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Relevadores 51N – Falla a Tierra
En sistemas solidamente aterrizados,la tierra es común a todos loselementos y una falla a tierra sedetermina por la corriente que circulapor ella.
Lo anterior no siempre se cumple. Ensistemas industriales grandes o en
redes de distribución, esto es común.
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Relevadores 51N – Falla a Tierra
La razón principal es el costo elevadoque esto implica.
Porqué es conveniente poner a tierrael neutro de los sistemas?
– Limitar la corriente máxima de falla avalores que no resulten perjudiciales alos generadores, transformadores y
demás equipos del sistema.
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Relevadores 51N – Falla a TierraRazones Principales para Reducir las
Corrientes de Falla a Tierra.– Reducir el riesgo de incendio de equipos
eléctricos (cables, transformadores,
máquinas rotatorias).– Reducir riesgos de descarga eléctrica al
personal causado por las corrientes
circulantes en la trayectoria de retornopor tierra.– Permitir el control de sobre-voltajes
transitorios.
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Relevadores 51N – Falla a Tierra
– Reducir el riesgode explosión oflameo por arco
al personal quepudiese estarexpuesto a la
Corriente deFalla.
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Relevadores 51N – Falla a Tierra
– La puesta a tierra del neutro, deberápermitir un flujo de corriente de fallasuficiente para que las alarmas o
relevadores de protección operen.– Existen dos tipos de resistencia para la
puesta a tierra del neutro.• Baja Resistencia, limita la corriente al nivel
mínimo (> 50 A) que permita que operen losrelevadores de protección.
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Relevadores 51N – Falla a Tierra
– Alta Resistencia, ésta se dimensiona demanera que permita una corriente defalla máxima mayor que la corriente de
carga capacitiva a tierra del sistema(usualmente 5A para sistemas menoresde 1kV).
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Relevadores 51N – Falla a Tierra
Sobre la Puesta a Tierra por BajaResistencia.– Estandar IEEE 142-1991 Prácticas
Recomendadas para la Puesta a Tierra deSistemas de Potencia Industriales yComerciales.• Este método tiene la ventaja de liberar en
forma selectiva e inmediata el circuitopuesto a tierra. Requiere que la mínimacorriente de falla sea suficiente para operar
el relevador de falla a tierra.
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Relevadores 51N – Falla a Tierra
– Estandar IEEE 242-1986 PrácticasRecomendadas para la Coordinación yProtección de Sistemas de PotenciaIndustriales y Comerciales.
• La magnitud de la resistencia de puesta a
tierra debe ser tal que permita circularcorriente suficiente para que los relevadoresde falla a tierra la detecten y liberen elcircuito fallado.
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Reles 51N – Falla a Tierra
En los casos en que el Sistema no estasolidamente aterrizado, la falla atierra se determina por el desbalance
en la corriente de carga. Este es elprincipio de funcionamiento de los
relevadores 51N.
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Reles 51N – Falla a Tierra
En condiciones normales de operaciónestos no deben actuar por desbalance,
ya que desde el punto de vista
práctico este no debe ser mayor al30% del valor nominal de la carga.En casos como el reestablecimiento
de “zonas oscuras” en sistemas dedistribución, el desbalance suele“verse” como una falla a tierra.
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Reles 51N – Falla a Tierra
En sistemas industriales se presentancasos similares, en arranques deplanta principalmente de cargas
monofásicas.Cuando se hacen operación con
seccionadores monopolares serecomienda bloquear el 51N paraevitar que actue por desbalance.
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Reles 51N – Falla a Tierra
Puesta del Neutro a “Tierra Sólida”VS. “Tierra a través de BajaResistencia”.
– Los sistemas solidamente aterrizadosson una mejora respecto a los “flotantes” y agilizan la localización de fallas.
– No permiten limitar la corriente de fallacomo en los sistemas en que la puesta atierra del neutro se realiza a través de
baja resistencia.
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Reles 51N – Falla a Tierra– La naturaleza del arco por falla a tierra
en sistemas solidamente aterrizados esconocida por la cantidad de energíadisipada durante la falla.
– Una medida aproximada de la energíadisipada puede ser obtenida calculandolos KWC (Kilowatt Ciclo) disipados en el
arco utilizando la siguiente expresión;
KWC=Ifg*Tiempo/10
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Reles 51N – Falla a Tierra
– La siguiente tabla presenta una relaciónentre magnitud de la energía disipada ysus evidencias en el sistema.
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Reles 51N – Falla a Tierra– Ejemplo comparativo.
• Considere un sistema con las siguientescaracterísticas, 480 V, 2000 kVA y unacorriente de falla a monofásica disponible de
30,000 A• Sí el sistema este solidamente aterrizado yconsiderando que el interruptor abre en 10ciclos, KWC = 30000*10/10= 30,000
• Sí el sistema se aterriza con baja resistencia y se limita la corriente de falla a 400A setiene que KWC = 400*60/10 = 2,400
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Reles 51N – Falla a Tierra
Sistemas no Aterrizados– Ventajas
• Magnitudes de corrientes de falla a tierra
bajas.• No riesgos de arco eléctrico en fallas atierra.
• Operación continua después de la primerfalla a tierra.
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Reles 51N – Falla a Tierra– Desventajas
• Se dificulta la localización de las fallas atierra, por lo tanto los costos que involucra laeliminación de manera permanente de la falla
en general son altos.• Riesgo de sobrevoltajes transitorios severos
durante una falla a
• Una segunda falla a tierra da como resultadouna falla entre líneas.
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Reles 51N – Falla a TierraUso de Transformadores en Zig-ZAg
– Se emplean en sistemas tipo DELTA y suobjetivo es crear una tierra “artifial” eneste tipo de sistemas.
– Permite detectar y liberar en formaselectiva fallas a tierra en este tipo desistemas.
– La detección se realiza conectando unrelé 51N entre el punto de tierra y el
neutro del transformador.
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Reles 51N – Falla a Tierra– La selectividad se puede lograr de la
manera siguiente;• Normalmente el los circuitos fallados existeno pueden existir protecciones de falla atierra (Casi todos los relés electrónicosmultifunción tienen esta función) en el casode la configuración en Delta esta funciónnormalmente está inhibida.
• Al disponerse de una trayectoria para lascorrientes de falla a tierra creadoartificialmente por el TR Zig-Zag se activa lafunción y se coordina con el 51N conectado
entre tierra y el neutro del transformador.
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Falla a TierraSistemas solidamente aterrizado.
caI + I + I = 0
cb cc
Total Capacitive Current
IcacbIIcc
AØ BØ
CØ
3Ø Load
480V Wye Source
nI
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Falla a TierraDistribución de la corriente de falla.
* IflapuZf
I =1
Estimated Total Fault Current
480V Wye Source3Ø Load
CØ
BØAØ
I
f n
I
cc
I I
cb ca
I
+ (I + I ) = ~Icb cc
~0A (3A)
n= ~60,000A
Example (2500kVA, 480V, Z = 5% )
1I = I =
f 0.05* 3000A
n
~60kA
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Falla a TierraUn valor grande de la corriente de falla
causará danos severos.
– Si los dispositivos de protección de sobrecorriente se coordinan adecuadamente liberaran lafalla de manera adecuada y el daño se consideraaceptable.
VoltajesTransitorios
Corrientede Falla
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Falla a TierraSistema aterrizado, “falla de alta impedancia”
* I flapuZ
f I =1
Estimated Total Fault Current
480V Wye Source
3Ø Load
CØ
BØAØ
I f nI ccI Icb caI
+ (I + I ) = ~Icb cc
~0A (3A)
n = ~23kA
Example (2500kVA, 480V, Z = 5% )
1I = I =f
0.05* 3000An
~23kA
* .38 * .38
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Falla a TierraCorriente de falla baja, los dispositivos de
protección no operan y se pueden causarserios daños al equipo.