SUBESTACIÓN. [6]
3.7.1 Generalidades
La puesta a tierra ha tenido en la práctica diversos enfoques, siendo el principal la seguridad, pero siguiendo a ésta, la función de protección a los equipos e instalaciones, y finalmente la cuestión de funcionalidad de los equipos. Todas estas funciones no siempre son exigidas por las necesidades de una instalación, pero generalmente los sistemas eléctricos interactúan con otros sistemas para lograr un sistema total, de esta manera deben tomarse en cuenta las características de cada subsistema para que éstos sean compatibles.
Entre los subsistemas de puesta a tierra figuran principalmente: 1) el de seguridad de las personas,
2) el de protección contra descargas atmosféricas, 3) el de referencia para señal y
4) el subsistema de electrodos (malla de la red de tierras para el caso de subestaciones).
Cada uno de ellos impone ciertas características al diseño del sistema de puesta a tierra, por lo que es necesario coordinar cada una de estas características en la integración de un sistema de puesta a tierra total.
La división de un sistema de puesta a tierra en subsistemas funcionales es necesaria para propósitos de análisis y estudio, sin embargo en el momento de diseño debe haber una integración de los diferentes subsistemas con sus respectivas características. Es por eso que es necesario el análisis que permita conocer estas características y hallar su compatibilidad.
Por ejemplo, el subsistema de puesta a tierra de seguridad sólo requiere que los equipos y partes metálicas sean puestos a tierra para evitar potenciales peligrosos y circulación de corrientes a través del cuerpo. Mientras que el subsistema de referencia para señal requiere cumplir con los requisitos del subsistema anterior pero además debe buscarse un esquema que evite la propagación de interferencia.
En este caso parece haber conflictos entre un subsistema y otro debido a que generalmente en el subsistema de seguridad no se toman en cuenta los criterios para evitar interferencia de señales, lo cual conduce en la mayoría de los casos a hacer modificaciones que hacen inseguros los sistemas de puesta a tierra existentes, a cambio de hacerlos funcionales, es decir, libres de interferencia.
91 3 Un termocople básicamente es un transductor de temperaturas, es decir un dispositivo que convierte una
magnitud física en una señal eléctrica.
4Los RTD son sensores de temperaturaresistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en
3.7.2 Equipos principales de la caseta de control de una subestación de potencia convencional
La caseta de control es donde se alojan los sistemas y equipos que intervienen en el control operativo de la instalación y está formada como mínimo por un área para la instalación de un banco de baterías y una sala de tableros. Por lo que respecta a la sala de Tableros, se componen como mínimo de los siguientes equipos:
Sistema de Información y Control Local de Estación (SICLE) (en subestaciones de potencia), Protección Control y Medición (PCM), control supervisorio, tablero de servicios propios de C.A y C.D, cargadores de baterías y equipos de comunicación.
Los circuitos de control generalmente involucran cables no blindados para entradas y salidas digitales (48-125 VCD), y control de equipos de la subestación (24-125 VCD y 120 VCA).
Por otro lado, los circuitos de instrumentación generalmente involucran cables blindados para entradas y salidas digitales (24 VCD y menores, termocoples3, RTD´S4, 4-20 mA y otras entradas y salidas.
Al existir la interacción entre sistemas de C.A y C.D, así como la presencia de equipos electrónicos sensibles, la red de tierras de la caseta de control debe diseñarse tomando en cuenta esta diversidad de equipos y aplicaciones.
3.7.3 Planteamiento del problema
La puesta a tierra es esencial para proteger contra la posibilidad de electrocución eléctrica del personal, y además es un elemento vital en la protección contra descargas atmosféricas.
Su papel de protección de los equipos y sistemas contra el “ruido” eléctrico o Interferencia, no es analizado adecuadamente en la generalidad de las situaciones.
La falta de análisis frecuentemente ocasiona que no se consideren todos los factores, como el medio ambiente, el cual determina el buen o mal funcionamiento del sistema de puesta a tierra.
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3.7.3.1 El medio ambiente
Normalmente, un sistema debe operar en ambientes que contienen muchas tesiones y corrientes potencialmente incompatibles (que producen errores o daños potenciales). Estas fuentes son generalmente de origen atmosférico (descargas atmosféricas), fuga de corrientes parásitas del sistema, señales de radiofrecuencia procedentes de estaciones transmisoras, fenómenos de inducción de líneas de potencia, etc.
La multiplicidad de circuitos y equipos electrónicos frecuentemente conduce a establecer trayectorias metálicas comunes para estos circuitos, las cuales pueden servir como trayectorias de retorno para circuitos de potencia, descargas atmosféricas, o como parte integral de un blindaje contra interferencia electromagnética. Estas trayectorias comunes, junto con la presencia de numerosas corrientes circulando a través de tales trayectorias, provocan el acoplamiento no deseado de interferencia electromagnética.
La conexión efectiva a tierra se logra mediante una red de referencia apropiada que, además de cumplir otras funciones, no produzca interferencia electromagnética entre los equipos y circuitos del usuario. En esencia, el propósito de la puesta a tierra para evitar interferencia, es interconectar eléctricamente los objetos conductores o cargados con el fin de minimizar las diferencias de potencial entre ellos, al mismo tiempo que se busca evitar la circulación de corrientes no deseadas.
3.7.3.2 Interferencia
Interferencia es cualquier perturbación eléctrica o electromagnética extraña que (1) tiende a alterar la recepción de las señales deseadas o (2) produce respuestas indeseables en un circuito o sistema.
Los circuitos sensibles que funcionan a alta frecuencia, generalmente requieren de una referencia común para señal, a la cual pueda ser conectado el conjunto de componentes, circuitos y redes relacionadas. En forma ideal, esta conexión común de referencia ofrece una trayectoria de cero impedancia para todas las señales a las cuales sirve como referencia. Estas corrientes deben regresar a sus respectivas fuentes sin crear un acoplamiento no deseado con otro circuito. Desafortunadamente, los circuitos de puesta a tierra no son ideales, y por lo tanto, no proporcionan trayectorias de cero impedancia para las corrientes que circulan por ellas. Debido a esto, cuando en un sistema se comparten trayectorias de retorno para varias señales se producen problemas de interferencia.
Un análisis de lo anterior conduce a establecer los tres elementos básicos que hacen posible los problemas de interferencia:
1) Una fuente de perturbación o ruido 2) Una forma de acoplamiento
Los problemas de interferencia pueden entonces ser eliminados, modificando cualquiera de estos tres elementos. Esto es, si existe un problema de interferencia en una instalación, en el que intervenga el sistema de puesta a tierra, se puede corregir suprimiendo: 1) la interferencia desde la fuente, 2) evitando que entre al sistema (evitando el acoplamiento), o 3) disminuyendo la sensibilidad del equipo. Para entender los problemas de ruido se debe partir de la idea de que no existe ruido interno en el equipo antes de que cualquier cable externo se conecte a este. Por lo tanto el ruido eléctrico es un problema que tiene que ver con las interacciones del equipo con sistemas externos, de aquí que se deba poner un especial énfasis en las conexiones e interconexiones de los equipos, especialmente en la presencia o formación de trayectorias comunes y el sistema de puesta a tierra.
3.7.3.3 Formas de acoplamiento de interferencia Acoplamiento de impedancia común
El acoplamiento se puede definir como el medio por el cual una tensión o corriente en un circuito produce (de manera directa o a través de inducción) una tensión o corriente en otro circuito diferente. El acoplamiento de interferencia es un acoplamiento no intencional entre circuitos, que produce una respuesta no deseada en uno de los circuitos que intervienen en el acoplamiento, como se aprecia en la figura 3.12.
Figura 3.12. Acoplamiento entre dos circuitos debido a una trayectoria de retorno común.
Puesto que los planos de referencia para señal no muestran una trayectoria de cero impedancia, cualquier corriente que fluye en tal plano producirá diferencias de potencial entre dos puntos cualesquiera en el plano de referencia. Los circuitos que hagan interfaz con estos puntos en el plano pueden experimentar una interferencia acoplada de manera directa como se ilustra en la Figura 3.12. En esta figura se puede observar que una corriente que fluya en cualquiera de los dos
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La Figura 3.13 muestra una forma alterna y común de acoplamiento, en ésta, el efecto de una corriente parásita (o vagabunda) IR, que fluye en un plano de
referencia. La corriente IR puede tener su origen en un acoplamiento directo de
otro equipo a ese mismo plano de referencia, puede ser el resultado de un acoplamiento externo, o puede ser inducida en el plano por un campo incidente. En cualquiera de los casos, IR produce una tensión VN en la impedancia del plano
de referencia ZR. Esta tensión produce una corriente en el lazo de interconexión
que a su vez desarrolla una tensión en ZL en el equipo B. De esta manera, es
evidente que la interferencia se puede acoplar de manera directa a través del plano de referencia a todos los circuitos y equipos conectados a éste plano.
Figura 3.13. Acoplamiento de una señal externa a los cables de interconexión del equipo.
3.7.3.4 Formas de ruido Ruido en modo normal
El ruido en modo normal es el ruido eléctrico que aparece en la forma de señales de tensión entre una línea y otra y entre cualquier línea y neutro. Esta condición provoca la circulación de corrientes entre dos conductores cualesquiera que pueden estar o no aterrizados. El ruido en modo normal se le conoce también como ruido en modo diferencial. La figura 3.14 muestra la medición del ruido en modo normal en un circuito conectado a tierra.
Ruido en modo común
El ruido en modo común es el ruido eléctrico que ocurre sobre todos los conductores de un circuito eléctrico en el mismo instante. Esto es, una señal de tension presente entre el punto de referencia a tierra local y cada uno de los conductores de alimentación incluyendo el neutro. El ruido en modo común ocasiona que fluya una corriente simultáneamente en todos los conductores de un circuito, utilizando generalmente el sistema de puesta a tierra como trayectoria de retorno para cerrar el circuito. Una manera efectiva de medir la magnitud del ruido en modo común es colocar las terminales de un instrumento de medición
(osciloscopio) o el conductor neutro y la envolvente metálica de un tablero de distribución o de un equipo sensible aterrizado.
La Figura 3.14 muestra un circuito donde se presenta una señal de ruido en modo común. De acuerdo con la NOM-001-SEDE-2005 [15] las partes metálicas no energizadas son conectadas a tierra por cuestiones de seguridad, utilizando un conductor de puesta a tierra para equipo.
Sin embargo, este conductor crea una trayectoria para las corrientes de ruido en modo común formando un circuito que empieza como el que se muestra en la figura 3.14. Cualquier flujo de corriente a través de este circuito puede ocasionar ruido en los conductores de señal de los equipos sensibles, por medio de acoplamiento electromagnético o por conexión directa (acoplamiento de impedancia común) y capacitancias parásitas distribuidas.
Las formas más eficientes de reducir el ruido en modo común, y que involucran a los sistemas de puesta a tierra, son las siguientes:
1) Desconectar una de las conexiones a tierra (La NOM, por cuestiones de seguridad, impide desconectar la conexión G1).
2) Disminuir la impedancia del conductor de puesta a tierra del equipo, por medio de
a) Acortar la distancia “d”.
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3.7.4 Objetivo de un SPT para equipos de instrumentación y control
El objetivo fundamental de un sistema de puesta a tierra (SPT) de señal es crear un plano de tierra de referencia al cual se conecte el hardware electrónico en un área localizada.
3.7.5 Configuraciones
Existen tres formas de llevar a cabo este SPT de señal: un solo punto, multipunto y flotado. En este trabajo se explicará el método de un solo punto, ampliamente usado para eliminar circulación de corrientes de tierra que causan ruido de modo común.
3.7.6 Sistema de un solo punto
Se implementa conectando el circuito de señal al SPT de la subestación en un solo punto. Este sistema es muy efectivo y adecuado cuando el equipo en cuestión opera a frecuencias menores que 300 kHz (algunos colocan esta frecuencia entre 10 kHz y 10 MHz, por lo que debe consultarse al fabricante para cada instalación en particular).
Una desventaja del sistema es que es poco efectivo a altas frecuencias donde la longitud de onda de la señal se aproxima a las dimensiones de la envolvente del equipo o a la longitud del cable de tierra.
Cuando las dimensiones del equipo o la longitud del cable de tierra se aproximan a 0,15 la longitud de onda de la señal, el cable ya no puede considerarse una tierra de baja impedancia. La tierra de referencia de un solo punto debe distinguirse de los conductores de retorno de la señal, los cuales llevan corrientes bajo condiciones normales de operación.
El propósito de la tierra de señal es obtener la referencia de todas señales del circuito de control en un sistema de un solo punto.
El punto de tierra de referencia de la señal no debe tener más de un solo cable en
cada envolvente del equipo.
Este cable debe ser trenzado y con forro aislante de tamaño tal que se reduzca la diferencia de potencial entre los dispositivos (menor que 1 kV, o la recomendación del fabricante) y satisfacer los requisitos de rigidez mecánica. El cable con forro aislante sirve no solo para aislar la tierra de la señal de conexiones a tierra no intencionales, sino también para diferenciarlo fácilmente de la tierra de seguridad del equipo.
Debe utilizarse un sistema separado de puesta a tierra de la señal dentro de la envolvente del equipo, y unirse al punto de referencia de un solo punto.
Deben tomarse en cuenta las siguientes consideraciones cuando se diseña el SPT para un sistema de equipos sensibles centralizado:
1) La energía dentro de una computadora y sistema de multiplexores debe suministrarse desde una sola fuente (esto es, un transformador principal). 2) La energía dentro de un tablero de distribución debe llevar un cable de
tierra que conecte a tierra el chasis o envolvente y las referencias a la fuente de energía.
3) La energía debe ser distribuida desde el tablero de distribución hasta los gabinetes en el sistema mediante interruptores individuales o fusibles. 4) Cada gabinete debe tener un sistema de puesta a tierra de señal separado
de la tierra de seguridad del equipo.
5) El sistema de puesta a tierra de señal de cada gabinete debe conectarse a un solo punto que tenga una sola conexión a la red de puesta a tierra.
6) Si la interferencia a alta frecuencia (mayor que 300 kHz) es importante, entonces debe suministrarse un plano de referencia de tierra.
El diseño de puesta a tierra de un solo punto debe estar basado en dos consideraciones: la tierra del equipo y la tierra de señal. Para obtener el máximo rechazo al ruido, estos dos sistemas deben estar completamente separados una de otra hasta la conexión final de la red de puesta a tierra, donde ellos se juntan para conectarse a la tierra de la subestación.
Gabinetes muy cercanos
La figura 3.15 ilustra un sistema de puesta a tierra de un solo punto para gabinetes ubicados cerca uno de otro.
El sistema de puesta a tierra de un solo punto indicado en la figura 3.15 es “ideal” para señales de baja frecuencia, particularmente para circuitos de control de c.d. Es menos aplicable para un sistema de control con señales de procesamiento de altas frecuencias.
Los suministradores de equipo generalmente unen la tierra de señal con la tierra de seguridad del equipo dentro de la envolvente del equipo.
Puede ser necesario separar esta conexión común de tierra cuando se pretenda integrar o formar un equipo dentro de un sistema de puesta a tierra.
El requerimiento de la tierra de señal “separada” de la tierra de seguridad del equipo debe incluirse en la especificación del sistema.
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Note que las figuras 3.15 y 3.16 muestran una tierra de seguridad local adicional
para cada gabinete además del conductor de puesta a tierra del equipo suministrado con los cables de alimentación de energía.
Cuando se suministra esta conexión adicional, se aumenta la seguridad del personal por medio de una trayectoria adicional de baja impedancia a tierra. Adicionalmente, las barras de puesta a tierra indicadas en las figuras 3.15 y 3.16 se muestran para darle claridad. Estas barras están típicamente ubicadas dentro de un gabinete de control maestro, más que en forma de barras externas y separadas.
Gabinetes muy separados
En un sistema de control distribuido, el equipo puede estar separado uno de otro en la subestación, y resulta impráctico implementar el arreglo de un solo punto de la figura 3.15. Un sistema de instrumentación y control se considera un sistema distribuido cuando los gabinetes de control de la subestación están muy separados uno de otro.
Este sistema tiene problemas especiales ya que la impedancia en los conductores de referencia de la señal genera una diferencia de potencial entre los gabinetes. La figura 3.16 muestra la intención de obtener un arreglo de un solo punto para esta condición.
Los circuitos de comunicaciones entre los gabinetes deben tener una protección adecuada para el ruido de modo común que pueda resultar de la impedancia de los cables de tierra de señal de grandes longitudes y forrados con aislamiento. Deben tomarse las siguientes consideraciones cuando se diseña un sistema de puesta a tierra para un sistema de instrumentación y control distribuido:
a) Debe, en la medida de lo posible, utilizarse una sola fuente para alimentar el sistema distribuido.
b) Cada sistema individual debe conectarse a tierra, de acuerdo al sistema de puesta a tierra de un solo punto.
c) En lugar de tener un solo conductor de tierra de seguridad, los gabinetes de instrumentación, debe tener su propia tierra de equipo local.
d) Las señales entre los sistemas deben usar, ya sea un transformador de acoplamiento o de acoplamiento de c.d. con los circuitos transmisor/receptor con una tensión de aguante de modo común que exceda la tensión de tierra bajo condiciones de falla. El uso de uno o más electrodos de puesta a tierra aislados (no conectados al resto de la red principal de puesta a tierra de la subestación representa una condición muy riesgosa, por lo que NO se recomienda su uso.
99 5 Cuando se transmite CA o un pulso de CD en un par o múltiples pares de cable trenzados, existe una
Por razones de seguridad, puede utilizarse un interruptor tipo “puerta” en el gabinete remoto para unir la tierra local del equipo y la tierra de señal cuando la puerta se abre (ver figura 3.17).
Este arreglo protege al personal de mantenimiento, en sus labores de trabajo en el equipo en el lado remoto.
Con esto, se reduce el riesgo al personal cuando se abre la puerta, a costa de dañar los circuitos transmisor/receptor si la acción de apertura se combina con la