Fallas En Sep

Análisis de Fallas SEP DONATO MAMANI PARI

Análisis de Fallas en Sistemas Eléctricos de Potencia • • • • •

Contenido –Objetivo. –Introducción. - Origen de las fallas –Revisión de Conceptos Básicos de Circuitos de C.A. (estado estable). • Concepto de Fasor. • Representación del Fasor. • Diagramas Fasorialesde cantidades sinusoidales.

Análisis de Fallas SEP • Contenido (cont.). • •Operaciones con Fasores. • •Circuitos monofásicos de C.A., (potencia activa, reactiva y compleja). • •Flujo de Potencia (convenciones) • •Circuitos trifásicos.  Secuencia de fases. • •Voltajes y Corrientes en Circuitos Trifásicos Balanceados.  Conexiones en estrella y en delta

Análisis de Fallas SEP • Contenido (cont.). • •Transformaciones Y-Δ y Δ-Y • •Potencias Instantánea y Compleja en Circuitos Trifásicos Balanceados. • •Ejemplos • –El Sistema Por Unidad (p.u.). • •Definición. • •Ventajas del sistema p.u. • •Cantidades base

Análisis de Fallas SEP • Contenido (cont.). • •Relaciones generales (voltaje, corriente y potencia) en circuitos trifásicos. • •Relaciones en p.u. • •Impedancias de transformadores en p.u. • •Impedancias de generadores en p.u. • •Impedancias de líneas de transmisión en p.u. • •Cambio de base de cantidades en p.u.

Análisis de Fallas SEP • Contenido (cont.). • –Transformadores (conexiones y desfasamientos) • •Marcas de polaridad • •Polaridad aditiva y substractiva • •Desfasamientosen transformadores trifásicos conectados en Y-Δy enΔ-Y • –Componentes Simétricas.

Análisis de Fallas SEP • Contenido (cont.). • •Método de las componentes simétricas, en sistemas trifásicos. • •Potencia en el Dominio de las Componentes Simétricas. • •Redes de secuencia • –Modelado del SEP para estudios de Fallas. • •Líneas de Transmisión • •Cargas (configuraciones estrella y delta)

Análisis de Fallas SEP • • • • • • • • • •

�Contenido (cont.). •Transformadores de Potencia. •Generadores. •Motores Síncronos. •Motores de inducción. –Análisis de Fallas. •Impedancia de Falla. •Fallas en derivación. �Falla Trifásica. �Falla Línea a Tierra.

Análisis de Fallas SEP

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�Contenido (cont.). �Falla Doble Línea a Tierra. �Falla entre Líneas. •Fallas Serie. �Fase abierta. �Dos Fases abiertas.

Análisis de Fallas SEP

• Objetivo. • El presente curso tiene como propósito el presentar y revisar los conceptos fundamentales requeridos para el análisis de fallas en sistemas eléctricos de potencia.

Análisis de Fallas SEP • �Introducción. • –El análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) generalmente involucra la determinación de voltajes y corrientes para ciertas condiciones de operación. Usualmente los cálculos requeridos se organizan de tal forma que es posible inferir el comportamiento de ciertas variables para propósitos determinados.

Análisis de Fallas SEP

• –El análisis de fallas (corto circuito) en SEP’s se realiza para la determinación de los flujos de corrientes bajo condiciones de falla. • –La información obtenida del análisis de fallas se utiliza para determinar: • •La capacidad y características del equipo de protección (interruptores y fusibles).

Análisis de Fallas SEP • •La coordinación de las protecciones del SEP. • –La evolución (crecimiento) de un SEP, usualmente ocasiona un incremento en la magnitud de las corrientes de falla, por lo que se debe verificar que las capacidades de interrupción momentánea y nominal, de los equipos nuevos y existentes son adecuadas para la nueva realidad del SEP. •

1. Origen de las fallas • • • • • • • • • • •

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Actos de la naturaleza inundación movimiento telúrico terremotos Animales aves Roedores Terceros actos de vandalismo choque de vehículos sobre postes cometas de niños

1. Origen de las fallas • • • • • • • • • • •

• Propias de la red – error de operación – sobrecargas – instalación/construcción deficiente – falsa operación de los sistemas de protección – equipo/ diseño inadecuado – envejecimiento – mal funcionamiento – mantenimiento defectuoso • Defecto de fabricación

Resumen Origen de las fallas • • • •

TIPO: CAUSADO POR: Falla en el Errores y defectos de diseño aislamiento inapropiado, contaminación. Origen eléctrico. Sobrecargas atmosféricas, maniobras internas, sobretensiones dinámicas. • Origen Térmico. Sobrecorriente, sobretensión. • Factores Mecánicos. Esfuerzos por sobrecorriente, impacto de objetos extraños, rotura por hielo..

2.Clasificación de las fallas • • • • • • • • •

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Por el tiempo de duración Transitorias Permanentes Por la forma Serie Shunt Por la simetria de las ondas Simetricas Asimetricas

Fallas en serie • • Ruptura física de uno o dos conductores de una línea de transmisión por accidente o una tormenta. • • Debido a corrientes de sobrecarga en una o dos fases, pueden operar los dispositivos de protección. • • Falla en los polos del interruptor al efectuar una operación monofásica.

cortocircuitos – Un cortocircuito se produce cuando dos o más puntos que en condiciones normales de operación se encuentran a diferente potencial, se ponen accidentalmente en contacto a través de una pequeña o nula impedancia. – Por ejemplo : 1. Contacto entre conductores de distintas fases de una línea energizada. 2. Contacto entre un conductor energizado y tierra ( o cualquier pieza metálica unida a ella ). – Son muy peligrosos, por las elevadísimas corrientes ( k A ) presentes en los elementos cercanos al cortocircuito, lo que produce diferentes efectos en ellos, siendo los principales : 1. Sobrecalentamiento de conductores por efecto Joule, que puede provocar daños térmicos irreversible a los equipos. 2. Esfuerzos electrodinámicos ( fuerzas magnéticas ) importantes en equipos ( devanados, barras, …) que pueden causar daño mecánicos como roturas y desplazamientos bruscos que pueden dar lugar a nuevas fallas. 3. Oscilaciones electromecánicas de los rotores de las máquinas sincrónicas que pueden afectar la estabilidad de funcionamiento del sistema. 4. Variaciones de tensión, con caídas en las fases involucradas en el corto

Cortocircuitos • Los Cortocircuitos se clasifican en simétricos y asimétricos. • a) Cortocircuitos Simétricos : • – El Sep queda eléctricamente balanceado. • 1) Cortocircuito Trifásico Simétrico Aislado. • 2) Cortocircuito Trifásico Simétrico a tierra. • a) Cortocircuitos Asimétricos : • – El Sep queda eléctricamente desbalanceado en el punto de falla. • 1) Cortocircuito Monofásico. • 2) Cortocircuito Bifásico a Tierra. • 3) Cortocircuito Bifásico Aislado

Cortocircuitos • Causas de Aparición de Cortocircuitos. – En general, se producen al fallar el aislamiento de un equipo, pudiendo ocurrir por diversas causas : • 1) Pérdida de las propiedades aislantes del medio (envejecimiento, calentamiento, contaminación, …) • 2) Sobretensiones del sistema por descargas atmosféricas o por maniobras de interruptores. • 3) Efectos mecánicos diversos ( roturas, deformaciones, desplazamientos, …). • – La mayoría ( 90 a 95 %) se origina por razones atmosféricas, tales como rayos que caen sobre las líneas, tempestades que cortan conductores, hielo, nieve, neblina. • – En segundo lugar ( 7 a 15% ), se ubican las razones mecánicas, tales como la rotura de conductores y aisladores; el golpe o la caída violenta de objetos ( ramas, piedras, aviones, vehículos, etc.) sobre los conductores y estructuras; los golpes de picota sobre cables subterráneos, etc. • – En tercer lugar ( 8 a 10% ), se ubican las razones eléctricas, tales como los aislantes envejecidos o dañados, sobretensiones transitorias causadas por maniobras de interruptores.

Cortocircuitos • – Finalmente, cabe citar las razones humanas, como por ejemplo, maniobras equivocadas con desconectadores. • – A pesar del conocimiento que se tiene sobre los orígenes de las • fallas, no es posible pensar en evitarlas totalmente, por el elevado costo que ello implicaría. • – Se debe entonces buscar un compromiso entre la mayor inversión y la mejor seguridad de servicio.

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Calculo de Cortocircuitos – En general las corrientes de cortocircuito alcanzan

magnitudes mucho mayores que los valores nominales de los generadores, transformadores y líneas. – Si se permite que estas corrientes circulen por un período prolongado, pueden causar un serio daño térmico al equipo y problemas de estabilidad de funcionamiento en el sistema. – Es necesario aislar la parte fallada para minimizar el sobrecalentamiento e impedir oscilaciones mecánicas incontrolables. – Generalmente el tipo de cortocircuito más severo es el trifásico, además de dar valores elevados de corriente reduce a cero la capacidad de transmisión de una línea, lo siguen los cortocircuitos bifásicos y finalmente el monofásico. – En ciertos casos, por ejemplo, cerca de un generador con el neutro solidamente conectado a tierra, la corriente de falla monofásica puede ser mayor que la corriente de falla trifásica. – El tipo más frecuente de cortocircuito es el monofásico ( aprox. el 75% de los casos ).

Calculo de Cortocircuitos • – La mayoría de los cortocircuitos comienzan como monofásicos, y al no ser eliminados con suficiente rapidez suelen alcanzar a las otras fases, transformándose por ejemplo en cortocircuitos • bifásicos a tierra ( aprox. el 10% de los casos ). • – Los cortocircuitos bifásicos aislados son de ocurrencia excepcional, y casi siempre tienen un origen mecánico. • – Los cortocircuitos trifásicos ( aprox. el 5 % de los casos ) son los menos frecuentes, y tienen generalmente su origen en descargas atmosféricas, que causan el contorneamiento simultáneo de los aisladores en las tres fases. • – En muchas oportunidades ( 90 a 95% de los casos ), las corrientes de cortocircuito se autoextingen y se reestablece la aislación ( fallas fugases ). • – Debido a este hecho, se utilizan en la práctica interruptores de líneas que reconectan automáticamente la línea en falla, una, dos o más veces para probar si la falla se ha eliminado. • – Si la falla persiste el interruptor desconecta la línea definitivamente.

Objetivos Calculo Cortocircuitos • Los fundamentales son : • a) Definir la capacidad de ruptura de los interruptores. • – Normalmente se utiliza el C . C 3φ simétrico, debido a que este tipo de falla produce las corrientes de cortocircuito más elevadas en la mayoría de los casos. • b) Ayudar a establecer un sistema adecuado de protección para diversas condiciones de fallas. • – Normalmente se utiliza el C . C1φ yC . C 3φ • En general, el C.C debe proporcionar los siguientes • resultados : • 1. La corriente en el punto de falla. • 2. La potencia de cortocircuito en el punto de falla. • 3. La distribución de corrientes durante la falla en todas las ramas • del sistema. • 4. Las tensiones durante la falla en todas las barras del sistema.

  SISTEMA EN TANTO POR UNIDAD Introducción   • Niveles de operación (kV, kW, MW, kVA, MVA). • Expresión en por ciento (%) o en por unidad (pu) respecto de un valor base. • Ventaja sistema en pu respecto a % • Circuitos equivalentes: parámetros y variables en pu.  

Valores en pu de tensión, corriente, impedancia, potencia aparente y admitancia

&(V) V &(pu )  V VB (V)

&() Z &(pu )  Z Z B ()

& I ( A ) & I(pu )  I B (A) &(S) Y &(pu )  Y YB (S)

&(VA ) S S&(pu )  SB (VA )

Determinación de ZB, SB y YB dados VB e IB. Cálculo en sistemas monofásicos sin TT/FF

+

I (amp)

V(volt) -

I(pu)

+ V(pu)

Z(ohm)

-

• Conservación de la Ley de Ohm   VB

VB  Z B I B

 ZB 

IB

Z(pu)

Conservación de la Ley de Joule

SB  VB I B Para la admitancia se debe cumplir que:

 

1 YB  ZB

Bases habitualmente usadas: SB y V B

2

2

(VB ) (kVB ) ZB   SB MVA B SB IB  VB

Presencia de transformadores • Condiciones adicionales .

+

.

.

I1(A) Z  1

V1(V)

-

.

E1(V)

.

.

.

Z2 I2(A) +

N1 : N2 a : 1

.

E 2(V)

+

.

.

. I1(pu) Z 1(pu)

V2(V) V1(pu)

-

-

.

.

Z2(pu) I 2(pu) +

.

V2(pu)

-

VB1 I B 2 N1    a SB1  SB2  SB VB 2 I B1 N 2

Cambio de base

• kVBd: kV base dada • kVBn: kV base nueva • MVABd: MVA base dada • MVABn: MVA base nueva

2

 kVBd   MVA Bn   Z n (pu )  Zd (pu )    kVBn   MVA Bd 

Ventajas del sistema en pu • Los valores en pu b.p. de máquinas similares, aunque de tamaños muy diferentes, varían muy poco. • En los TT/FF, la impedancia equivalente en pu es independiente del lado a que está referida. • En los cálculos en condiciones normales se manejan cantidades que están en un margen estrecho alrededor de la unidad, lo que permite comprobar los valores por inspección.

Sistema en tanto por unidad en circuitos trifásicos

SB1 SB 3 IB   VBLN 3 VBLL VBLN VBLL (VBLL ) ZB    IB 3 IB S B 3

2

Ejemplo 1 Considere el diagrama unilineal de la Figura, los datos en % están en base, 100 MVA. G : 100 MVA; 13,2 kV; X=25 %; T1 : 120 MVA; 13,2/132 kV; X=5% T 2 : 100 MVA; 132/13,8 kV; X=5%; Línea: Z=(5+j20) %; Carga: (40+j10) MVA. Determine: a. Las corrientes de líneas (A) en la línea y generador, si la tensión en la carga es de 11 /0ºkV. b. El voltaje en la carga (kV) si el voltaje en bornes del generador se mantiene constante en 13,2 kV. G

Y

1

T1

2

3

T2

4

C:\Archivos de programa\PowerWorld\Simulator\pwrwo Línea rld.exe

Y

Y Carga

transformadores • Impedancias de transformadores en por unidad (p.u.) • –Una de las ventajas del sistema p.u. es su independencia de los niveles de voltaje del SEP y el desfase debido a los transformadores si los voltajes base en sus devanados son proporcionales al número de vueltas de éstos. • –La impedancia de un transformador es reflejada a través del transformador por el cuadrado de la razón del número de vueltas de sus devanados.

Tranformadores –Sí los voltajes son proporcionales al número de vueltas de sus devanados, la impedancia se refleja también al cuadrado de la razón de los voltajes de sus devanados. En el caso de una de las fases del transformador se tiene:

transformadores –Se deduce que la impedancia ZYen el devanado de NYvueltas se refleja como ZXen el devanado de NX vueltas. Esto es:

Transformadores –La razón de las impedancias ZXby ZYbindica que las vueltas en cada devanado son proporcionales a sus voltajes;

Transformadores

Ejemplo 4 • –Un transformador monofásico tiene como valores nominales 110/440 Volts, 2.5 kVAy una reactancia de dispersión de 0.06 Ω. Expresar la reactancia de dispersión en p.u. • Solución • –La impedancia base en el lado de baja se determina como:

Transformadores

Generadores • Impedancias de generadores en por unidad (p.u.) • –Las impedancias de los generadores son proporcionadas usualmente por el fabricante en p.u. teniendo como cantidades base los valores de potencia y voltaje nominales. • –Las impedancias de los generadores son predominantemente inductivas y su parte resistiva puede ser ignorada en estudios de fallas.

Generadores • –Los datos de los generadores consideran diferentes valores de reactancias adecuados para el estudio del comportamiento del generador en distintas condiciones de operación. • –Los diferentes tipos de reactancias que usualmente se proporcionan son las de los ejes directo “d” y en cuadratura ”q”, síncrona (Xd, Xq), transitoria (X’d, X’q) y subtransitoria (X’’d, X’’q). • –Las reactancias del eje directo son las que comúnmente se emplean en estudios de fallas, porque la trayectoria del flujo en el eje directo es la predominante durante condiciones de falla, ya que las corrientes de falla presentan un retraso de fase considerable. • –El valor de la reactancia del generador cambia en el tiempo después de ocurrir una falla, ya que los enlaces de flujo no pueden variar instantáneamente.

Generadores • –La reactancia subtransitoriaX’’d es la del valor más pequeño y representa a la reactancia del generador al momento de ocurrir la falla. Este valor dura pocos ciclos hasta que el efecto de los devanados de amortiguamiento sobre los variaciones del flujo disminuye. El rango de tiempo valido para esta reactancia es aproximadamente 6 ciclos después de ocurrir la falla.

• –La reactancia transitoria X’d es mayor que X’’d y se estima que su valor es valido en el rango de los 6 hasta los 30 o 60 ciclos después de ocurrir la falla. • –La reactancia síncronaXdes la que presenta el valor mayor de las tres y representa la reactancia que exhibe el generador en condiciones de operación de estado estable. El valor de Xdes usualmente mayor que 1.0 en p.u.

Lineas • Impedancias de líneas de transmisión en por unidad (p.u.) • –La impedancia de las líneas de transmisión de resistencia, reactancia inductiva y reactancia capacitiva. Sin embargo la reactancia capacitiva usualmente se ignora en estudios de fallas, por tener una influencia mínima en las corrientes que resultan al ocurrir una falla en el SEP. • –Para expresar el valor de impedancia de las líneas de transmisión (Ω) en valores p.u. usualmente se selecciona como voltaje base el voltaje nominal de operación de la línea, y se calcula de la manera siguiente: • Zpu=Zdada/Zbase