Cuando se consulta, los ingenieros pueden mencionar relés, interruptores automáticos o transformadores de corriente (CTs) para discutir cómo se lleva a cabo la protección contra fallos a tierra. Sin embargo, la decisión real sobre la magnitud del fallo y si toda la instalación se apaga o solo un alimentador es tomada por un resistor. El resistor de puesta a tierra neutra (NER) se considera uno de los componentes más críticos relacionados con sistemas de media tensión (MV), sin embargo, hay poca información al respecto para personas ajenas a la ingeniería eléctrica. Este artículo cubre qué es el NER, cómo funciona, sus partes, cómo elegir NERs y cuánto cuesta.
Respuesta rápida: NER/NGR o resistor de puesta a tierra neutra significa un resistor que conecta el neutro del generador o transformador a tierra. Este dispositivo está destinado a restringir la corriente de fallo a tierra de cortocircuito monofásico dentro de límites que son aceptables y manejables, es decir, en el rango de decenas o cientos de amperios en lugar de miles.
¿Qué es un Resistor de Puesta a Tierra Neutra?
Un resistor de puesta a tierra neutra es justo lo que suena: un resistor conectado entre el punto de neutralidad de un generador o transformador y la tierra en aquellos sistemas que tienen conductores neutros (bobinas conectadas en estrella). Es un elemento insertado en el circuito para limitar el flujo de corriente de fallo a tierra en casos cuando una de las fases toca tierra. La cantidad de corriente limitada es lo suficientemente grande para que el relé reaccione y lo suficientemente pequeña como para no dañar los cables de potencia ni afectar a las personas.
El resistor de puesta a tierra neutra ocupa una posición intermedia en comparación con dos extremos, a saber, sistemas a tierra sólida (donde las corrientes de fallo del fallo a tierra pueden alcanzar miles de amperios) y sistemas no aterrizados (sin el neutro a tierra intencional y, por lo tanto, fallo a tierra invisible). Un resistor de puesta a tierra neutra permite controlar el flujo de la corriente de fallo a tierra, detectar fallos y transitorios de sobrevoltaje.
La imagen más amplia de la puesta a tierra — por qué y cómo se aterrizan los neutros de los transformadores — se cubre en nuestro fundamentos de puesta a tierra de transformadores artículo; el NER es el componente que hace que una filosofía de puesta a tierra específica funcione.
Cómo Funciona
Considere la situación cuando hay un fallo de fase C a tierra en un transformador conectado en formación Y. El camino de la corriente de fallo consiste en: el punto de fallo, la tierra, NER, neutro del transformador y bobina de fase C. Hay un resistor en el NER y, de acuerdo con la ley de Ohm, la solución es evidente.
De acuerdo con la fórmula apropiada (de hecho IEEE Std 32): R = Vln / (√3 × If), donde Vln representa las tensiones de línea del sistema entre fases e If se refiere al valor deseado de la corriente de falla a tierra. En otras palabras, si tomamos para el cálculo el caso del sistema de 6kV con el conector resistivo que tiene una resistencia de 10 Ohm, la corriente de falla cae de 1000 A en un sistema efectivamente conectado a tierra a aproximadamente 346 A, lo cual sigue siendo suficiente para disparar el relé pero lo suficientemente bajo como para permitir que los cables, el equipo de conmutación y el área de falla sean recuperables a pesar del daño.
Hay tres cosas que suceden simultáneamente durante un evento de falla. La corriente es limitada por el resistor, las tensiones son determinadas por la unidad NER adecuada que permite al relé de protección detectar la falla correctamente, y la energía de la falla se disipa en el resistor en forma de calor, lo que prueba el hecho de que los NER están clasificados solo para cortos períodos de tiempo pero no para operación continua.
Tipos de NER
Los NER se clasifican dependiendo de la cantidad de corriente de falla que permiten, y la elección del tipo de NER es impulsada por la filosofía de protección más que por el costo:
| Tipo | Corriente de Falla | Comportamiento en Falla | Aplicación Típica |
|---|---|---|---|
| NER de baja resistencia (LRG) | 100-1,000A (algunos diseños hasta 2,500A) | El relé se dispara rápidamente; alimentador aislado | Redes de utilidad MV e industriales, conexión a tierra de generadores |
| NER de alta resistencia (HRG) | ≤10A | Sin disparo; solo alarma; el sistema sigue funcionando | Plantas de procesos continuos, donde la parada es peor que una falla |
| Conectado permanentemente | — | Siempre en circuito | Subestaciones y redes industriales sensibles |
| Conectado temporalmente / portátil | — | Conectado durante fallas, o utilizado para pruebas | Puesta en marcha, mantenimiento, trabajo de campo |
Al tomar una decisión entre LRG y HRG, la pregunta a responder es si la parada es peor que la falla. Si un alimentador de utilidad puede permitirse una corta interrupción, optará por LRG que es rápido y selectivo. Si una planta química está involucrada en actividades donde una parada no planificada podría resultar en solidificación de material, entonces se elegirá HRG para permitir que la falla sea reconocida mientras la instalación se prepara para una parada ordenada. Para la coordinación de protección en torno a estas elecciones, nuestro conceptos básicos de protección contra fallas a tierra artículo muestra cómo el valor del resistor y la configuración del relé trabajan juntos.
Componentes y Construcción
Un sistema NER moderno comprende más que solo un elemento resistivo empaquetado en una carcasa. Aquí está lo que consiste una unidad típica:
- Los elementos resistivos: rejillas de acero inoxidable (304/316/316L) para la mayoría de los casos, aleación de níquel-cromo (Cr20Ni80) para áreas desafiantes o hierro-cromo-aluminio (FeCrAl) para diseños económicos. Los elementos de acero inoxidable son capaces de trabajar en modos de corto plazo a no más de 760ºC (IEEE 32) y ≤385ºC bajo operación continua.
- Sistema de aislamiento: el sistema debe cumplir con los requisitos de voltaje y ser efectivo tanto en la resistencia a la frecuencia de potencia como en el nivel de impulso básico (BIL) en relación con las características de la red (por ejemplo, un NER de 10 kV debería ser capaz de soportar 42 kV a frecuencia de potencia y 75 kV de impulso).
- Caja: IP20/IP23 para uso en interiores y IP54/IP55 con ventilación con lamas para uso en exteriores.
- Dispositivos de monitoreo: incluyendo un transformador de corriente para la medición de corriente de falla, un aislador o contactor de vacío para desconectar el NER y un dispositivo de monitoreo de NGR con resistencia de circuito abierto, temperatura PT100 y registradores de eventos.
Cuando compras un NER, el transformador de corriente interno es una parte pequeña pero crítica — es lo que lee el relé, y el rango de productos del transformador de corriente explica la familia de CT y sus clasificaciones.
El símbolo y la posición del circuito
En diagramas unifilares, el resistor de puesta a tierra neutral (NER) se representa mediante la notación de resistor (ya sea rectángulo o zigzag) conectando un terminal con el punto neutro ya sea del transformador o del generador y el otro terminal con el símbolo de puesta a tierra (la forma triangular de tres líneas). En estos casos cuando el punto neutro no está presente (conexión delta), se utiliza un transformador de puesta a tierra para crear el punto neutro; posteriormente, el NER se conecta a ese neutro. En todos los casos, el resistor siempre está conectado entre el punto neutro y tierra y nunca en serie con los conductores de fase.
Si se observan dibujos de proyectos de transformadores o generadores, el NER se puede encontrar en el diagrama de puesta a tierra neutral junto con el transformador de corriente neutro (CT), el interruptor de puesta a tierra y la protección del bus de neutro, lo que demuestra el concepto de puesta a tierra de inmediato.
Cómo dimensionar y seleccionar un NER
Elegir la unidad correcta es un proceso de seis pasos, omitir cualquiera de los cuales puede poner en peligro la seguridad o llevar a costos elevados:
- Voltaje nominal — el voltaje medido desde tierra a fase en el sistema (Vln), así como el voltaje de impulso de resistencia que coincide con los requisitos de la instalación.
- La corriente de falla objetivo (If) debe ser mayor que la corriente de carga capacitiva del sistema (para evitar arcos o sobrevoltajes de resonancia) pero menor que los límites de la capacidad térmica de cables y equipos, mientras que aún esté considerablemente por encima de la activación del relé (no menos de 10A).
- Valor de resistencia = R = Vln / (√3 × If).
- Clasificación de tiempo = 10s-30s para LRG, continuo en el caso de HRG y llevando a la determinación del diseño térmico y la clasificación de energía I²t (por ejemplo, capaz de soportar 400 kA²s a 10kA/0.4s).
- Material de los elementos = acero inoxidable para aplicaciones generales, aleaciones de níquel-cromo para uso en regiones costeras.
- Enclosure y monitoreo = ya sea que vaya a ser interior o exterior, y valor de las unidades de CT y monitoreo integradas (grado de protección IP).
Además, hay una recomendación práctica de IEEE 32 respecto al uso de la clasificación continua de un sistema saludable = 5%-10% de corriente de carga completa para instalaciones que están constantemente conectadas. Y cuando elija el dispositivo, siempre indique la duración: “clasificación de 10 segundos, 400A” es un producto completamente diferente a “continuo, 10A” – un ejemplo de error de especificación. Para ayuda en convertir un estudio de sistema en una especificación de componente, contacte a nuestro equipo de ingeniería con su voltaje, filosofía de puesta a tierra y configuraciones de protección.
Beneficios y Comparación con Otros Sistemas de Puesta a Tierra
¿Cuáles son las ventajas de usar NER en lugar de un sistema de puesta a tierra sólido o un sistema sin puesta a tierra?
| Método de Puesta a Tierra | Corriente de Falla | Detección de Fallas | Control de Sobretensión | Continuidad |
|---|---|---|---|---|
| Puesta a tierra sólida | Muy alta (1,000s A) | Excelente | Buena | Disparos en caso de falla |
| NER (LRG) | 100-1,000A | Excelente | Bueno (supresión de arco) | Disparos en caso de falla, selectivamente |
| NER (HRG) | ≤10A | Basado en alarma | Excelente | Sigue funcionando |
| Sin tierra | Ninguno (primera falla) | Pobre | Pobre — sobretensiones por arco | Funciona, pero peligrosamente |
La principal ventaja de usar NER es la seguridad (la tensión de contacto máxima es inferior a 50V según IEC 60479), protección contra daños al equipo (no habrá sobretensiones del orden de kilovoltios), limitación de daños cuando ocurre la falla (la corriente de falla estará limitada), protección selectiva (el relé funcionará sin operación innecesaria) y estabilidad del sistema (las fases no fallidas tendrán tensiones iguales hasta 10% de tensión normal, lo que significa que más de 90% del sistema estará operando). En casos en los que cualquier tiempo de inactividad no es aceptable para el negocio, el uso de NER es la diferencia entre un apagado no planificado y la ocurrencia de una alarma controlada.
Rangos de Precios
El precio de NER depende del grado de voltaje, clasificación de corriente y la clasificación de tiempo, así como de cualquier accesorio requerido.
| Configuración | Precio típico |
|---|---|
| Unidad HRG de baja tensión (pequeña, interior) | $1,500-5,000 |
| NER de media tensión, clasificación de 10s, envoltura básica | $3,000-12,000 |
| NER de media tensión con CT + unidad de monitoreo | $8,000-20,000 |
| Unidad de alta especificación (clase 35kV, elementos de NiCr, exterior IP55, monitoreo completo) | $15,000-30,000+ |
Además, habrá costos de instalación como la contratación de un equipo autorizado, terminaciones de cable y pruebas de puesta en marcha, todos los cuales agregarán aproximadamente 10%-25% a sus costos totales. Además, comprar el resistor y el relé de una sola fuente asegurará la compatibilidad de las partes en su sistema.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre puesta a tierra y resistencia neutra?
La puesta a tierra representa la práctica habitual de realizar conexiones por seguridad, conectando el punto neutro, los marcos y las carcasas del sistema. Por otro lado, la resistencia neutra es el método en el que se utiliza un resistor entre el neutro y la tierra para limitar la corriente de falla a tierra. La puesta a tierra por resistencia es uno de los tipos de filosofía de puesta a tierra, mientras que otros incluyen la puesta a tierra sólida, la puesta a tierra por impedancia y los sistemas no aterrizados.
¿Cómo calcular el resistor de puesta a tierra neutra?
El cálculo debe realizarse utilizando la siguiente fórmula R=Vln/(√3 × If), donde Vln es el voltaje entre dos fases de una fuente de alimentación y If es la corriente de falla a tierra seleccionada. La corriente de falla a tierra seleccionada debe ser mayor que la corriente capacitiva del sistema y no mayor que los límites del cable y del equipo, y significativamente mayor que la corriente detectada por el relé. Después, el límite de energía I²t de la unidad debe corresponder con la longitud de la falla.
¿Por qué estoy obteniendo 230V entre neutro y tierra?
El voltaje de neutro a tierra en condiciones de funcionamiento adecuadas debería ser igual a cero debido a la conexión del neutro a tierra. El valor de 230 voltios observado durante un tiempo prolongado indica una conexión de neutro a tierra perdida o de alta resistencia, o un neutro faltante en un circuito de múltiples hilos o un neutro desconectado en un sistema correctamente aterrizado. Todas estas situaciones deben ser verificadas por un electricista o ingeniero calificado.
¿Cuál es el propósito de la puesta a tierra neutra?
La puesta a tierra neutra permite vincular el voltaje del sistema con algún punto de referencia para que los voltajes entre fases y tierra puedan preverse y las fallas detectarse.
Referencias
- OMO — Guía en profundidad sobre la tecnología de resistores de puesta a tierra neutra
- DiGi Electronics — Guía de resistores de puesta a tierra neutra
- Orion Resistors — Cálculo de resistores de puesta a tierra neutra (6kV-35kV)
- Captech — ¿Qué es un resistor de puesta a tierra neutra?
- IEEE Std 32 — Requisitos, terminología y procedimientos de prueba para dispositivos de puesta a tierra neutra
Conclusión
El resistor de puesta a tierra neutra es el dispositivo discreto que decide el destino de una falla a tierra, determinando si esta sería un acontecimiento manejable y reconocible en lugar de un arco eléctrico o un apagón total de la planta. La esencia del resistor de puesta a tierra neutra se puede describir brevemente en términos de la ley de Ohm — R = Vln / (√3 × If). Además, el principio de la puesta a tierra neutra se logra de dos maneras. El primer método es el sistema de puesta a tierra de baja resistencia que se dispara a 100-1,000 A, mientras que el segundo método es el sistema de alta resistencia que funciona por debajo de 10 A, permitiendo alarmar al usuario pero sin detener el proceso. En total, se deben considerar seis parámetros al seleccionar un resistor de puesta a tierra neutra seguro y eficiente: voltaje, corriente de falla, resistencia, clasificación de tiempo, material del componente y material de la carcasa; por lo tanto, si alguno de los parámetros es incorrecto, el dispositivo de seguridad se convierte en un peligro de incendio. El precio del resistor de puesta a tierra neutra es de aproximadamente $1,500 para un dispositivo LV pequeño y más de $30,000 para un sistema de 35kV completamente monitoreado, lo que lo convierte en una de las formas menos costosas de seguro para un sistema de energía eléctrica, que podría salvar generadores y transformadores valiosos, así como resolver el problema de la ocurrencia de un accidente que los habría destruido.