aterrizamiento de transforamdores de potencia
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METODOS DE COMO DEBEN ESTAR ATERRIZADOS LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA EN UNA SUBESTACION PRIMARIA DE ALTA TENSIONTRANSCRIPT
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A2-19
ATERRAMIENTO DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA EN SUBESTACIONES DE TRANSMISIN
Ing. Franco Gasbarri
CADAFE
RESUMEN
Normalmente se efecta el aterramiento de los neutros, cuba y tableros de los transformadores de
potencia a cualquier punto de la malla de tierra, no tomndose en cuenta las sobretensiones que
aparecen en el mismo durante su operacin debido a las fallas en el lado de baja tensin,
descargas atmosfricas y maniobras en el sistema de transmisin. El presente trabajo es el
resultado de un estudio efectuado en el Centro Nacional de Recuperacin de Transformadores
(C.N.R.T.) al esquema de aterramiento de transformadores de potencia, tanto de los elementos
propios de proteccin como el rel buchholz, rel Jansen, rels de sobrepresin, termmetros,
imagen trmica, sensores de nivel, ventiladores, transformadores de corriente, entre otros; as
como el aterramiento del transformador a la malla de tierra de la subestacin. Se presentan los
principales componentes utilizados en transformadores de relacin 115/13,8kV y 115/34,5kV en
C.A.D.A.F.E. De igual manera se muestra el sistema de malla de tierra utilizado en subestaciones
de transmisin, representndose las tensiones que aparecen durante fallas monofsicas y el perfil
de tensin de la malla de tierra de subestaciones de transmisin durante dichas fallas.
Posteriormente se indica el esquema propuesto de puesta a tierra de componentes de
protecciones, control y refrigeracin de transformadores de potencia y el esquema propuesto de
puesta a tierra de los neutros y la cuba en transformadores de potencia.
PALABRAS-CLAVE
Transformador, aterramiento, proteccin, sobretensin, sobrecorriente, falla.
Comit Nacional Venezolano
II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGA ELCTRICA
Junio 2009
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1. MALLA DE TIERRA UTILIZADA EN SUBESTACIONES DE TRANSMISIN:
Toda subestacin debe disponer de un sistema de puesta a tierra, en tal forma que cualquier punto
accesible a las personas que puedan transitar o permanecer all, no estn sometidas a tensiones de
paso o de contacto que superen los umbrales de soportabilidad cuando se presente una falla, y se
debe tener presente que el criterio fundamental para garantizar la seguridad de los seres humanos,
es la mxima corriente que pueden soportar, debida a la tensin de paso o de contacto y no el
valor de la resistencia de puesta a tierra tomado aisladamente.
La malla de tierra de una subestacin debe conformar un Sistema Equipotencial. Un Sistema
Equipotencial, est compuesto de elementos entre los cuales en condiciones normales de servicio
no existe diferencia de potencial o voltaje. Sin embargo, durante la ocurrencia de fallas se tienen
tensiones entre los diferentes punto de la malla como se ver ms adelante.
FUNCIONES DE UNA MALLA DE PUESTA TIERRA:
Entre las ms importantes se tienen:
Evitar sobrevoltajes producidos por descargas atmosfricas, maniobras de disyuntores o fallas a tierra.
Proporcionar una va rpida de descarga de baja impedancia con el fin de mejorar y asegurar el funcionamiento de las protecciones.
Proporcionar seguridad al personal de la subestacin.
VALORES RECOMENDADOS DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA:
Un buen diseo de puesta a tierra debe reflejarse en el control de las tensiones de paso, de
contacto y transferidas; sin embargo, la limitacin de las tensiones transferidas principalmente en
subestaciones de media y alta tensin es igualmente importante. En razn a que la resistencia de
puesta a tierra es un indicador que limita directamente la mxima elevacin de potencial y
controla las tensiones transferidas, pueden tomarse los siguientes valores mximos de resistencia
de puesta a tierra adoptados de las normas tcnicas IEC 60364-4-442 y IEEE 80:
Para el caso de subestaciones de alta y extra alta tensin, el valor de diseo es de 1 . Con una corriente de falla a tierra de 1300 amp por ejemplo, se tendrn voltajes cercanos a los 1,3 kV. A
continuacin se muestra el perfil de tensin que se tiene en la malla de tierra durante una falla
con las caractersticas mencionadas:
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Figura 1 Perfil de tensin (bidimensional) de la malla de tierra durante fallas a tierra.
Mediante clculo numrico se puede obtener el perfil de tensin tridimensional que aparece
durante una corriente a tierra de valores elevados, el cual se muestra a continuacin:
Figura 2 Perfil de tensin (tridimensional) de la malla de tierra durante fallas a tierra.
En condiciones normales y estables de operacin, las corrientes que interconectan los elementos
del transformador a la malla de tierra presentan valores que estn por debajo de los 5 amp. Sin
embargo, durante la ocurrencia de fallas a tierra en el lado de baja tensin del transformador o
bien en la ocurrencia de sobretensiones tanto de maniobra como por descargas atmosfricas, las
corrientes drenadas a tierra pueden generar tensiones peligrosas que son capaces de producir
daos en dicho equipo o bien de ocasionar la actuacin de manera errtica de las protecciones
asociadas.
Idealmente, todos los componentes metlicos elctricos y los componentes metlicos extensos
que no conducen corriente en forma normal, deberan pertenecer a un Sistema Equipotencial. De
ser as, ninguno de estos componentes tendra diferencias de potencial y por lo tanto no existira
flujo de corriente entre ellos.
a2
a1 a3 Punto de conexin a la malla de tierra
a1a3
Malla de tierra
a2
Punto de conexin a la malla de tierra
a1a3
Malla de tierra
a2
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Cuando existen diferencias de potencial entre elementos metlicos (que no conducen corriente en
forma normal), se producen corrientes no deseables. Estas corrientes no deseables pueden ser
peligrosas para los seres humanos o pueden ser un desafo en la operacin adecuada de los
componentes elctricos o electrnicos de proteccin y control del transformador.
2. PRINCIPALES COMPONENTES UTILIZADOS EN TRANSFORMADORES DE RELACIN 115/13,8KV Y 115/34,5KV EN C.A.D.A.F.E.:
Con el fin de mostrar la funcin y ubicacin de los principales componentes que se incorporan en
los transformadores de potencia de relacin 115/13,8 kV y 115/34,5 kV, a continuacin se indica
una breve descripcin de los mismos y la forma en la cual deben estar llevados a tierra para evitar
daos en los mismos:
Rel buchholz: Este dispositivo se encarga de atrapar los gases que van desde la cuba principal
hasta el tanque de expansin, as como de sensar la velocidad del aceite en esa misma direccin.
Se encuentra instalado en una tubera que se encuentra unida a la cuba del transformador. Por tal
razn debe estar firmemente aterrado a la cuba del transformador.
Rel Jansen: Este dispositivo se encarga de sensar la velocidad del aceite que va desde el ruptor
del cambiador (o los cambiadores) de tomas bajo carga, hasta el tanque de expansin y se
encuentra instalado en una tubera que se encuentra unida a la cuba del transformador. El mismo
debe estar firmemente aterrado a la cuba del transformador.
Rel de sobrepresin: Este dispositivo se encarga de sensar la presin de la cuba principal y se
encuentra instalado la misma. El mismo debe estar firmemente aterrado a la cuba del
transformador.
Termmetros: Se encargan de sensar la temperatura de aceite y de los devanados (imagen
trmica). Los mismos deben estar instalados en la cuba del equipo. No se recomienda que estos
dispositivos se monten en el tablero del transformador, ya que el tubo capilar que censa la
temperatura normalmente es metlico y se encuentra conectado a la parte superior de la cuba, lo
cual representara una conexin elctrica entre el tablero de mando control y protecciones con la
cuba. Por tal razn estos dispositivos deben estar firmemente aterrados a la cuba del
transformador.
Sensores de nivel: Estos dispositivos se encargan de sensar el nivel de aceite del tanque de
expansin de la cuba principal y del tanque de expansin del cambiador de tomas bajo carga. Los
mismos estn instalados en el respectivo tanque. Estos dispositivos deben estar firmemente
aterrados a la cuba del transformador.
Ventiladores: Estos dispositivos se encargan de reducir la temperatura de aceite y de los
devanados. Los mismos deben estar instalados en la cuba o radiadores del equipo a travs de
aislantes. Los mismos deben estar firmemente aterrados a una barra ubicada en el tablero de
mando control y protecciones del transformador. Esta forma de aterramiento evita que ocurra el
disparo de la proteccin masa cuba en caso de que alguno de los ventiladores falle
elctricamente.
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Transformadores de corriente: Estos dispositivos se encargan de sensar las corrientes que
circulan por los bushings de baja y alta tensin, con el fin de poderla utilizar en los esquemas de
proteccin y mediciones. Los mismos estn instalados en la cuba del equipo a travs de aislantes.
El devanado secundario de estos dispositivos debe estar firmemente aterrado a una barra ubicada
en el tablero de mando control y protecciones del transformador. Es importante destacar que se
debe aterrar estos componentes el sitio indicado solamente, ya que en muchos esquemas de
protecciones se ha observado dobles puestas a tierra, lo cual es una de las causas ms frecuentes
de la actuacin errtica de las protecciones.
Transformador de corriente masa cuba: Este dispositivo se encargan de sensar la corriente
que circula desde la cuba a la malla de tierra, con el fin de poderla utilizar en los esquemas de
proteccin. El devanado secundario de este dispositivo debe estar firmemente aterrado a una
barra ubicada en el tablero de mando control y protecciones del transformador.
Mando del cambiador de tomas bajo carga: Es el encargado de proporcionar el mando
mecnico y elctricamente asistido para efectuar las conmutaciones del cambiador de tomas bajo
carga del transformador. El mismo debe estar instalado en la cuba del equipo a travs de
aislantes. El eje de mando tambin debe poseer un aislante. Este dispositivo debe estar
firmemente aterrado a la malla de tierra de la subestacin.
Tablero de control, mando y protecciones: Este componente incorpora los elementos de
control, mando, alarmas y protecciones del transformador. El mismo debe estar instalado en la
cuba del equipo a travs de aislantes. Este dispositivo debe estar firmemente aterrado a la malla
de tierra de la subestacin.
Este tablero debe poseer en la parte interna tres barras de tierra, tal como se indica a
continuacin:
Una barra de tierra aislada del tablero (Barra 1), en la cual se deben aterrar los componentes que estn instalados en la cuba del transformador (rel buchholz, rel Jansen,
rels de sobrepresin, termmetros, imagen trmica y sensores de nivel). Esta barra debe
estar conectada a la cuba del transformador a travs de cable aislado.
Una barra de tierra aislada del tablero (Barra 2), en la cual se deben aterrar los ventiladores, los secundarios de los trasformadores de corriente de los bushings del trasformador y el
secundario de transformador de corriente masa cuba. Esta barra debe estar conectada al
tablero a travs de cable aislado.
Una barra de tierra conectada al tablero (Barra 3), en la cual se deben aterrar todos los elementos que estn instalados en el tablero.
Todos los elementos que se encuentran fuera del tablero, deben incluir en el cable que transporta
las seales un conductor de puesta a tierra (color verde) el cual debe estar conectado al punto de
tierra del componente en un extremo y en el otro a la barra de tierra del tablero tal como se
explic anteriormente. Debe tenerse sumo cuidado que las tuberas de proteccin donde van los
conductores desde el tablero hacia los componentes montados en la cuba, en el punto de entrada a
dicho tablero no establezcan contacto elctrico. Para tal fin deben colocarse aislantes adecuados.
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Ruedas: Se utilizan para soportar y movilizar el transformador. Las mismas deben estar
instaladas en la cuba del equipo a travs de aislantes. Estos dispositivos no requieren estar
aterrados a la malla de tierra de la subestacin.
Figura 3 Esquema donde se muestran los diferentes componentes de un transformador de potencia
3. ESQUEMA PROPUESTO DE PUESTA A TIERRA DE LOS COMPONENTES DEL TRANSFORMADOR:
Una de las conexiones a tierra en la que debe tenerse mayor cuidado es la de los neutros del
transformador, debido a que las corrientes de falla lnea a tierra en dichos componentes son las de
mayor valor. Con el fin de minimizar las corrientes que van desde los neutros hacia la malla de
tierra se deben interconectar los terminales de neutro de alta y baja tensin.
A manera de ejemplo a continuacin se muestran los valores aproximados de las corrientes que
aparecen en un transformador de 115/34,5kV y 30 MVA de capacidad, durante la ocurrencia de
una falla monofsica (con un valor bajo de resistencia de puesta a tierra):
Ventilador
Indicador de nivel de aceite
Relee Buchholz
Bushings de alta tensin
Bushings de baja
tensin
Tanque de expansin
Cuba principal
Tanque de expansin Cambiador de tomas
Indicador de nivel de
aceite
Vlvula de alivio de presin
Cambiador de tomas
Bajo carga
Mando del Cambiador de tomas
Bajo Carga
Tablero de Control, mando y protecciones
Ruedas
Relee Jansen
Termmetros
Transformador de Corriente
Masa cuba
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Otros elementos a tomar en cuenta son los conductores que aterran el tablero de control, mando y
protecciones as como el mando del cambiador de tomas bajo carga y los rieles del
transformador.
Figura 5 Esquema de aterramiento de los tableros del transformador as como de los rieles
Debe efectuarse la conexin de todos los elementos mencionados en el tramo del conductor que
va desde el transformador de corriente masa cuba hasta la malla de tierra, utilizando conductor
aislado de 600V, con un calibre de al menos 4/0. La cuba debe aterrarse solo a travs del
transformador de corriente masa cuba. Esta conexin garantiza que todos los elementos estn al
mismo potencial, evitando diferencias de tensin en los mismos durante las fallas a tierra.
De igual manera, con esta conexin se evita el disparo errtico de la proteccin masa cuba en los
casos donde se tengan fallas a tierra en el tablero de control, mando y protecciones as como el
mando del cambiador de tomas bajo carga.
Neutro de alta Tensin
Aisladores
5020 amp 1506 amp
3514 amp
a2 Malla de tierra
Neutro de baja Tensin
Mando del Cambiador de tomas Bajo carga
Transformador de Corriente
Masa cuba
Tablero de Control, mando y protecciones
Ruedas Malla de tierra
Barra 1 (aislada)
Conductor aislado
Barra 2 (aislada)
Barra 3
Mando del Cambiador de tomas Bajo carga
Transformador de Corriente
Masa cuba
Tablero de Control, mando y protecciones
Ruedas Malla de tierra
Barra 1 (aislada)
Conductor aislado
Barra 2 (aislada)
Barra 3
b
Tal como se puede observar, la corriente individual
de los bushings es 1506 amp para el lado de alta
tensin y 5020 amp para el de baja tensin. Al
interconectar los dos terminales se obtiene una
corriente de 3514 amp (correspondiente a la
diferencia entre ambas corrientes), la cual es
inferior a la que aparece en el lado de baja tensin
si se hubiese conectado de manera individual.
Es importante destacar que el conductor que va
desde el bushing de alta tensin a la malla de tierra
debe estar aislado de la cuba del transformador,
con elementos de al menos 8 kV. El conductor que
va desde el terminal de baja tensin hasta el de
alta, debe soportar la corriente total de
cortocircuito de baja tensin (5020 amp en este
caso). Figura 4 Esquema de aterramiento de los neutros del transformador
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Otro factor a considerar es el sitio de la malla de tierra a ser utilizados para conectar los puntos a2
(figura 4) y b (figura 5), los cuales deben estar a la mayor distancia posible (diametralmente
opuestos). En ambos casos, se deben conectar a la malla en la interseccin de conductores. Para
el caso del punto a2 debe reforzarse con dos barras de profundidad (jabalinas) de al menos 2,4
mts de longitud y con unos 1,5 metros de separacin entre ellas.
Figura 6 Vista superior del esquema de aterramiento del transformador
Por tal razn, el transformador debe estar conectado a tierra en dos puntos:
a2: Neutros de alta y baja tensin
b: Transformador de corriente masa cuba.
Con los esquemas de aterramiento efectuados como se indica en el presente trabajo se minimizan
las sobretensiones peligrosas debidas a las fallas monofsicas, a descargas atmosfricas y a
maniobras en el lado de alta y baja tensn del transformador. De igual manera se evitan las
actuaciones errticas de las protecciones.
4. TRABAJO DE INVESTIGACION REALIZADO POR EL C.N.R.T PARA OBTENER LA PROPUESTA ACTUAL Y SOPORTE TECNICO DE LA MISMA :
El C.N.R.T. fundado en 1985, ha venido trabajando desde ese ao en conjunto con las diferentes
unidades que operan y mantienen transformadores de potencia de CADAFE a nivel nacional.
Durante la ocurrencia de disparos errticos de la proteccin masa cuba, de la proteccin
diferencial, as como de daos en componentes propios del transformador, tales como relees de
regulacin, termmetros y sistema de control de la refrigeracin, una vez evaluado el esquema de
aterramiento de cada caso, se encontr en la mayora de ellos que se estaba aterrado por separado
a un punto de la malla los neutros del transformador, el transformador de corriente masa cuba,
los tableros de control y de mando del cambiador de tomas bajo carga, as como cada riel.
b
a2
Cuba del transformador
Neutros
Malla de tierra
Transformador de corriente Masa cuba
Vista superior
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En otros casos se encontraron unidos en el mismo punto de puesta a tierra los neutros del
transformador y el transformador de corriente masa cuba (a2 y b unidos). En todos los casos
evaluados se determin que la actuacin errtica de las protecciones (masa cuba y/o diferencial)
se deba a una doble puesta a tierra en los componentes del transformador, lo que originaba
corrientes circulantes en las protecciones, provocando la actuacin de las mismas, ya que cuando
ocurre una falla a tierra en el lado de baja del transformador, aparecen diferencias de potencial en
la malla de tierra de la subestacin, siendo el mximo valor de tensin en el punto donde se aterra
el neutro de baja tensin.
Al implementar el esquema propuesto, no ocurrieron nuevamente disparos errticos de las
protecciones, mejorndose sensiblemente la confiabilidad del transformador.
De igual manera, en la ocurrencia de daos en los componentes de proteccin y control del
transformador, se encontr que el esquema de aterramiento utilizado es el mencionado al
principio de este punto, lo que originaba sobretensiones en dichos componentes durante la
ocurrencia de fallas a tierra en el lado de baja del transformador. Cabe destacar que la mayora de
los elementos de control y proteccin del transformador no soportan picos de tensiones superiores
a 2 kV.
Al aterrar el transformador tal como se indica en el presente trabajo, se minimizaron las tensiones
transitorias en los componentes de proteccin y control, evitando nuevos daos en los mismos.
De igual manera, en muchas oportunidades ante la falla de un ventilador del transformador se
tuvo la actuacin de la proteccin masa cuba, sacando de servicio innecesariamente el
transformador. Al efectuar el aterramiento de los componentes del transformador al tablero del
mismo tal como se indica en la figura 5 (Barras 1, 2 y 3), se evit la ocurrencia de nuevos
disparos del transformador al daarse un ventilador.
El esquema de aterramiento propuesto adems de implementarse en las casos donde se han
tenido problemas, tambin ha venido siendo utilizando por el C.N.R.T. al efectuar la instalacin
de los transformadores de potencia reparados, encontrndose en todos los casos la no ocurrencia
de disparos errticos de protecciones as como la no aparicin de fallas en los componentes del
transformador, por lo cual se consider de utilidad para el resto de las empresas del sector
elctrico la presentacin del mismo ante este Congreso, a los fines que pueda ser usado como
gua en la solucin de problemas similares a los encontrados en los transformadores de
CADFAFE. Bibliografa: (1) IEEE Std 80-2000 Guide for Safety In AC Substation Grounding. (2) IEEE Std 81-1983 Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System. (3) Alta Tensin y Sistemas de Transmisin Luis A. Siegert C.