Estudios para diseño de subestaciones a 500 kV Tema 2: Estado transitorio
Contenido 1. Sobretensiones en la energización 2. TRV y RRRV 3. Recierre tripolar y monopolar 4. Compensación inductiva en transitorios 5. Sim Simula ulació ciónn de las sobrete sobretensi nsione oness de maniobra maniobra 6. Efecto Skin
Contenido 1. Sobretensiones en la energización 2. TRV y RRRV 3. Recierre tripolar y monopolar 4. Compensación inductiva en transitorios 5. Sim Simula ulació ciónn de las sobrete sobretensi nsione oness de maniobra maniobra 6. Efecto Skin
Sobretensión en la energización Energización de equipo manteniendo un extremo abierto y cierre del interruptor por el otro ext xtrremo. Fenómeno de ondas viajeras que provoca una sobretensión en el extremo abierto
Sobretensión en la energización FACTORES DE MAYOR INCIDENCIA:
- Del sistema: Potencia de cortocircuito y V premaniobra. - Características del elemento a maniobrar: Parámetros eléctricos, potencia nominal, conexión del neutro (aterrizado o aislado), pérdidas Joule, característica de saturación. - Presencia de elementos mitigadores: Reactancias limitadoras o de amortiguamiento, resistencias de preinserción, pararrayos. - Instante de maniobra: En la onda de tensión o de corriente de los contactos de interruptores (mando sincronizado).
Sobretensión en la energización MÉTODOS DE CONTROL DE SOBRETENSIONES:
- Tensión premaniobra - Repartición de la potencia del elemento, elección de la conexión del neutro (aterrizado o aislado), pérdidas Joule, característica de saturación. - Elementos mitigadores (reactancias limitadoras o de amortiguamiento, resistencias de preinserción, pararrayos, compensación). - Mando sincronizado (MS).
Sobretensión en la energización Energización línea Planicie-Zapallal 220kV
300 [kV] 200
100
0
-100
-200
-300 0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
(f ile ISA_PerúC_DMx10_Energ2_170309.pl4; x-var t) v:VENERA
0.25
0.30
v:VENERB
0.35
[s]
0.40
v:VENERC
Energización línea 220 kV: registro de tensión, extremo abierto
Sobretensión en la energización Energización linea Chilca-Zapallal 500 kV
900 [kV] 560
220
-120
-460
-800 0.0
0.1
0.2
0.3
(f ile ISA_PerúC_DMx10_Energ5_170309.pl4; x-var t) v:VENRGA
0.4 v:VENRGB
[s]
0.5
v:VENRGC
Energización línea 500 kV : registro de tensión, extremo abierto
Sobretensión en la energización Energización de Transformadores DIFICULTADES PARA MODELAJE: • Gran variedad de diseño de núcleos y devanados (configuraciones) • Algunos parámetros son no lineales y dependientes de la frecuencia • Inadecuada adquisición y determinación de algunos parámetros • Inductancias propia y mutua entre bobinas • Fuga de flujos • Efecto skin y efecto de proximidad en bobinas • Saturación e histéresis del núcleo magnético • Pérdidas en el núcleo • Efectos capacitivos • No todos los parámetros tienen la misma influencia en todos los fenómenos transitorios • El estudio es estadístico
Codo: Entre 1.0 y 1.2 p.u. Pendiente de la Región Saturada: Alrededor de 0.45 p.u.
Sobretensión en la energización Energización de Transformadores ARMÓNICOS La característica de saturación normalmente introduce en estado estacionario un contenido significativo de tercer armónico. En la práctica los transformadores con un devanado en delta atrapan la corriente de tercer armónico. CONDICIONES Saturación Flujo residual Instante de cierre de polos del interruptor Instante de la onda de tensión (1er polo dist. uniforme, los otros dos polos distrib. Normal por dispersión entre polos) Mando sincronizado
TRV y RRRV TRV : Durante el proceso de interrupción de una falla
aparece una tensión a través de los polos del interruptor. Esta sobretensión se caracteriza por el valor pico y la tasa de crecimiento (RRRV). Falla Terminal : Falla trifásica ubicada en los bornes del interruptor. Falla kilométrica : Falla monofásica en la línea a unos pocos kilómetros del interruptor (≥100 kV). Sistemas con neutro sólidamente aterrizado, donde el kpp=1,0 . Apertura en oposición de fases : Con 180º entre fuentes y con falla de 25% de su capacidad. Su especificación no es mandatoria.
TRV y RRRV Verificación de capacidad de interruptores ante TRV De acuerdo con la IEC, T100, T60, T30 y T10 son los nombres de pruebas de servicio para interrupores T Número
Curvas para 550 kV
Falla terminal (en bornes del interruptor) % de Icc con relación a la In de cortocircuito
IEC 62271-100 “High-voltage switchgear and controlgear – Part 100: Alternating-current circuitbreakers. Edition 2.0 2008-04
TRV y RRRV Verificación de capacidad de interruptores ante TRV
TRV y RRRV Verificación de capacidad de interruptores ante TRV
TRV y RRRV Tensión transitoria de recuperación en interruptor de 500 kV
Tensión transitoria de recuperación en interruptor de 220 kV
TRV y RRRV DEFINICIÓN DEL kpp kpp : Factor de primer polo (en un sistema trifásico) Al interrumpir una corriente trifásica simétrica el kpp es la
relación de la tensión a frecuencia industrial a través del primer polo a interrumpir antes de que la corriente se interrumpa en los otros polos, a la tensión a través del polo o los polos después de que abren los tres polos.
DEPENDENCIA DEL kpp De acuerdo con la norma, el kpp lo asigna dependiendo de: •Sistema aterrizado o no •Tipo de falla •Porcentaje de nivel de cortocircuito a interrumpir
TRV y RRRV Asignación de kpp FALLA TERMINAL
kpp FALLA KILOMÉTRICA
OPOSICIÓN DE FASES
Efectivamente aterrizado
1,3
1,0
2,0
100 kV a 170 kV
No-efectivamente aterrizado
1,5
1,0
2,5
5
≥ 245 kV
Efectivamente aterrizado
1,3
1,0
2,0
26
≥ 245 kV
Efectivamente aterrizado
T100, T60, T30 = 1,3 T10 = 1,5
-
2,0
TABLA IEC 3 4
TENSIÓN NOMINAL kV 100 kV a 170 kV
SISTEMA
TRV y RRRV Variación de kpp
TRV y RRRV Cálculo de kpp - IEEE Std C37.04-1999 kpp : Primer polo: kpp : Segundo polo: kpp : Tercer polo: 1,0
Sistema sólidamente aterrizado: kpp =1,0 para los 3 polos EJEMPLO - PROYECTO CENTRO Primer polo
kpp Segundo polo
Tercer polo
CHILCA_REP_A
0,707
0,908
1,000
0,45
0,028
Planicie BB1
1,111
1,068
1,000
1,43
0,338
Carabayllo BB1
0,940
0,973
1,000
0,84
0,113
Carabayllo_500 BB1
1,022
1,011
1,000
1,07
0,138
ChilcaN_500 BB1
0,941
0,973
1,000
0,84
0,045
Name
Effectively earthed neutral system 0 < X0/X1 < 3 0 < R0/X1 < 1
Recierre tripolar y monopolar Apertura de línea en operación provoca carga atrapada Recierre antes que la carga atrapada se halla drenado a tierra provoca sobretensión debido a la diferencia de tensión a través del interruptor Recierre Tripolar
Apertura/cierre de las 3 fases
Recierre Monopolar
Apertura/cierre de 1 fase
Recierre tripolar y monopolar Recierre monofásico fase A línea Planicie-Zapallal 220 kV
400
Recierre monofásico línea 220 kV: falla a ¼ de la longitud de línea
[kV] 300
200
100
0
-100
Recierre monofásico fase C línea Chilca-Zapallal 500 kV
700 [kV]
-200
500 -300 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
[s]
0.7 300
(file ISA_PerúC_DMx10_Rc1P2_170309.pl4; x-var t) v:MONOA
100 -100
Recierre monofásico línea 500 kV: falla en la mitad de la línea
-300 -500 -700 -900 0.0
0.1
0.2
0.3
(file ISA_PerúC_DMx10_Rc1P5_170309.pl4; x-var t) v:RECC
0.4
0.5
0.6
[s]
0.7
Compensación inductiva en transitorios La compensación inductiva shunt (Lsh) disminuye las sobretensiones provocadas por energización y recierre 220 kV: Lsh poco requerido
500 kV: Lsh requerido líneas largas
El reactor de neutro neutraliza la capacitancia de la línea evitando reencendido del arco secundario, al aparecer un TRV menor 220 kV: Lsh-neutro poco requerido
500 kV: Lsh-neutro requerido recierre monofásico
Compensación inductiva en transitorios Sintonía del reactor de neutro
Compensación inductiva en transitorios Ejemplo cálculo reactor de neutro 500 kV al 80 % Sistema simétrico Cálculo del reactor de neutro
500 kV → 80%
( Fórmula de Kimbark ) X n Ω =
X n Ω =
F × − 1 3 F + K − 1 2403,8 Ω 0,8 × − 1 3 0,8 + 0,6 − 1
X R Ω
X n = 801,3 Ω
L : Reactor de línea C1 : Capacit. sec.1 línea F =1/ω 2 LC 1 = 0,8 ω =
2 π f
K = C 0/C 1 = 0,6
Compensación inductiva en transitorios Arco Primario : Corriente de falla antes de la
apertura de interruptores en ambos extremos de la línea. Arco Secundario : Corriente de falla posterior a la apertura de interruptores en ambos extremos de la línea.
Compensación inductiva en transitorios Corriente de arco secundario
2000 [A]
Ejemplo arco secundario línea 500 kV con reactores de fase y de neutro: falla en la mitad de la línea
Arco primario
1500 1000 500 0 -500
Arco secundario
-1000
Corriente de arco secundario
-1500 -2000 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
[s]
(f ile ISA_PerúC_DMx10_Rc1P5_170309.pl4; x-v ar t) c:X0007A-
0.7
Tension transitoria de restablecimiento
400 [kV] 250
Tensión transitoria de restablecimiento por interrupción del arco secundario
100
-50
-200
-350
-500 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
(file ISA_PerúC_DMx10_Rc1P5_170309.pl4; x-var t) v:VFLL1A-X0007A
0.5
0.6
[s]
0.7
Compensación inductiva en transitorios Experimental CESI: Zona de extinción del arco secundario cadena de aisladores 500 kV
Cadena de aisladores de 500 kV 200 o c i p V k , n ó i c a r e p u c e r e d n ó i s n e t a l e d o c i p r e m i r P
180
Experimental - CESI
160 140
Zona de extinción
120 100 80 60
Indicadores propuestos por COES
40 20 0 0
10 20 30 40 50 Corriente de arco secundario, A 14,14
28,28
42,42
56,56
70,71
Corriente de arco secundario, Apico
60
84,85
Compensación inductiva en transitorios Extinción de arco secundario línea 500 kV: Sensibilidad utilización de reactor de fase y de neutro
Curva experimental del CESI 200 180
Fase A
Zona de reencendido del arco
e ) 160 d p n V 140 ó k ( i s o n t 120 e n T i e e m100 d i o c e 80 c l i p b a r t e s 60 e m e i r R 40 P
Zona de extinción del arco Fase A + Rf Fase A + Rf + Rn
20 0 0
10
20
30
40
50
60
70
Corriente de arco secundario (Arms)
Sin reactor de fase ni de neutro Con reactor de fase sin reactor neutro Con reactor de fase y de neutro
Ejemplo 500 kV Con y Sin Reactor de neutreo A pico A rms kV pico Fase A 80,84 57,16 185,36 Fase A + Rf 91,84 64,94 70,12 Fase A + Rf + Rn 55,75 39,42 50,45
Simulación de las sobretensiones de maniobra La simulación de las maniobras se realiza de forma estadísticas con ayuda del ATP. Para estas simulaciones se consideran dos variables estadísticas de entrada: El punto de la onda de tensión donde se realiza la maniobra: esta es una distribución de probabilidad uniforme a lo largo del período de la onda La discrepancia de polos entre los elementos de maniobra de cada una de las fases: esta es una distribución normal definida con un tiempo medio y una desviación estándar
Simulación de las sobretensiones de maniobra El ATP realiza el número de simulaciones que se le indique (por ejemplo 100) y para cada una de ellas obtiene el valor máximo de las variables en estudio. Al terminar de desarrollar todas las simulaciones el programa entrega el valor medio y la desviación estándar (σ) de los datos obtenidos Con estos valores se calcula el valor estadístico que corresponde a las sobretensiones con el 98% de probabilidad de ocurrencia
Interruptores Estadísticos
Simulación de las sobretensiones de maniobra El fenómeno de sobretensiones transitorias se ajusta a una función de probabilidad normal en donde la variable tipificada de X es: Z =
X − µ
Donde: µ es la media es la desviación estándar σ
σ
La distribución de la variable Z se encuentra tabulada. De las tablas se establece que para una probabilidad del 98 % el valor de Z corresponde a 2,06, es decir: X =
+ 2,06 ⋅ σ
Simulación de las sobretensiones de maniobra
