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Qué falla a tierra dimensiona la malla de una subestación

Cómo escoger la falla a tierra que fija el diseño de la malla según IEEE 80: una o dos líneas a tierra, dentro o fuera de la subestación.

Por Shadai García, CEO e ingeniero de protecciones de Tiza Group.

red, subestación y línearedtransformadortierra fuerade la mallamalla de la subestaciónfalla dentro de la subestaciónfalla en la línea, fuera de la subestaciónZ0 mayor que Z1: gobierna la falla línea-tierraZ0 menor que Z1: gobierna dos líneas-tierraZ0Z0 = Z1dos líneas-tierralínea-tierracon Z2 = Z1 se compara Z0 con Z1las fallas múltiples se desprecianCadenaTipo de fallaZ0, Z1, Z2UbicaciónDespejeIg máxima© tizagrp.comred, subestación y línearedtransformadortierra fuerade la mallamalla de la subestaciónfalla dentro de la subestaciónfalla en la línea, fuera de la subestaciónZ0 mayor que Z1: gobierna la falla línea-tierraZ0 menor que Z1: gobierna dos líneas-tierraZ0Z0 = Z1dos líneas-tierralínea-tierracon Z2 = Z1 se compara Z0 con Z1las fallas múltiples se desprecianCadenaTipo de fallaZ0, Z1, Z2UbicaciónDespejeIg máxima© tizagrp.com
Falla más severa para la malla: falla dentro y fuera de la subestación, y tipo de falla según Z0 frente a Z1. Ubicación en el sistema y principio de funcionamiento. Ilustrativo: los valores reales salen de la placa y del manual del fabricante.
Respuesta corta

La falla que dimensiona la malla no es siempre la de mayor corriente total: es la que deja la mayor corriente entre la malla y el suelo, combinada con el tiempo de despeje que produce las tensiones tolerables más bajas. IEEE 80 recomienda estudiar solo la falla de una línea a tierra y la de dos líneas a tierra, dentro y fuera de la subestación.

Respuesta corta

Para dimensionar la malla de una subestación, IEEE Std 80-2013 pide encontrar la falla que produce la mayor corriente de malla (IG) y, además, revisar el tiempo de despeje de cada falla, porque un despeje lento reduce las tensiones que una persona tolera. En la práctica se estudian dos tipos de falla, la de una línea a tierra y la de dos líneas a tierra, en la ubicación que más corriente mande por la malla al suelo. No existe una regla universal para la ubicación: hay que analizar el sistema. El tiempo que dura la falla se trata en tiempo de despeje de falla y seguridad de la malla. Con esa corriente se sigue el diseño de puesta a tierra de subestación con IEEE 80.

Qué fallas se estudian

En un sistema pueden darse muchos tipos de falla, y la norma reconoce que no hay una regla simple para saber cuál produce el mayor flujo de corriente entre la malla y el suelo. Por eso recomienda considerar la probabilidad de ocurrencia: las fallas múltiples simultáneas pueden dar corrientes mayores, pero no hace falta considerarlas si su probabilidad es despreciable. Por razones prácticas, el estudio se limita a:

  • Falla de una línea a tierra.
  • Falla de dos líneas a tierra.

En ambas, lo que importa para la malla es la corriente de secuencia cero: es la que vuelve por tierra. La corriente que se envía al suelo es tres veces esa corriente de secuencia cero; la guía corriente de secuencia cero explica qué es y cómo se origina.

Cómo se escoge el tipo de falla

El peor tipo de falla para una malla es el que da la mayor corriente a tierra, porque la corriente máxima de malla es proporcional a ella y la división de corriente es casi independiente del tipo de falla.

La norma da un criterio con las impedancias de secuencia positiva, negativa y cero en el punto de falla:

CondiciónFalla más severa
Impedancia de secuencia cero mayor que la positiva (con la negativa igual a la positiva)Una línea a tierra
Impedancia de secuencia cero menor que la positiva (con la negativa igual a la positiva)Dos líneas a tierra

Suponer que la impedancia de secuencia negativa es igual a la positiva es admisible en la mayoría de los cálculos, sobre todo cuando buena parte de la reactancia de secuencia positiva hasta la falla corresponde a equipo estático y a líneas de transmisión.

La impedancia de secuencia cero depende de la conexión de los transformadores, como se explica en impedancia homopolar según la conexión y en componentes simétricas y diagrama homopolar.

Dónde ocurre la falla más severa

La peor ubicación puede estar en el lado de alta o de baja tensión del transformador, y dentro de la subestación o fuera, en una línea a cierta distancia. Una falla se considera dentro de la subestación cuando está relacionada con una estructura metálica unida a la malla con impedancia despreciable.

La norma no da reglas universales y presenta algunas posibilidades:

  • Subestación de distribución con el transformador puesto a tierra solo del lado de distribución. La corriente máxima de malla suele ocurrir con una falla a tierra en los terminales de alta tensión del transformador. Si la fuente de falla de alta es débil, o si varios transformadores en paralelo forman una fuente fuerte del lado de baja, el máximo puede darse con una falla en el circuito de distribución.
  • Falla en los terminales de baja tensión de ese transformador. El aporte del transformador circula por los conductores de la malla con una fuga despreciable al suelo, y no afecta la elevación de potencial de la subestación.
  • Falla fuera de la subestación, en un alimentador lejano. Si la falla está lo bastante lejos para considerarse en tierra remota respecto de la malla, buena parte de la corriente vuelve a su fuente, el neutro del transformador, por la malla, y contribuye a la elevación de potencial.

La norma ilustra los casos con cuatro figuras: falla dentro de la subestación con el neutro local puesto a tierra, con el neutro puesto a tierra en un punto remoto, con el sistema puesto a tierra en la subestación y en otros puntos, y falla en el lado de alta de una subestación de distribución con su división de corriente típica.

Tiempo de despeje: la segunda mitad de la pregunta

La duración de la falla depende del esquema de protección, de la ubicación de la falla y de si se toma el tiempo de despeje principal o el de respaldo. Esa duración afecta al factor de decremento y también a las tensiones tolerables de contacto y de paso.

Por eso la falla más severa para la malla no es siempre la de mayor corriente. Un ejemplo de la norma: un transformador delta-estrella a tierra alimentado por una fuente débil, con una falla a varios kilómetros por un alimentador rural. La corriente del lado de alta puede ser baja, y si el despeje depende del respaldo del dispositivo de alta tensión ante la falla del interruptor del alimentador, puede tardar varios segundos. La tensión tolerable para ese caso puede ser mucho menor que para una falla en el lado de alta, y el alimentador pasa a ser el caso que manda en el diseño.

Qué falla dimensiona la malla
  • ¿La falla ocurre dentro de la subestación o fuera, en tierra remota?
    • Dentro: Resistencia de falla igual a cero; es la única suposición segura
      • Sí: Domina la falla de una línea a tierra
      • No: Domina la falla de dos líneas a tierra
    • Fuera: La corriente regresa por la malla al neutro; se evalúa también el despeje de respaldo
      • Sí: Puede mandar esta falla aunque no tenga la máxima corriente
      • No: Manda la falla de mayor corriente de malla

Qué decide el ingeniero

Con las candidatas definidas, para cada una se calcula la corriente de falla, el factor de división, el factor de decremento según su tiempo de despeje y las tensiones tolerables. Se escoge la combinación que resulte más exigente para la malla. Los datos de partida salen del estudio de cortocircuito, y los tiempos, de la coordinación de protecciones.

Cómo lo hacemos en Tiza Group

Escoger la falla de diseño obliga a modelar la red con sus conexiones de transformadores, sus líneas con hilos de guarda y los tiempos reales de despeje. En Tiza Group hacemos ese análisis dentro del estudio de puesta a tierra de subestaciones, junto con el estudio de cortocircuito y la coordinación de protecciones. Conozca nuestro servicio de diseño de ingeniería y estudios o escríbanos.

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Referencias

  • IEEE Std 80-2013, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, cláusulas 15.3 y 15.8.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se sabe si la falla de una línea a tierra o la de dos líneas a tierra es la peor?

Se compara la impedancia de secuencia cero con la de secuencia positiva en el punto de falla. Con la impedancia de secuencia negativa igual a la positiva, que es el caso usual, la falla de una línea a tierra es la peor si la impedancia de secuencia cero es mayor que la positiva, y la de dos líneas a tierra es la peor si es menor.

¿Una falla dentro de la subestación siempre es peor que una fuera de ella?

No. En una subestación de distribución con el transformador puesto a tierra solo del lado de distribución, la corriente máxima de malla suele darse con una falla en los terminales de alta tensión del transformador. Pero si la fuente de alta es débil o hay varios transformadores en paralelo, puede ocurrir con una falla en el circuito de distribución.

¿Puede ser la peor falla una que no tiene la mayor corriente de malla?

Sí. Si el despeje de una falla es lento, por ejemplo una falla lejana en un alimentador rural que depende del respaldo de alta tensión, las tensiones tolerables bajan tanto que esa falla puede ser la más severa aunque su corriente de malla no sea la máxima.

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