
Como la tensión de recuperación determina la capacidad del interruptor para maniobrar corrientes capacitivas, desde el punto de vista del interruptor conviene poner a tierra el neutro. IEEE C37.04-1979 y ANSI C37.06-1997 recomiendan banco y sistema a tierra en tensiones de 121 kV y mayores. Muchos bancos de tensión superior se instalan sin tierra, pero entonces el fabricante del interruptor debe indicar si sirve para esa aplicación. Para el equipo vea maniobra de corrientes capacitivas.
Terciarios. Un banco conectado a un terciario de transformador, por ejemplo la delta terciaria de un autotransformador, es una fuente aislada. Poner a tierra el neutro del banco hace que ese lado quede conectado a tierra a través de la capacitancia. Pueden aparecer sobretensiones en fallas de línea a tierra para ciertas relaciones X0/X1. Si el neutro se pone a tierra en un sistema que no es efectivamente a tierra, la guía pide un análisis completo de pararrayos, configuración del banco y equipos de maniobra.
El concepto de neutro del sistema está en neutro aislado frente a neutro aterrizado.
Cómo cambia la señal de desbalance según la conexión del neutro está en conexión del banco: estrella a tierra, estrella sin tierra o delta.
Varios bancos en el mismo lugar (cl. 6.1)
Si hay dos o más bancos en estrella a tierra en el mismo lugar, sus neutros se unen directamente con una sola conexión a tierra. El diseño de la malla y la conexión de los neutros a ella es de importancia primordial: una puesta a tierra inadecuada puede dañar los transformadores de corriente y de tensión del neutro o los cables de control.
Al energizar un banco con otro cercano ya energizado, o al reencender el arco en el interruptor, aparece una corriente de energización muy alta y oscilatoria entre los bancos. La guía la sitúa en el orden de 50 a 100 veces la corriente pico normal del banco. Esa corriente puede dañar los contactos o la mecánica del interruptor. Una reactancia de 0,5 % a 1 % de la reactancia capacitiva de los bancos, puesta en serie, reduce mucho la velocidad de crecimiento y el valor pico.
Tierra en un solo punto
Los neutros de todos los bancos de una misma tensión se unen con cable aislado o con una barra aislada, y se conectan a la malla en un solo punto. Así, las corrientes de alta frecuencia que circulan entre bancos en una energización cercana no pasan por la malla. No se eliminan, en cambio, las altas frecuencias que regresan al sistema por la malla durante una falla a tierra cercana.
Durante la maniobra aparecen decenas de kilovoltios entre los extremos de la barra del neutro y el punto de tierra. Esa tensión actúa sobre el aislamiento entre primario y secundario de los transformadores de corriente o de tensión del neutro, y aumenta la posibilidad de falla. La guía indica usar un transformador de tensión de dos bornes, con el primario entre el neutro del banco y la malla de la subestación.
Península
Se llevan uno o varios conductores de la malla por debajo del bastidor de cada fase de cada grupo. Se conectan a la malla principal en un punto del borde del área de capacitores. Todos los neutros del banco se conectan solo a ese conductor aislado de la península.
Con este esquema, el potencial del neutro del banco (y de sus transformadores de corriente y de tensión) sube durante la maniobra, pero se reducen los transitorios en el resto de la subestación. Como todos los equipos del neutro tienden a subir al mismo potencial, no aparece la tensión alta entre extremos del caso anterior. Si se coordina con el blindaje y la puesta a tierra de los cables de control, las tensiones de modo común en el edificio de control quedan en niveles seguros.
Los dos esquemas pueden usarse juntos. La guía considera deseable que todos los bancos de la misma tensión en una subestación usen el mismo esquema.
Qué problemas evita (cl. 7.2.3)
Cada vez que se energiza un banco grande en estrella a tierra, pasan por una fase y por el neutro corrientes de carga momentáneas que pueden acercarse al nivel de disparo de tierra. Si ya hay otro banco energizado en paralelo, son del orden de miles de amperios. Pueden causar:
- operaciones falsas de relés y fallas de relés,
- fallas de transformadores de corriente,
- cercas energizadas,
- problemas en la malla.
Por eso la guía indica que la conexión de neutro entre varios bancos no debe hacerse a través de la malla, sino con tierra en un solo punto o en península.
Los transitorios que la energización induce en los TC, los TP y los cables de control se explican en transitorios de maniobra en TC, TP y circuitos de control; la energización en sí, en maniobra de un banco.
Qué revisar en un banco existente
- Si los neutros de varios bancos comparten un solo punto de tierra o una península.
- La tensión soportada entre primario y secundario del transformador de corriente o de tensión del neutro, frente a las tensiones de maniobra.
- La coordinación con los cables de control: blindaje y puntos de puesta a tierra.
- Si el neutro del banco es consistente con el tipo de puesta a tierra del sistema.
La malla misma, con su resistencia y sus tensiones de paso y de contacto, se trata en malla de puesta a tierra y en puesta a tierra del sistema y neutros. Para estimar la resistencia de varillas y mallas puede usar nuestra herramienta gratuita de resistencia de puesta a tierra.
Qué hacemos nosotros
La forma de conectar los neutros, el aislamiento de los transformadores de medida del neutro y la coordinación con la malla se definen para cada subestación. En Tiza Group lo hacemos en el diseño de ingeniería y estudios del banco y le cotizamos el estudio según el alcance.
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Referencias
- IEEE Std C37.99-2000, IEEE Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks: cl. 5.1, 6.1 (Figura 4), 6.2 y 7.2.3.
- IEEE Std C37.04-1979 y ANSI C37.06-1997, citadas por la guía para la puesta a tierra del banco y del sistema desde 121 kV.
Preguntas frecuentes
¿Se puede poner a tierra el neutro de un banco en un sistema aislado?
La guía lo desaconseja: en una falla a tierra de un sistema no puesto a tierra, un neutro del banco a tierra puede producir sobretensiones transitorias altas por el reencendido del arco de la falla. El neutro del banco a tierra se recomienda solo en sistemas efectivamente puestos a tierra.
¿Por qué no se conecta el neutro de varios bancos a la malla por distintos puntos?
Porque al energizar un banco con otro ya conectado, circulan corrientes de alta frecuencia entre ellos. Si el camino es la malla, aparecen operaciones falsas de relés, fallas de transformadores de corriente y cercas con tensión. Por eso se usa un solo punto o una península.
¿Cuál es mejor, tierra en un solo punto o en península?
La guía dice que ambos se han usado con éxito. El de un solo punto mantiene las corrientes entre bancos fuera de la malla, pero somete a los transformadores del neutro a decenas de kilovoltios. La península hace que todos los equipos del neutro suban al mismo potencial.