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Los centros petroquímicos mexicanos presentan problemas graves debido a sobretensiones transitorios como consecuencia del esquema de aterrizamiento del neutro que actualmente se emplea
Uno de los principales problemas que afecta en mayor medida la operación de los centros petroquímicos de México es la interrupción de energía eléctrica en los procesos de producción. La principal causa de dicha interrupción es la presencia de fallas que inhiben la continuidad y confiabilidad del servicio de energía eléctrica.
Una causa de falla en el sistema eléctrico con daños permanentes en los equipos eléctricos primarios ha sido la ocurrencia de sobretensiones transitorios. La presencia de este fenómeno está directamente asociada con la manera de conectar a tierra el neutro de los generadores eléctricos.
De esta manera conceptual, en los centros petroquímicos se conecta a tierra únicamente a neutro de uno de los equipos generadores eléctricos y uno de los transformadores enlace con la Comisión Federal de Electricidad (CFE), por lo que al presentarse una falla de fase a tierra, operan las protecciones para liberar la falla dejando al sistema eléctrico temporalmente sin referencia de tierra.
Las sobretensiones que se han presentado oscilan entre 10 veces la tensión nominal, lo cual ocasiona arcos en los puntos más débiles del sistema eléctrico, por ejemplo, los empalmes de los cables de energía.
Puesta a tierra del neutro
Inicialmente, para mantener la continuidad de la producción en los centros petroquímicos, el esquema de conexión a tierra del neutro de los generadores de energía eléctrica fue establecido a través del método de baja resistencia con un bus de neutros asociados.
El bus de neutros está formado por un tablero con varios interruptores, dependiendo del número de generadores.
De este tablero se deriva un banco de resistencias con una magnitud del orden de 8 a 13.2 Ohms (fig. 1). Durante la operación normal del sistema eléctrico, sólo uno de los interruptores del bus se encuentra cerrado, el resto se mantiene abierto.
Durante una falla a tierra, el retorno de la corriente de falla es a través de la resistencia del bus de neutros.La coordinación de las protecciones de falla a tierra activará las funciones de protección ANSI 50/51.
Estadísticamente, las fallas a tierra corresponden a un porcentaje superior al 90% de ocurrencia, en comparación con las fallas trifásicas.
La coordinación de las protecciones debe estar determinada de tal manera que la fuente de corriente de falla sea inhibida y para lograrlo es necesario aislar la falla o en su caso eliminar la fuente de la corriente de falla.
Si ésta no es liberada correctamente o la falla sucede en el generador con el neutro conectado a tierra, es necesario que éste se mantenga en operación. Cuando el generador que se encuentra con referencia a tierra en el neutro sale de operación, el sistema se queda sin referencia intencional a tierra y puede estar expuesto a la presencia de sobretensiones debidas al fenómeno de la resonancia electromagnética.
La literatura actual recomienda no operar con el neutro flotado debido a que pueden presentarse sobretensiones peligrosas, las cuales han originado pérdidas cuantiosas y daños a los equipos eléctricos.
Considerando el figura 2 con un sistema en estado estable, donde el generador entrega su potencia a la carga, la corriente que circula por el neutro es prácticamente nula. El generador está conectado a tierra a través de su capacidad y en el neutro del generador prácticamente no hay circulación de corriente y hay un voltaje de tercera armónica del orden de 1 kVpp.
Cuando ocurre una falla en el sistema hay una corriente de retorno a través de la capacitancia del generador y se inyecta un voltaje a través del neutro que distorsiona el voltaje aplicado a las fases no falladas, como puede observarse en la figura 3.
Al inyectar una corriente por la capacitancia del neutro se eleva el potencial del neutro, de tal forma que el potencial de línea a tierra de las fases se cambia al voltaje entre líneas por el corrimiento del neutro. Esta situación, aunque es negativa, se toma en cuenta en el diseño de los sistemas eléctricos, por ejemplo, los cables de energía se diseñan con un nivel de aislamiento del 133%.
Sin embargo, la situación se torna muy grave debido a que por la inyección de corriente de la fase fallada, se distorsiona la forma de onda de las fases no falladas, quedando excitadas con una forma de onda que ya no es senoidal. Por la simple interacción de la corriente inyectada por la fase fallada con las fases libres de falla se obtiene una forma de onda como la que se muestra en la fig. 4.
Ampliando la transformada de Fourier se encuentra la frecuencia de las componentes armónicas de la tensión de fase a neutro del generador, como se muestra en la fig. 5.
Es importante notar que cuando se tiene un generador conectado a tierra con baja resistencia y ocurre una falla, por el neutro del generador que está a tierra circularán 600A y por los que no están conectados a tierra habrá una circulación de corriente del orden de 0.5A, desde el punto de vista de la generación de sobrevoltajes por resonancia es obligatorio que todos los neutros de los generadores y transformadores conecten a tierra.
Solución del problema
A través de los años se ha observado que cuando se presenta una falla a tierra en el nivel de 13.8kV, el relevador de protección del generador que tiene una referencia a tierra detecta la falla y actúa dejando fuera de operación a este generador.
En esta situación, el sistema de energía eléctrica continúa operando sin una referencia a tierra. Como no se tiene una corriente de sensibilidad para las protecciones de la falla, el esquema de protección no es capaz de liberarla. La corriente de cortocircuito está limitada por la capacitancia del generador y es del orden de 0.5A.
La corriente de inyección de la falla a través del neutro produce un voltaje no sinusoidal en la salida del generador. Esta tensión proporciona el voltaje de excitación de la falla y es posible que se presente un circuito resonante en serie.
En esta condición puede presentarse una sobretensión peligrosa. En la práctica se han observado arcos eléctricos entre las barras de los tableros del orden de 15 cm. de distancia con respecto a las paredes de los mismos, por lo que se estima que las sobretensiones son del orden de 10 a 12 p.u. Con el fin de evitar estas sobretensiones por resonancia es necesario contar con un sistema de puesta a tierra de manera permanente, a través de una alta impedancia.
La fig. 6 muestra un sistema con conexión a tierra por alta impedancia, en este diagrama es de 5A.
En un esquema con alta impedancia, las simulaciones mostraron que no se presentan sobretensiones superiores a 1.73 p.u.
La solución práctica consiste en tener un sistema de puesta a tierra del neutro híbrido, de tal manera que la alta impedancia evite la presencia de sobretensiones y la baja resistencia permita tener la corriente de sensibilidad para la operación del sistema de protección de falla a tierra, de acuerdo con la coordinación de protecciones vigente.
De este modo, la inversión para la implementación de esta solución consiste en la adquisición de un trasformador de puesta a tierra conectado en el neutro de las unidades de generación y a su vez conectando en paralelo con el banco de baja resistencia actualmente instalado, como en la fig.7.
Conclusiones El esquema de aterrizamiento del neutro actualmente empleado en las plantas petroquímicas del país para los generadores, ha provocado serios problemas debido a sobretensiones transitorios por la formación de un circuito resonante serie, al quedar el sistema eléctrico temporalmente “flotado”.
Se han observado y analizado múltiples casos donde se han presentado sobretensiones del orden de 10 a 12 p.u, con las consecuencias de destrucción de tableros y generadores eléctricos. Es posible solucionar este problema conectando a tierra el neutro de los generadores eléctricos a través de un sistema de puesta a tierra híbrido, formado por un trasformador de alta impedancia conectado en paralelo con el banco de baja resistencia actualmente instalado. Esta solución práctica y económica se ha realizado en un CPM, y a lo largo de cuatro años no se han presentado fallas relacionadas con sobretensiones.
Con la solución propuesta se protege y se prolonga la vida útil del equipo de mayor inversión de un sistema eléctrico, que es el grupo generador-turbina.
