Simulador SF6 en ATP

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“

SIMULACIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA CON GAS SF 6 EN ATPDraw

”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA P

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A:

CUACUAS GUTIÉRREZ JUAN HIRAM ASESOR: DR. FERMÍN PASCUAL ESPINO CORTÉS

México, DF, 2010

Resumen En un sistema eléctrico de potencia como el que se tiene hoy en día en México es de suma importancia el contar con interruptores de potencia, capaces de soportar las condiciones más severas de falla. Lo anterior con la finalidad no solo de proteger el equipo tan costoso que se tiene conectado al sistema sino además de asegurar la continuidad del servicio de energía eléctrica con los márgenes de calidad requeridos mundialmente. Los interruptores de potencia tienen la función de liberar fallas pero también sirven para dar seguridad a las personas que se encargan de dar mantenimiento preventivo y correctivo a las líneas de transmisión. Sería ideal que al desconectar una línea de transmisión a través de un interruptor de potencia, ésta quedara simplemente desenergizada y sin problemas, sin embargo, al abrir el circuito existe un reacomodo de la energía almacenada en los diferentes elementos del sistema que genera procesos transitorios que dan origen a sobretensiones o sobrecorrientes.

El análisis de transitorios electromagnéticos generados por maniobra de interruptores resulta de gran ayuda para el proceso de diseño de los sistemas eléctricos de potencia. Para lo anterior, el contar con modelos que representen de manera más exacta los fenómenos electromagnéticos que toman lugar con la operación de interruptores es de suma importancia.

En este trabajo se incorporan dos modelos de arco eléctrico en interruptores de potencia utilizando el programa ATPDraw. Estos modelos contienen información del

SIMULACIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA CON GAS SF6 EN ATPDraw

medio extintor, en este caso el gas SF 6. Las ecuaciones de los modelos de Mayr y Cassie fueron incorporadas en ATPDraw a través de TACS (System Control Analysis Transient). Además de actualizar los modelos a una versión más reciente del ATPDraw, se incorporó el re-cierre, una función fundamental en interruptores de potencia. Para lo anterior las simulaciones se realizaron en el circuito de una línea de 400 kV que actualmente está en funcionamiento.

Los resultados muestran el comportamiento de tensión y corriente que se registra durante los procesos de apertura y cierre del interruptor en condiciones normales y de corto circuito trifásico. Finalmente los resultados obtenidos para los diferentes modelos de arco eléctrico en interruptores con tecnología SF 6 se compararon con los que se obtienen con el interruptor ideal, que es el interruptor con el que cuenta el programa ATPDraw

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Agradecimientos

A Dios, por derramar abundancia de bendiciones en mi vida, sabiendo que tú das la sabiduría, y de tu boca nacen el conocimiento y la inteligencia. Proverbios. 2:6 Gracias por ayudarme a terminar este ciclo conforme a tus propósitos para mi vida. Porque grande es tu amor por mí, es tu amor que me protege, tu mano sobre mí, es tu amor que guarda hoy mi vida, es tu amor que me salvo. Te doy gracias por darme la oportunidad de terminar esta tesis que sin tu ayuda hubiese sido imposible la culminación de la misma.

A Jesús, por amarme tanto y dar tu vida por mí, por sanarme de toda enfermedad y quitar de mi toda iniquidad, gracias Señor por dar el tiempo necesario para que yo concluyera la licenciatura y proseguir a la meta, sabiendo que tú estás conmigo y que puedo confiar en ti. Gracias por perfeccionar tu propósito en mí.

Al Espíritu Santo, gracias por guiarme por caminos rectos, por enseñarme las áreas de mi vida en las cuales no son agradables a Dios. Por enseñarme a entender la palabra del Señor pero sobre todo gracias por no dejarme un solo momento, por estar conmigo cuando te necesito, en aquellos momentos en los que pensé desmayar, ahí estabas Tú, dándome aliento para seguir adelante y no dejarme rendir aun cuando las circunstancias eran muy difíciles.

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A Juan Cuacuas Olmos, mi padre, que ha estado conmigo desde el inicio de vida en la tierra, que ha sustentado todas mis necesidades, y que gracias a sus consejos eh podido terminar esta etapa de mi vida, ya que ha estado al pendiente de ella en todo momento.

A Socorro Gutiérrez Villafaña, mi madre, que con amor, paciencia y tolerancia a sabido conducirme por caminos rectos, enseñándome a ser un hombre de bien que sirva para cosas productivas y sobre todo por darme la oportunidad de estudiar, dejando muchas cosas con el propósito de hacerme obtener un grado mas de estudios.

A Socorro Catalina Cuacuas Gutiérrez, mi hermana, porque con su temperamento decisivo es para mí, ejemplo para no quedarme en mediocridad, sino buscar lo mejor cada día.

A Diana Jennifer Gutiérrez Villafaña, mi hermana, porque con su amor a los estudios académicos infunde en mi un deseo de seguir superándome, demostrando que cuando se quiere se puede lograr los deseos del corazón.

A Marina Gutiérrez Villafaña, mi tía, porque gracias a su apoyo eh podido terminar la licenciatura, valorando mucho su labor dentro de la familia que incondicionalmente realiza día a día.

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A Ulises Portillo González, Yara Cynthia Cuacuas Gutiérrez y Paola Jocelyn Portillo Cuacuas, porque esta familia ha traído mucho bendición a mi vida y con su ejemplo nos ha enseñando a seguir adelante y no dejar los estudios truncos sino, seguir adelante a pesar de circunstancias difíciles.

A Saúl Gutiérrez Villafaña, Maribel Valderrama y Natalie Gutiérrez Valderrama, porque esta familia ha estado incondicionalmente conmigo, impulsando y dando alientos para proseguir a la realización de esta tesis.

A Isis Inna Ivethe Rodríguez González, mi novia, por ser una gran bendición, que día a día con amor me enseña a explotar lo mejor de mí, exhortándome a seguir siempre adelante y no conformarme con los logros obtenidos. Por ser una persona importante en el desarrollo de esta tesis.

A Carlos Rodríguez Díaz, Guadalupe González Zúñiga, Jorge Luis Rodríguez González, porque esta familia me apoyado incondicionalmente, sin esperar nada a cambio, enseñándome que Dios está conmigo y que no hay barrera alguna que pueda detenerme siempre y cuando este en presencia de Jesús el redentor.

A Carlos Edgar Rodríguez González, Elizabeth Díaz Lozada y Karla Elizabeth Rodríguez Díaz, porque esta familia me enseña lo importante que es superarse a pesar de las circunstancias difíciles para poder aspirar a un mejor futuro, y por estar al pendiente de esta tesis. v


A Juan Carlos Coria, Alma Idalia Rodríguez González y Keila Coria Rodríguez, porque esta familia me ha enseñado que Dios quiere lo mejor para mí, que El siempre me lleva de victoria en victoria, y por estar al pendiente de este trabajo.

Al Instituto Politécnico Nacional que atreves de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, me ha permitido estudiar dentro de sus instalaciones, apoyándome con una educación gratuita, pero sobre todo de reconocimiento mundial, por prepararme en muchas áreas de conocimiento para poder abrirme paso en un mundo competitivo donde la preparación académica es de vital importancia.

Al Dr. Fermín Pascual Espino Cortes, porque gracias a su tiempo invertido y el exhortarme a terminar bien este trabajo de tesis, apoyándome para poder presentar un trabajo que contenga calidad, y sobre todo por enseñarme a estar orgulloso de mí trabajo.

Al Dr. Pablo Gómez Zamorano, que aunque a distancia, sus consejos fueron valiosos y de mucha ayuda para el desarrollo de este trabajo de tesis.

Al M en C Jahel Hernández Ángeles, por su apoyo durante el proceso de investigación en este proyecto de tesis.

Al M en C Gabriel López Ruiz, por darme la oportunidad de trabajar con él durante seis meses, enseñándome a manejar el programa ATPDraw con fines de utilización en la tesis. vi


Al M en C Carlos Ramírez Pacheco, por sus asesorías importantes para el desarrollo de la programación de los interruptores en este trabajo de tesis.

Al M en C Gilberto Enríquez Harper, por permitirme realizar prácticas profesionales en la Unidad de Ingeniería Especializada de la Comisión Federal de Electricidad, lugar donde se ponen a prueba el conocimiento adquirido en las aulas de clase y sobre todo por los conocimientos adquiridos en el este lugar.

A la Comisión Federal de Electricidad por permitirme realizar mi servicio social y prácticas profesionales dentro de sus instalaciones, enseñanza fundamental para la realización de este trabajo de tesis.

Y a todos los profesores y compañeros que a lo largo de mi educación superior fueron pieza fundamental para la culminación de mi carrera profesional.

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Índice

Resumen........................................................................................................................i Índice ......................................................................................................................... viii Lista de figuras ............................................................................................................. xi Lista de tablas ............................................................................................................. xv Glosario...................................................................................................................... xvi CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 1 1.1 Generalidades. ....................................................................................................... 1 1.2 Planteamiento del Problema. ................................................................................. 3 1.3 Objetivos. ............................................................................................................... 5 1.4 Justificación. .......................................................................................................... 6 1.5 Estado del Arte. ...................................................................................................... 7 1.6 Alcances y Limitaciones ....................................................................................... 10 1.7 Estructura de la Tesis. ........................................................................................... 11 CAPÍTULO 2: EL ARCO ELÉCTRICO ........................................................................... 12 2.1 Introducción. ........................................................................................................ 12 2.2 Arco Eléctrico en el Interruptor de Potencia. ........................................................ 13 2.3 Re-Ignición del Arco Eléctrico. ............................................................................. 15 2.4 Re-Encendido del Arco Eléctrico. ......................................................................... 15 2.5 Importancia Sobre el Estudio del Arco Eléctrico. ................................................. 16 2.6 Modelos de Arco Eléctrico. ................................................................................... 17 2.6.1 Modelo de A. M. Cassie................................................................................. 17 2.6.2 Modelo de Mayr. ............................................................................................ 18 2.7 Comparación de los Modelos de Arco Eléctrico. .................................................. 20 viii


2.8 Parámetros Importantes en el Uso de los Modelos de Arco Eléctrico. ................. 22 CAPÍTULO 3. INTERRUPTORES DE POTENCIA. ....................................................... 25 3.1 Introducción. ........................................................................................................ 25 3.2 Medio de Extinción para el Arco Eléctrico. ........................................................... 27 3.3 Mecanismos de Operación. ................................................................................. 28 3.4 Aguante Eléctrico y Mecánico. ............................................................................. 29 3.5 Interruptores que Utilizan la Tecnología del Gas SF6. .......................................... 30 3.5.1 Descomposición del Gas SF 6............................................................................ 31 3.5.2 Características Físicas y Eléctricas del Hexafluoruro de Azufre. ...................... 32 3.5.3 Contaminación del Gas SF 6. ............................................................................. 33 3.5.4 Normas que Rigen al SF 6.................................................................................. 33 3.5.5 Primer Interruptor con Gas SF 6. ........................................................................ 34 3.6

Primera Generación de Interruptores en SF 6. .................................................. 35

3.6.1 Interruptores de un Soplo una Presión. ............................................................. 35 3.6.2 Interruptores de Soplo....................................................................................... 36 3.6.3 Interruptores de Auto Soplado .......................................................................... 37 3.7 Segunda Generación de Interruptores en SF 6. .................................................... 37 3.8 Tercera Generación de Interruptores en SF 6. ....................................................... 38 3.9 Re-cierre Automático............................................................................................ 40 3.10 Re-cierre del Interruptor. .................................................................................... 41 3.11 Tiempos de Operación. ...................................................................................... 42 3.12 Efectos Causados por la Interrupción de Corriente............................................ 44 3.13 Transitorios. ....................................................................................................... 44 3.13.1 Transitorios Electromagnéticos y Electromecánicos. ...................................... 45

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CAPÍTULO 4. IMPLEMENTACIÓN Y SIMULACIÓN DE MODELOS DE ARCO ELÉCTRICO EN ATPDRAW. ......................................................................................... 46 4.1 Introducción. ........................................................................................................ 46 4.2 Implementación del Modelo de Arco Eléctrico Propuesto por Cassie. ................. 47 4.3 Implementación del Modelo de Arco Eléctrico Propuesto por Mayr. .................... 52 4.4 Modelo de Cassie-Mayr. ...................................................................................... 56 4.5 Línea de Transmisión San Jerónimo-Ortiz. .......................................................... 59 4.6 Simulación de los Interruptores de Potencia para Diferentes Condiciones de Operación. ................................................................................................................. 62 4.6.1 Apertura del Interruptor de Potencia (ideal, Cassie, Mayr, Cassie-Mayr). ....... 62 4.6.2 Apertura del Interruptor de Potencia (ideal, Cassie, Mayr y Cassie-Mayr) en Condición de Falla Monofásica a Tierra ..................................................................... 76 4.6.3 Apertura de un Interruptor de Potencia ( Ideal, Cassie, Mayr, Cassie-Mayr) en Condición de Falla Monofásica a Tierra liberada y Re-cierre de la Línea. ................. 85 4.6.4 Apertura de Interruptor de Potencia (ideal, Cassie, Mayr, Cassie-Mayr) en Condición de Falla Monofásica Permanente y Re-cierre Automático. ....................... 95 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES GENERALES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS. .............................................................................................. 104 5.1 Conclusiones .................................................................................................... 104 5.2 Recomendaciones para Trabajos Futuros. ........................................................ 106 Referencias.............................................................................................................. 107 Anexo………………………………………………………………………………………….. 109

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Lista de figuras Figura. 2-1Descripción grafica del modelo de Cassie. .................................................. 17 Figura. 2-2 Representación grafica del modelo de Mayr. .............................................. 19 Figura. 3-1Descomposición del gas SF 6. [8].................................................................. 32 Figura. 3-2 Interruptor en SF 6 de un soplo una presión, [13]. ........................................ 36 Figura. 3-3 Interruptor de de auto soplado en SF 6 [14]. ................................................ 37 Figura. 4-1Diagrama en bloques que describe el funcionamiento del modelo de arco eléctrico propuesto por Cassie [2]. ................................................................................ 48 Figura. 4-2 Modelo de Cassie utilizando la herramienta de TACS en ATPDraw. ........... 48 Figura. 4-3 Icono representando un interruptor con tecnología SF 6 utilizando el modelo de arco eléctrico de Cassie. .......................................................................................... 49 Figura. 4-4Ventana para introducir datos requeridos por el interruptor. ......................... 50 Figura. 4-5 Ventana para simular cierres, aperturas y re-cierres en el interruptor. ........ 51 Figura. 4-6 Diagrama en bloques del modelo de arco eléctrico propuesto por Mayr [1].52 Figura. 4-7Modelo de Mayr utilizando la herramienta de TACS en ATPDraw. ............... 53 Figura. 4-8 Icono representando un interruptor con tecnología SF 6 utilizando el modelo de arco eléctrico de Mayr............................................................................................... 54 Figura. 4-9 Ventana para introducir datos requeridos por el interruptor......................... 55 Figura. 4-10 Diagrama en bloques de la fusión de los modelos de arco eléctrico de Cassie y Mayr [2]. .......................................................................................................... 56 Figura. 4-11 Modelo de Cassie-Mayr utilizando la herramienta de TACS en ATPDraw. 57

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Figura. 4-12 Icono representando un interruptor con tecnología SF 6 utilizando el modelo de arco eléctrico de Cassie-Mayr. ................................................................................. 58 Figura. 4-13Ventana para introducir datos requeridos por el interruptor........................ 59 Figura. 4-14Ubicación geográfica de la línea de transmisión Jerónimo Ortiz[14]. ......... 60 Figura. 4-15 Diseño en ATPDraw del tramo de línea de transmisión San Jerónimo-Ortiz. ...................................................................................................................................... 61 Figura. 4-16 Modelo de línea utilizando interruptor ideal. .............................................. 63 Figura. 4-17 Corriente en el interruptor ideal. ................................................................ 64 Figura. 4-18 Tensión en el interruptor ideal. .................................................................. 65 Figura. 4-19 Modelo de línea utilizando interruptor en SF 6 con modelo de Cassie. ...... 66 Figura. 4-20 Corriente en el interruptor modelo de Cassie. ........................................... 67 Figura. 4-21Tensión en el interruptor modelo de Cassie. .............................................. 68 Figura. 4-22 Modelo de línea utilizando interruptor en SF 6 con modelo de Mayr. ......... 69 Figura. 4-23 Corriente en el interruptor modelo de Mayr. .............................................. 70 Figura. 4-24Tensión en el interruptor modelo de Mayr. ................................................. 71 Figura. 4-25 Modelo de línea utilizando interruptor en SF 6 con modelo de Cassie-Mayr. ...................................................................................................................................... 72 Figura. 4-26 Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr. .................................. 73 Figura. 4-27Tensión en el interruptor modelo de Cassie-Mayr. ..................................... 74 Figura. 4-28Corriente en el interruptor ideal en falla monofásica a tierra. ..................... 76 Figura. 4-29 Tensión en el interruptor ideal en falla monofásica a tierra. ...................... 77 Figura. 4-30 Corriente en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra. 78 Figura. 4-31Corriente en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra. 79 Figura. 4-32 Corriente en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra. .. 80 xii


Figura. 4-33 Tensión en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra. .... 81 Figura. 4-34Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a tierra. ............................................................................................................................. 82 Figura. 4-35 Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a tierra. ............................................................................................................................. 83 Figura. 4-36 Corriente en el interruptor modelo de ideal en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. ..................................................................................... 86 Figura. 4-37 Tensión en el interruptor ideal en falla monofásica a tierra liberada y recierre automático. .......................................................................................................... 87 Figura. 4-38 Corriente en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. ..................................................................................... 88 Figura. 4-39Tensión en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. ..................................................................................... 89 Figura. 4-40 Corriente en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. ..................................................................................... 90 Figura. 4-41Tensión en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. ..................................................................................... 91 Figura. 4-42 Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. ............................................................................ 92 Figura. 4-43Tensión en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. ............................................................................ 93 Figura. 4-44 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor ideal con falla monofásica permanente......................................................................................... 95

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Figura. 4-45 Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor ideal con falla monofásica permanente. ............................................................................................... 96 Figura. 4-46 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie con falla monofásica permanente. ................................................................ 97 Figura. 4-47Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie con falla monofásica permanente. ..................................................................... 98 Figura. 4-48 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Mayr con falla monofásica permanente. ................................................................... 99 Figura. 4-49Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Mayr con falla monofásica permanente. ...................................................................... 100 Figura. 4-50 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie-Mayr con falla monofásica permanente. ..................................................... 101 Figura. 4-51 Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie-Mayr con falla monofásica permanente. ..................................................... 102 Figura A-1 Diagrama en bloques de la ecuación de Cassie ……………………………..109 Figura A-2 Primer bloque en ATPDraw……………………………………………………..110 Figura A-3 Segundo bloque en ATPDraw………………………………………………….111 Figura A-4 Tercer bloque en ATPDraw……………………………………………………...112 Figura A-5 Cuarto bloque en ATPDraw……………………………………………………..113 Figura A-6 Quinto bloque en ATPDraw……………………………………………………..114 Figura A-7 Sexto bloque en ATPDraw……………………………………………………...115 Figura A-8 Elementos utilizados en el interruptor con modelo de arco eléctrico ………116 Figura A-9 Ventana para comprimir el circuito ……………………………………………..116 Figura A-10 Icono del interruptor de potencia ……………………………………………..117 xiv


Lista de tablas Tabla 2-1 Comparación del modelo de Cassie y Mayr. .................................................. 20 Tabla 2-2 Forma de utilización de los modelos de arco eléctrico................................... 21 Tabla 2-3Método Amsinck en el modelo de Mayr. ......................................................... 22 Tabla 2-4Método de Amsinck en el modelo de Cassie. ................................................. 22 Tabla 2-5 Método Asturiano en el modelo de Mayr. ....................................................... 23 Tabla 2-6 Método Asturiano en el método de Cassie. ................................................... 23 Tabla 2-7 Valores para la implementación de modelos en ATPDraw. ............................ 24 Tabla 3-1Clasificación de transitorios electromagnéticos. ............................................. 44 Tabla 4-1Resultados de la apertura de interruptores. .................................................... 75 Tabla 4-2 Resultados de la apertura de interruptores en condición de falla monofásica a tierra. ............................................................................................................................. 84 Tabla 4-3 Resultados de apertura y re-cierre de interruptores en condición de falla monofásica y re-cierre. .................................................................................................. 94 Tabla 4-4 Resultados de apertura, re-cierre y re-apertura de interruptores en condición de falla permanente. .................................................................................................... 103

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Glosario Arco eléctrico.- Es la descarga eléctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmósfera gaseosa enrarecida, normalmente a baja presión, o al aire libre. Átomo.- Es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos. ATP.- Es un programa para computadora creado para el análisis de circuitos eléctricos, permite modelar matemáticamente sistemas eléctricos mecánicos y de control, monofásicos y polifásicos. La diferencia con EMTP es que ATP es de licencia libre. Carga eléctrica.- Es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. Conductancia.- En un conductor a la inversa de la oposición que dicho conductor presenta al movimiento de los electrones en su seno, esto es, a la inversa de su resistencia eléctrica (R ). Conductividad.- Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Corriente eléctrica.- Es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. −

Electrón.- Comúnmente representado por el símbolo: e , es una partícula subatómica de tipo termiónico. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones. EMTP.- Es un programa de computadora destinado al análisis de circuitos eléctricos, especialmente en régimen transitorio. El programa permite modelar matemáticamente sistemas eléctricos, mecánicos y de control, monofásicos y polifásicos. Su nombre proviene del acrónimo inglés Electro Magnetic Transients Program. Hexafluoruro de azufre (SF 6).- Es un gas inerte artificial que tiene excelentes propiedades de aislamiento, así como una estabilidad térmica y química excepcionalmente altas. Ion.- Es una partícula cargada constituida por un átomo o conjunto de átomos neutros que ganaron o perdieron electrones, fenómeno que se conoce como ionización.

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Neutrón.- Es un barión neutro formado por dos quarks abajo y un quark arriba. Forma, junto con los protones, los núcleos atómicos. Protón.- Es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva (1,602 176 487 × 10 –19 culombios) y una masa de 938,272 013 MeV/c2 (1,672 621 637 × 10 –27 kg) o, del mismo modo, unas 1.836 veces la masa de un electrón. Simulación.- Es una técnica numérica para conducir experimentos en una computadora digital. Estos experimentos comprenden ciertos tipos de relaciones matemáticas y lógicas, las cuales son necesarias para describir el comportamiento y la estructura de sistemas complejos del mundo real a través de largos periodos de tiempo. Sobretensión.- Es una solicitación variable en el tiempo cuyo máximo valor es superior al valor de pico de la tensión nominal del sistema en estudio. TACS.- simplificación de la programación ya que en el interior de ellos se llevan a cabo las operaciones matemáticas que requiere el diseño desarrollados en el lenguaje Fortran. Tensión eléctrica.- La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrica. Tensión Transitoria de Restablecimiento.- es la tensión que el circuito impone entre los contactos del interruptor.

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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

1.1 Generalidades.

Cuando la humanidad comenzó a utilizar la energía eléctrica a gran escala, iniciaron una serie de investigaciones para crear diferentes equipos con características específicas que satisficieran las necesidades en la generación, trasmisión, distribución y uso de este recurso.

Conforme la población fue creciendo, fue necesario crear equipos eléctricos de mayor potencia y más robustos, la demanda de la energía eléctrica creció a gran escala. El satisfacer las crecientes necesidades del mercado eléctrico ha sido hasta el día de hoy un reto para las empresas generadoras de energía en nuestro país.

La actividad industrial sigue creciendo día con día, además los usuarios domésticos continúan adquiriendo una gran cantidad de electrodomésticos, situación que se traduce en un crecimiento constante de la carga eléctrica. Este aumento lleva a necesidad de incrementar la capacidad de generación, 1


transmisión y distribución del sistema nacional. La expansión del sistema eléctrico de potencia y/o el incremento de la capacidad de los sistemas ya instalados, requiere de estudios que aseguren cubrir la demanda de energía eléctrica sin comprometer el funcionamiento correcto del sistema.

En caso de una falla en un sistema de gran potencia, la liberación se debe realizar en forma adecuada y en el menor tiempo posible buscando el no dañar al equipo que se encuentra interconectado en sistema. Esta necesidad dio lugar a una serie de investigaciones para crear un equipo que tuviese las características necesarias para poder controlar la corriente eléctrica en caso de una contingencia, tal es el caso de una falla eléctrica por corto circuito. De esta necesidad nació la idea del interruptor, el cual inicialmente se creó de una forma muy rudimentaria si se compara con los que conocemos hoy en día; sin embargo, estos primeros dispositivos fueron la base para crear interruptores los cuales utilizan diversas tecnologías para obtener un mejor desempeño. En la actualidad existen varios tipos de interruptores, desde el más sencillo de un polo un tiro que se utiliza en baja tensión hasta los sistemas más complicados como son los interruptores de potencia utilizados en media y alta tensión.

Un interruptor de potencia es un dispositivo eléctrico que fue creado para satisfacer la necesidad de controlar el flujo de la corriente eléctrica ya sea para protección del personal que labora dando mantenimiento para ofrecer el funcionamiento óptimo de las redes, o para la protección de los equipos que componen la red eléctrica ante algún disturbio eléctrico. Para que estas 2


condiciones se puedan cumplir sin problema, el interruptor debe contar con un buen diseño mecánico y eléctrico, además de contar con medio de extinción del arco eléctrico, de los cuales los más comunes son: aire, vacío, aceite o el SF 6.

1.2 Planteamiento del Problema.

Hoy en día la industria eléctrica requiere una gran cantidad de pruebas para asegurarse que el equipo estará funcionando de manera adecuada cuando éste sea instalado en el sistema. Existe una gran variedad de pruebas que se realizan en laboratorios especializados para prueba a interruptores, algunas de las cuales son: prueba de resistencia de contactos, prueba de resistencia de aislamiento, pruebas de tiempo de cierre, apertura y simultaneidad de contactos. De esta manera se obtiene información necesaria sobre el equipo para poder tener un criterio amplio y decidir si es apto o no para su instalación en el sistema eléctrico. Además de estas pruebas se requiere tener conocimiento de cómo reaccionará el interruptor una vez que ha sido instalado en la línea al momento de presentarse una falla severa, ¿qué nivel de sobretensión generará al momento de abrir la línea?, y en caso de requerir un re cierre, ¿qué nivel de sobre tensión tendrá al momento de cerrar los contactos del interruptor y encontrarse con las llamadas cargas atrapadas? De estas interrogantes han surgido ideas para poder reducir el costo que requiere el hacer este tipo de pruebas, que en muchos casos es imposible reproducir en forma experimental.

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Existen en la actualidad programas para computadora tales como el EMTP o el ATP, los cuales son programas para simulación de transitorios, en ellos se permite elaborar modelos de línea de transmisión que se asemejan mucho a los diseños reales y debido a esto se pueden utilizar los datos obtenidos de líneas, cables o equipos. Actualmente estos programas son ampliamente utilizados en nuestro país por la Comisión Federal de Electricidad, con este tipo de paquetería simulan fallas en las diferentes líneas que están interconectadas en el sistema eléctrico de potencia mexicano. Los resultados de estas simulaciones ayudan a tener una referencia de cómo se comportarían las líneas o los equipos que se encuentran conectados en caso de ocurrir una falla, sin necesidad de exponer al personal y a los equipos.

Con el objetivo de hacer cada vez más real la simulación, trabajos anteriores han aportado mejoras a este tipo de programas. En muchas ocasiones se requiere de la utilización de ciertas características en los modelos de los equipos que se consideran en la simulación, sin embargo, no siempre es posible debido a que estas características no han sido incluidas. Ambos programas, ATP y EMTP cuentan con un diseño propio del interruptor de potencia, pero con la desventaja que solo consideran un modelo simplificado de la apertura de la línea sin tomar en cuenta el medio de extinción o fenómeno del arco eléctrico presente en la maniobra.

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En los últimos años se han desarrollado varios modelos de interruptores para este tipo de programas, lo cual ha sido bastante útil, sin embargo la desventaja es que se han hecho sólo para algunos casos tales como liberación de fallas kilométricas, desconexión de generadores o desconexión de líneas con compensación capacitiva.

En trabajos más recientes han desarrollado modelos de arco eléctrico, los cuales en un inicio fueron programados en ATP/EMTP y últimamente auxiliados con la interfaz ATPDraw los llamados de caja negra o TACS. Estos modelos de arco eléctrico fueron tomados de ideas de investigadores como Mayr o Cassie quienes modelaron matemáticamente la física del arco. Sin embargo los modelos realizados no fueron simulados con datos reales de líneas, y no tienen la capacidad para considerar re-cierres.

1.3 Objetivos.

Tomando en cuenta los problemas anteriores, los objetivos principales de este trabajo de tesis son:

Objetivo General Aplicar los modelos de interruptores con tecnología de gas SF6 y modelos de arco eléctrico, aportando la función de re-cierre para observar su comportamiento en modelos de líneas con datos reales.

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Objetivos Particulares a) Adicionar al interruptor de potencia los modelos de arco eléctrico para las versiones más actuales de ATPDraw considerando el medio de extinción con tecnología de gas SF 6. b) Tomando un modelo de línea que actualmente se encuentra en funcionamiento en el sistema eléctrico mexicano, realizar operaciones de apertura y re-cierre en los interruptores bajo diferentes condiciones. c) Comparar datos de salida de las simulaciones realizadas con los modelos de interruptor ideal.

1.4 Justificación. El uso de paquetería para realizar el modelado y análisis de transitorios electromagnéticos busca obtener un ahorro significativo en tiempo y costo en comparación con pruebas de equipo y redes. Por tal motivo el crear y enriquecer programas como ATP o EMTP es de mucha importancia para el sector eléctrico nacional ya que a través de ellos se podrían obtener datos semejantes a los que se obtendría en un laboratorio de pruebas. Se han desarrollado un sin número de aplicaciones de este tipo de programas, pero el sistema eléctrico mexicano es muy complejo y requiere de constantes actualizaciones o desarrollo de nuevos elementos que ayuden a las simulaciones a obtener resultados lo más cercano a los obtenidos en pruebas de campo. El desarrollar un modelo de interruptor de potencia con tecnología de gas SF 6 para programas de ATP o EMTP ha ayudado a obtener un elemento más representativo 6


del mecanismo de interrupción, que aporta mejoras respecto a cuando se utiliza un interruptor ideal. Hay que tomar en cuenta que muchas ocasiones cuando hay una interrupción de energía, se llega a quedar cierta cantidad de ella atrapada, lo cual ocasiona que en el interruptor, al producirse el re-cierre de contactos, exista un re-encendido del arco eléctrico.

Por lo que el continuar con el desarrollo de los modelos de interruptores anteriormente realizados en ATP es de gran importancia, ya que adicionando la función de re-cierre, considerando una parte de la red del sistema eléctrico mexicano, utilizando datos reales y monitoreando el comportamiento del interruptor, ayudara a verificar que los elementos aportan información de datos reales o lo más cercano posibles a estos.

1.5 Estado del Arte.

El ATP es un programa ampliamente usado por las personas encargadas de simular transitorios electromagnéticos. Antes del ATP existió el EMTP que de igual forma sirve para simular efectos electromagnéticos en el sistema eléctrico, originalmente se creó para ser de dominio público por Bonneville Power Administration (BPA) de Portland, sin embargo en 1984 el grupo de coordinación, desarrollo e investigación del Instituto eléctrico de potencia (EPRI) comercializó el programa en Palo Alto, California.

7


Ante la desaprobación de los doctores W Scot Meyer y Tsu-huei Li, comenzaron a trabajar en un nuevo programa de dominio público, desde entonces el ATP ha tenido aportaciones importantes de todo el mundo. Por lo que ATP está disponible para cualquier persona que desee utilizarlo, libre de licencia.

El ATP cuenta hoy en día con muchos modelos a disposición, tales como: maquinas rotatorias, transformadores, líneas de transmisión y diferentes aparatos de medición para voltaje, corriente y potencia; que el usuario puede utilizar para llevar a cabo un diseño de red así como las simulaciones que le sean necesarias para su estudio. Existen un par de herramientas importantes dentro de ATP, TACS y MODELS. Los TACS han servido para simulaciones más exactas, sabemos que muchas veces en los programas de computación, se utilizan herramientas de forma ideal, tales como interruptores, transformadores, líneas etc., pero también es necesario tener elementos que asemejen a los que se tienen de forma real ya que las características pueden variar de forma significativa. Para reducir este problema nacen los TACS, con ayuda de ellos se puede introducir datos más precisos a través de ecuaciones, por ejemplo, para un interruptor, tomar en cuenta la resistencia que varia a través del tiempo de apertura. Por otro lado, los MODELS aunque tiene la misma función, en ellos se pueden programar el elemento y tener los valores y características necesarias por el usuario, con lo que se puede obtener un elemento más apegado a las necesidades del programador.

8


En trabajos de tesis anteriores se han desarrollado modelos de arco eléctrico, primeramente en la tesis del M en C. Carlos Ramírez se desarrollo los modelos de arco eléctrico que en un principio fueran propuestos por Cassie y Mayr, esto se desarrollo en ATP por lo que se tuvo que desarrollar un diagrama en bloques para la solución de ambas ecuaciones y posteriormente llevar a cabo la programación en lenguaje fortran. En ese trabajo se realizaron simulaciones con modelo de línea y generador de Haginomori, para observar el comportamiento del interruptor bajo la presencia de arco eléctrico. Así también comprobar la respuesta de cada uno de los medios de extinción tales como el aceite, aire y SF 6. Comprobando que el hexafluoruro de azufre tiene mayor capacidad de extinción. Además de estos modelos, utilizó el modelo de arco eléctrico de Kopplin, al igual que los modelos de Cassie y Mayr, el modelo muestra un comportamiento similar al incorporarlo a los interruptores, a excepción del SF 6 cuyo comportamiento es diferente al extinguirse más rápidamente [1]. También realizó pruebas a bancos de capacitores en diferentes casos, desconexión de reactores y la combinación del los modelos de Cassie y Mayr.

En trabajos más recientes como en la tesis para grado de maestro del M. en C de Jahel Hernández Ángeles fueron desarrollados los modelos de arco eléctrico de Cassie y Mayr, ahora con la diferencia de utilizar la interfaz grafica del programa ATP. De esta manera hizo más visible el modelo del interruptor agregándole los modelos de arco eléctrico, utilizando la herramienta de TACS que facilitan la entrada de datos ya que se hace algebraicamente, desarrollo iconos de cada uno de los modelos, los cuales en su interior contienen pequeños módulos o TACS, 9


que realizan cada una de las operaciones necesarias para el desarrollo de un arco eléctrico en sus etapas de pre-encendido, encendido y extinción. Con el objetivo de representar una región más amplia de corriente, pueden emplearse de manera combinada los modelos de Cassie y Mayr conectando en serie las resistencias dadas por ambos modelos [2]. Además se añadió el modelo de Kopplin, Kema y un modelo general del arco eléctrico. Realizó aplicaciones de estos modelos en la desconexión de una falla trifásica y falla kilométrica. De esta manera los programas de simulación se han ido enriqueciendo con elementos cada vez más complejos y precisos para un mejor desempeño y la obtención de datos más exactos que ayuden a tener un mejor conocimiento del sistema que se analice.

1.6 Alcances y Limitaciones Los alcances de este trabajo de tesis se pueden resumir en lo siguiente: a) Incorporación de tres modelos de interruptores de potencia en el programa ATPDraw, los cuales contienen información del gas SF6. b) Incorporación de la herramienta de re-cierre para los modelos de interruptores. c)

Incorporación de la información del arco eléctrico proporcionada por las ecuaciones de Cassie y Mayr a los modelos de interruptores.

d) Incorporación de los modelos de interruptores a un modelo de línea de transmisión utilizada actualmente para estudios en la Comisión Federal de Electricidad. 10


Las limitaciones con las que se encuentra son: a) Existe escases de información referente a resultados de pruebas a interruptores, ya que al no contar con estos datos es muy difícil saber si los modelos desarrollados en ATPDraw arrojan valores cercanos a los obtenidos en pruebas. b) Debido a que el tema de interruptores es muy extenso es muy difícil incorporar información a los modelos de interruptores de distintos medios de extinción en un solo trabajo.

1.7 Estructura de la Tesis.

A continuación se da una breve descripción de lo que trata cada uno de los capítulos que componen este trabajo de tesis: en el Capítulo 1, se describen los objetivos de este trabajo se justifica la importancia de trabajos como este y se describen trabajos previos. En el Capítulo 2 se describe el mecanismo del arco eléctrico y los diferentes modelos matemáticos existentes para su modelado. Los tipos de interruptores más comunes son presentados en el Capítulo 3, describiendo con mayor profundidad el interruptor de SF 6, también en este capítulo se mencionan los diferentes tipos de re-cierre y sus consecuencias. La implementación de los modelos de arco en ATPDraw se presenta en el Capítulo 4, se muestran los resultados de simulación para diferentes casos de aplicación. Finalmente en el Capítulo 5 se dan las conclusiones derivadas de este trabajo y se sugieren algunas opciones para el desarrollo de trabajos futuros. 11


CAPÍTULO 2: EL ARCO ELÉCTRICO 2.1 Introducción.

Para poder entender el funcionamiento de un interruptor de potencia que utiliza el gas con tecnología SF 6 como medio de extinción del arco eléctrico, primero es necesario comprender lo que es un arco eléctrico.

Recordemos que la materia está constituida por átomos, éstos a su vez están formados por neutrones, protones y electrones. En condiciones normales las carga neta de un átomo se encuentran en perfecto balance, sin embargo, existen fenómenos que pueden dar lugar a un proceso en el cual se desprenden uno o más electrones del átomo, dando lugar a la producción de partículas eléctricamente cargadas. Los procesos más probables para la generación de partículas cargadas en gases son: a) Electrones e iones positivos: colisión electrónica, colisión de ion positivo, radiación, átomos excitados. b) Iones negativos: captura disociativa, captura asociativa, producción de pares iónicos, captura radioactiva. [3]

12


Estas cargas libres bajo ciertas condiciones pueden verse multiplicadas dando origen a un proceso conocido como arco eléctrico.

2.2 Arco Eléctrico en el Interruptor de Potencia. El arco eléctrico se presenta en un interruptor de potencia cuando se inicia la separación de los contactos de un interruptor y existen portadores de carga libres en el medio aislante, usualmente electrones. La fuerza ejercida por el campo eléctrico presente sobre los electrones inicia un proceso de ionización por colisión de electrones en forma de avalancha que va creciendo y encadenándose con otras hasta conectar ambos electrodos.

Al inicio de la apertura de los contactos en el interruptor, la distancia entre ellos es muy pequeña lo que provoca la ionización por impacto, que se debe básicamente al desprendimiento de los electrones de la superficie de los contactos. Una vez que los contactos se han separado aun más, aparece una ligera capa de aislante que trata de ponerse entre ellos, existe una elevada ionización del medio por lo que se crea una columna de forma cilíndrica de gas ionizado lo que se llama arco eléctrico con una temperatura de 3726°C a 34726°C, esto dependiendo de las condiciones que estén presentes en ese momento y de la cantidad de corriente que se encuentre circulando. A medida de que la distancia entre los contactos aumenta, provoca en el gas la deionización por tanto se detiene el flujo de electrones [5].

13


Las características principales del arco van a depender de diferentes factores que en el momento de formarse estén presentes, como son:

a) Naturaleza y presión del medio ambiente. b) Presencia de agentes ionizantes o de-ionizantes. c) Tensión que existe entre los contactos y la variación de ésta. d) La forma, separación y estructura química de los contactos. e) El sistema que se emplea para extinguir el arco.

En el sistema eléctrico de potencia mexicano se maneja corriente alterna por tal motivo la corriente que origina un arco eléctrico es de la misma naturaleza, una vez que los contactos del interruptor de potencia se encuentran lo bastante separados y la corriente tenga un paso por valor cero, el arco eléctrico será extinguido. Sin embargo queda un medio con temperatura alta, y con cierta conductividad que permitirá el paso una pequeña cantidad de corriente, a ésta se le llama corriente de post-arco, por lo cual es necesario tener un interruptor que sea capaz de bajar esa temperatura para evitar las corrientes de post-arco, de lo contrario corre el riesgo de haber re-ignición del arco.

14


2.3 Re-Ignición del Arco Eléctrico.

Una vez que la temperatura del medio permite la corriente post-arco, ocurre la reignición del arco que tiene dos posibles orígenes:

a) Re-ignición térmica: debido a que existe ionización residual y elevada temperatura, las corrientes post-arco resurgen. b) Re-ignición dieléctrica: una vez abiertos los contactos, si existe tensión entre ellos y esta tensión es muy grande, el medio dieléctrico es incapaz de soportarla, lo cual causara una ruptura del medio aislante y su colapso. [4]

Estos dos posibles orígenes de la re-ignición ocurren por lo regular dentro de los primeros microsegundos posteriores a que la corriente pasa por cero.

2.4 Re-Encendido del Arco Eléctrico.

Una vez que la corriente del arco eléctrico pasa por cero, comienza la recuperación tanto de la tensión como de las propiedades del medio aislante. Por lo que se inicia una carrera para restablecer los valores dieléctricos del medio y la (TTR), si el proceso de restablecimiento del arco ocurre después de cuatro ciclos posteriores a la extinción del arco se le llamará re-encendido del arco.

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La TTR es la tensión que el circuito impone entre los contactos del interruptor, para que una apertura de un interruptor de potencia sea considerada un éxito, necesitan tomar en cuenta que la TTR debe ser menor a cierto valor para que el medio aislante pueda detener y evitar que exista un re-encendido del arco.

2.5 Importancia Sobre el Estudio del Arco Eléctrico.

El estudio del arco eléctrico es de mucha importancia en los sistemas de potencia debido a su frecuente aparición y a los valores de corriente que manejan (en el orden de kA). Las empresas de generación invierten grandes cantidades de dinero para comprar equipo que pueda controlar el fenómeno del arco eléctrico reduciendo el riesgo para las personas que lo operan o inclusive daños al equipo.

En este capítulo hemos visto a grandes rasgos lo que es un arco eléctrico, el cómo se forma y el por qué la importancia de saber controlarlo para evitar que alcance dimensiones que pueden ser peligrosas.

Hemos visto que los interruptores de potencia juegan un papel importante en un sistema de potencia eléctrico (SEP), por lo que el fenómeno que producen al abrir sus contactos, llamado arco eléctrico, es motivo de investigación a nivel mundial. A continuación se describen algunos de los modelos utilizados actualmente para el estudio de este fenómeno.

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2.6 Modelos de Arco Eléctrico.

2.6.1 Modelo de A. M. Cassie. A. M. Cassie en 1930 presentó uno de los primeros intentos por modelar el arco eléctrico durante el proceso de interrupción de corriente. Consideró al arco eléctrico como un canal con densidad de corriente y temperatura constante, en presencia de un fuerte campo eléctrico y con un área transversal que varia directamente con la corriente. La pérdida de energía por convección (energía en forma de calor) es proporcional a la energía almacenada por unidad de volumen y la conductancia proporcional a la sección transversal [2].

Figura. 2-1Descripción grafica del modelo de Cassie. 17


En base a estas consideraciones se llevo a cabo la siguiente ecuación:

Donde: G =conductancia,

 =

constante de tiempo,  = tensión dinámica y

0=

voltaje del

arco en estado estable.

2.6.2 Modelo de Mayr.

En la década de los años cuarenta O. Mayr propuso que la transferencia de calor al medio se realiza en toda la periferia por conducción (transferencia de calor por contacto directo) y que la conductancia varía exponencialmente con la energía almacenada, permaneciendo la sección y el tamaño del arco constantes [2].

18


Figura. 2-2 Representación grafica del modelo de Mayr. Basándose en estas consideraciones, Mayr obtuvo la siguiente ecuación:

Donde: = conductancia,

= constante de tiempo,

Tensión y corriente del arco.

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0=

potencia refrigerante,

=


2.7 Comparación de los Modelos de Arco Eléctrico. En la tabla 2-1 se comparan las principales características de los modelos de Mayr y Cassie.

Tabla 2-1 Comparación del modelo de Cassie y Mayr. Característica

Mayr

Cassie

Densidad de corriente

Variable con la distancia al

Constante

centro del arco Temperatura

Variable y proporcional a

Constante

la densidad de corriente Sección transversal

Constante

Función de la corriente

Conductancia

Función de la energía

Proporcional a la sección

almacenada

transversal

Conducción

Convección

Pequeñas corrientes

Grandes corrientes

Transferencia de calor Expresión dinámica

Apto para representar

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Tabla 2-2 Forma de utilización de los modelos de arco eléctrico. Modelo de arco

Utilización

Mayr

Donde se tenga magnitud de corriente baja menor a 100 kA. (Transformadores en vacío y Líneas en vacío)

Cassie

Donde se tenga valores de corriente mayores a 100 kA. (fallas monofásicas y trifásicas)

Sin duda existen más modelos que con el paso del tiempo se han ido desarrollando gracias al conocimiento que se ha adquirido sobre este fenómeno; sin embargo, en la actualidad estos dos modelos son considerados básicos ya que los actuales son en la mayoría de los casos una variación de ellos. Es por esto que este trabajo se enfocara solamente a los modelo de arco eléctrico de Cassie y el de Mayr.

21


2.8 Parámetros Importantes en el Uso de los Modelos de Arco Eléctrico.

Existen dos parámetros importantes en el diseño de modelos de arco eléctrico los cuales son:



(constante de tiempo) y la amplitud de la tensión del arco eléctrico.

Estudios anteriores con oscilogramas reales han determinado estos parámetros utilizando dos métodos como son el Amsinck y el Asturiano para interruptores en SF6, de doble presión y auto compresión, los cuales arrojaron los siguientes resultados: [4]

Tabla 2-3Método Amsinck en el modelo de Mayr. Potencia en kW

[µs]

121.414

0.503001

102.514

0.636376

Tabla 2-4Método de Amsinck en el modelo de Cassie. Tensión en kV

[µs]

5.41427

0.513443

3.52278

0.680165

22


Tabla 2-5 Método Asturiano en el modelo de Mayr. Potencia en kW

[µs]

227.363

1.16638

250.942

1.02880

377.865

1.18315

237.762

1.06051

282.772

1.05900

229.054

1.44134

154.436

1.24594

Tabla 2-6 Método Asturiano en el método de Cassie. Tensión en kV

[µs]

2.76731

0.589640

3.01653

0.372715

3.82073

0.482354

3.87988

1.21427

3.45588

0.394829

4.91810

2.39217

3.13999

1.89147

De los valores anteriores se toma un promedio para así obtener solo dos valores para el caso de Mayr y dos para Cassie para la su utilización en este trabajo de tesis.

23


De esta manera obtenemos los siguientes resultados los cuales serán usados para la implementación de estos modelos en ATPDraw:

Tabla 2-7 Valores para la implementación de modelos en ATPDraw. Modelo

Amplitud

Cassie

4.01986 (kV)

0.822502

Mayr

181.71 (kW)

0.8694945

24

[µs]


CAPÍTULO 3. INTERRUPTORES DE POTENCIA. 3.1 Introducción. La necesidad de proteger al personal que labora en sistemas eléctricos de potencia así como a los equipos conduce a la necesidad de investigar sobre nuevos y mejores sistemas de desconexión que permitan un mejor manejo de la energía eléctrica.

De estas necesidades ha nacido el interruptor de potencia que en su inicio era un dispositivo muy rústico, sin embargo con el paso del tiempo se fue mejorando su diseño hasta llegar los equipos que conocemos en la actualidad en el sistema eléctrico de potencia mexicano.

Una definición común para este tipo de dispositivo es la siguiente “Dispositivo

mecánico de conmutación capaz de permitir la conducción o interrupción de corriente en un circuito bajo condiciones normales de carga o condiciones de falla como el corto circuito ” [5].

25


Hay muchas diferencias entre los tipos de interruptores, por ejemplo existen para baja tensión que se emplean para casas habitación (127 V), los utilizados en media tensión (hasta 23 kV), y los de alta tensión (hasta 400 kV).

La diferencia principal en los interruptores es la manera en que extinguen el arco eléctrico que se presenta cuando hay separación de sus contactos móviles de los fijos, por los cuales circula la corriente.

Existen interruptores que su cámara de extinción es en aire, por sus propiedades naturales dieléctricas es un excelente medio de extinción del arco eléctrico, pero también encontramos en el mercado interruptores de potencia que en su cámara de extinción utilizan gran volumen de aceite, pequeño volumen de aceite, aire comprimido, gas SF 6 o vacío.

En los últimos años de la década de los cincuenta nacen dos tecnologías, la de vacío y la de gas hexafluoruro de azufre, las cuales se colocaron muy por delante de las demás tecnologías utilizadas para extinguir el arco eléctrico.

Actualmente la tecnología más usada en México, es la del SF 6, según datos de la Comisión Federal de Electricidad; sin embargo, aun se mantienen en operación equipos de otras tecnologías [5].

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Debido a las diferentes tecnologías que se han utilizado para diseñar interruptores de potencia y a las investigaciones de nuevos y mejores mecanismos que ayuden a tener un dispositivo eléctrico que cumpla con las necesidades que va demandado el mercado. De los cuales los interruptores de potencia se clasifican según su medio de extinción, mecanismos de operación, aguante eléctrico y mecánico. A continuación se describen con más detalle las clasificaciones existentes.

3.2 Medio de Extinción para el Arco Eléctrico. Se han realizado un gran número de investigaciones encaminadas a desarrollar nuevos y mejores diseños de interruptores. El medio de extinción del arco es una parte importante dentro del diseño dependiendo el nivel tensión al cual estará operando el interruptor se define que material es el más indicado para el óptimo funcionamiento. Los medios de extinción son: a) Gran cantidad de aceite. b) Pequeño volumen de aceite. c) Aire comprimido. d) Vacío. e) Hexafluoruro de azufre.

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3.3 Mecanismos de Operación. El mecanismo de operación es aquel que realiza la operación de apertura y cierre de los contactos del interruptor sin tener una dependencia directa de las fuentes de alimentación. Los mecanismos de operación son: a) Mecanismo de operación neumático. b) Mecanismo de operación hidráulico. c) Mecanismo de operación resorte. d) Mecanismo de operación combinado.

El número de mecanismos que se utilizan en los interruptores de potencia son dos: monopolar y tripolar. El tipo monopolar es básicamente cuando sólo se abre una sola fase del sistema eléctrico por lo que se utilizan interruptores independientes para cada fase lo contrario a lo que pasa cuando son tripolares, ya que independientemente de en qué fase se detecte la falla, el interruptor tripolar habré las tres fases.

Las compañías eléctricas especifican el tipo de mecanismo que se ha de utilizar en el sistema eléctrico de potencia, dependiendo de la tensión que se maneje [6]: a) Tripolar para tensiones hasta 170 kV. b) Monopolar o tripolar para tensiones de 245 kV. c) Monopolar para tensiones de 420 kV.

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3.4 Aguante Eléctrico y Mecánico. Estas clasificaciones se encuentran normalizadas en la IEC 62271-100 [7].

1) Por su aguante mecánico

a) Clase M1 aguante mecánico normal (2000 operaciones secuenciales). b) Clase

M2

aguante

mecánico

extendido

(10000

operaciones

secuenciales).

2) Por su aguante eléctrico a) Clase E1 interruptores fuera de la clase E2. b) Clase E2 aguante eléctrico extendido (no requiere mantenimiento en partes de interrupción durante la vida de operación, tensión hasta 52 kV).

3) Por su probabilidad de re-encendido al interrumpir corrientes capacitivas

a) Clase C1. Baja probabilidad de re-encendido. b) Clase C2. Muy baja probabilidad de re-encendido.

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3.5 Interruptores que Utilizan la Tecnología del Gas SF 6. En el año de 1900 fue creado el hexafluoruro de azufre (SF 6) por Henry Moissan, este gas fue objeto de muchas investigaciones, sin embargo no fue sino hasta 1947 que este producto comenzó a salir al mercado. Debido a los estudios realizados posteriormente se pudo obtener más información sobre sus propiedades fisicoquímicas. Una de sus propiedades interesantes es la de tener una rigidez dieléctrica más grande que la del aire. Esto sirvió para iniciar una serie de investigaciones para que este gas fuese utilizado en el sector eléctrico.

El SF6 es un gas estable hasta la temperatura de 150 grados centígrados, por lo que mientras no rebase esta temperatura no reacciona con otros elementos como plásticos o metales. Sin embargo una vez que alcanza temperaturas superiores comienza a degradarse.

El SF6 utilizado en la industria eléctrica tiene muchas ventajas sobre otros gases aislantes, de las cuales se pueden mencionar las siguientes:

a) Reduce las distancias eléctricas. b) Protege el equipo del deterioro climático. c) El equipo que utiliza esta tecnología ocupa menos espacio. d) Se descompone en subproductos, que siguen siendo buenos aislantes, cuando reacciona en presencia de un arco eléctrico.

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El uso del hexafluoruro de azufre en el sector eléctrico ha traído una serie de ventajas que hacen que este medio vaya ganando terreno en este sector. Sin embargo también existen algunas desventajas en el uso de esta tecnología de las cuales se pueden mencionar las siguientes [5]:

a) Es causa muy importante del efecto invernadero, ya que este gas al ser liberado a la atmósfera permanece en ella alrededor de unos 700 a 3000 años.

b) En muy altas concentraciones el SF6 es mortal para los seres vivos que lo inhalen.

c) Se descompone en subproductos peligrosos cuando reacciona en presencia de un arco eléctrico.

3.5.1 Descomposición del Gas SF 6. Una vez que se ha efectuado una operación en el interruptor de potencia, el gas SF6 pierde algunas propiedades que originalmente tenia, esto ocurre durante un arco eléctrico que reacciona con los componentes del gas.

31


Figura. 3-1Descomposición del gas SF6. [8] Como observamos en la Figura 3-1, el SF 6 reacciona con la presencia del arco eléctrico, formando gases tóxicos, sin embargo al encontrase en presencia de agua por humedad se sigue descomponiendo hasta que finalmente se tiene un gas venenoso que por inhalación puede causar la muerte a los seres vivos.

3.5.2 Características Físicas y Eléctricas del Hexafluoruro de Azufre.

El hexafluoruro de azufre es un gas pesado, incoloro y no tóxico, tiene una rigidez dieléctrica de 2.5 hasta 3 veces más que la que tiene el aire. Es un gas inerte con varias propiedades dieléctricas importantes, si bien el gas SF 6 es un buen aislante 32


eléctrico, también su baja temperatura de ionización lo hacen tener buena respuesta a la interrupción del arco eléctrico reduciendo considerablemente el tiempo de extinción comparado con el aire.

3.5.3 Contaminación del Gas SF 6. Existen contaminantes que se generan en el equipo de interrupción los cuales provienen del propio manejo del gas SF 6, la liberación de humedad y la descomposición cuando existe presencia del arco eléctrico.

Cuando se realizan maniobras para llenar o vaciar equipos que utilicen esta tecnología, es probable que se contamine con el aire que queda atrapado en tuberías, válvulas o simplemente por errores que se presentan durante el manejo. Para evitar este tipo de contaminación se requiere de procedimientos adecuados para el manejo del gas, especialmente en el vaciado o llenado de tanques.

Es evidente que se tienen que tomar medidas preventivas para evitar que se contamine este gas, pues su mal uso puede ocasionar daños en la atmósfera, o en el peor de los casos, pérdidas humanas.

3.5.4 Normas que Rigen al SF 6. Existen varias normas que rigen el uso del gas hexafluoruro de azufre, entre las cuales están las emitidas por la American National Standard Institute (ANSI), la 33


International Electrotechnical Commissión (IEC), y la American Society for Testing and Materials (ATSM). La cuales tiene por objetivo definir las aplicaciones en las cuales el SF 6 puede ser utilizado y las condiciones que deben existir para ello.

Específicamente algunas normas son:

a) IEC 60376 la cual define los requisitos de calidad y las propiedades de calidad técnica para el hexafluoruro de azufre (SF 6) para su uso en equipos eléctricos [9]. b) IEC 60480 esta norma internacional se refiere a la reutilización de hexafluoruro de azufre (SF6) después de su extracción de los equipos eléctricos (mantenimiento, o al final de la vida útil) [10]. c) ASTMD2472-00(2006) esta norma cubre requisitos para el hexafluoruro de azufre destinado a ser utilizado como aislante eléctrico [11].

3.5.5 Primer Interruptor con Gas SF 6. El primer interruptor con gas SF 6 fue comercializado por Westinghouse en 1959 y fue diseñado solo para alta tensión [12]. Inicialmente se tomó lo que ya existía, es decir, un interruptor de soplo en aire al cual se le agregó una trayectoria cerrada al gas. Esta trayectoria consistía en pasar, en alta presión, el gas por donde se presentaba el arco eléctrico y después a través de una tobera a un recipiente de baja presión para evitar que este gas pueda ser liberado a la atmósfera, así el gas era reciclado a través de filtros, posteriormente comprimido y finalmente almacenado para futuras operaciones. 34


El funcionamiento mecánico fue el mismo que el utilizado en los interruptores en aceite y solo se realizaron algunas adaptaciones, esto fue debido a que la industria eléctrica estaba acostumbrada a la tecnología en aceite ya que por muchos años fue la tecnología más utilizada y confiable, por tanto al introducir interruptores con gas SF6 facilitó su aceptación.

A estos primeros interruptores se les llamó de dos soplos por la manera en que funcionaban, de los cuales había dos versiones los de un solo tanque y los de tres tanques, esto dependía básicamente en el nivel de tensión que se estuviese manejando, y se fabricaban en tanque muerto. La ventaja de utilizar este interruptor es el uso de mecanismos de operación de baja energía.

3.6 Primera Generación de Interruptores en SF 6.

3.6.1 Interruptores de un Soplo una Presión.

A este tipo de interruptores se le conoce como la primera generación ya que pertenecen a la familia de auto soplado, la principal operación dentro del interruptor era la compresión que generaba al momento de la apertura, esta presión a su vez era aprovechada para operación del gas SF 6, así que no era necesario el uso de compresoras para este tipo de interruptor.

35


Figura. 3-2 Interruptor en SF 6 de un soplo una presión, 1.- Bridas, 2.Contacto fijo, 3.- tobera fija, 4.- tubo porta-contacto móvil, 5.- Embolo, 6.Cilindro, 7.- Contactos móviles, 8.- Barra de maniobra [13].

3.6.2 Interruptores de Soplo.

Este tipo de interruptores tiene una característica muy particular ya que en la cámara de extinción se encuentra un ensamble de combinación llamado pistóncilindro que vienen a ser parte de los contactos móviles. Al usar este tipo de interruptores en fallas trifásicas se tenía el problema de que el tiempo de apertura era muy largo ya que al elevarse la temperatura afectaba en gran manera tanto al pistón como al cilindro por el aumento en el diámetro, provocando que la salida del gas se detuviera, así ocurría el fenómeno de estrangulación de la corriente que es cuando el diámetro del arco es más grande 36


que el diámetro de la tobera. Sin embargo, cuando se trataba de corrientes pequeñas el diámetro es pequeño y por lo tanto no bloqueaba la salida del gas.

3.6.3 Interruptores de Auto Soplado Este tipo de interruptor aprovecha el aumento de la temperatura al momento de la apertura, ya que calienta el gas y provoca que aumente su presión, de esta forma el gas es liberado a lo largo del arco.

Figura. 3-3 Interruptor de de auto soplado en SF 6 [14].

3.7 Segunda Generación de Interruptores en SF 6. Cuando los fabricantes de interruptores con tecnología en gas SF 6 se concentraron en crear interruptores con una mayor capacidad interruptiva, mejorar la compresión de las diferentes técnicas de interrupción, incrementar la vida útil de los contactos de arqueo y reducir la tasa de degradación de las toberas, nació lo que se conoce como la segunda generación de interruptores en gas SF 6. 37


Según las especificaciones de los fabricantes, los interruptores de segunda generación son libres de mantenimiento, ya que argumentaban que los contactos de arqueo y toberas estaban diseñados para tener una vida útil mayor, ya que sus componentes principales eran de una aleación de cobre-tungsteno. Por otro lado se sabe que la tobera es la pieza más importante de los interruptores de soplo ya que el tamaño, la forma y el tipo de material con que son construidas definen la característica de extinción del interruptor. Estos interruptores tenían la característica de que su capacidad interruptiva oscilaba entre los 50 kA para tensiones de 420 kV y 63 kA para tensiones de 550 kV. La característica principal de esta generación de interruptores es que los fabricantes utilizaron tres tipos de materiales para rellenar las toberas, esto fue para que a 20 aperturas del interruptor a capacidad plena, el cambio en el diámetro de la tobera fuese mínimo. Para lograr esto se utilizaron materiales como el nitruro de boro, molibdeno y oxido de aluminio. También se llegó a utilizar el teflón relleno que aunque más caro que el teflón puro, presentaba una mejora notable en la interrupción de corrientes altas.

3.8 Tercera Generación de Interruptores en SF 6. En los interruptores de potencia se debe de utilizar un mecanismo que se encargue de mover un cilindro, el cual a su vez comprime al gas SF 6, este efecto produce un aumento de la presión en la tobera debido a la compresión y al calentamiento del gas cuando se presenta el arco eléctrico. Esto representa un gran esfuerzo mecánico en los amortiguadores, estructuras y bases de los 38


interruptores, lo cual hace que su uso sea poco confiable y su costo sea elevado. Los fabricantes de este tipo de interruptores se han dado a la tarea de innovar sus diseños para evitar este problema que ah afectado en las dos últimas décadas y que en su mayoría producen fallas de carácter mecánico. De la búsqueda de soluciones a lo que hoy conocemos como la tercera generación de interruptores con tecnología SF6. En esencia son los mismos interruptores de la segunda generación pero lo que los hace diferentes son las mejoras al diseño lo cual hace que sea más económico que las dos generaciones anteriores. En resumen, lo que se ha logrado hasta el día de hoy es:

a) Reducción en la energía requerida gracias a la optimización de la cámara interruptiva. b) Reducción de energía mecánica utilizada, ya que se utiliza la energía que produce el arco para calentar el gas SF 6, así se produce una presión suficiente para extinguirlo. c) Interrupción suave lo cual produce sobre tensiones bajas cuando se habla de pequeñas corrientes tanto inductivas como capacitabas. d) Vida útil de al menos 10000 operaciones. e) Más confiabilidad y menor costo.

39


Es por eso que la constante innovación en este tipo de instrumentos es muy importante ya que cualquier mejora que se realice será de gran importancia para un mejor funcionamiento cuando se presenten fallas en el sistema eléctrico de potencia.

3.9 Re-cierre Automático. El fenómeno del arco eléctrico en un interruptor de potencia es consecuencia de la detección de una falla, los relevadores de protección mandan la señal para que los interruptores de potencia inicien el proceso de apertura e interrupción de la energía eléctrica. Una vez que se interrumpe el flujo de energía y que el nivel de corriente se mantiene en cero durante un periodo de tiempo de 200 a 500 ms, se puede decir que la falla ha sido liberada exitosamente. Después de esto el interruptor de potencia cierra nuevamente sus contactos para permitir que el flujo de energía continúe y pueda seguir satisfaciendo la demanda de este recurso sin que el usuario final sufra mayores consecuencias. Sin embargo, cuando la falla persiste en el sistema o cuando exista energía atrapada al momento de la apertura, y se presenta un re-cierre del interruptor, se presenta el fenómeno conocido como re-encendido del arco eléctrico.

40


3.10 Re-cierre del Interruptor. El re-cierre de un interruptor es controlado por un relevador, en el cual se ajusta el tiempo de la interrupción de la energía, esta interrupción o pausa tiene por objetivo de-ionizar el medio extintor que se encuentra en el interruptor de potencia, ya que al presentarse el arco eléctrico, el medio se ioniza por lo que su propiedad dieléctrica se encuentra muy por debajo de los niveles normales. Por ello el tiempo de pausa no debe ser muy corto para dar oportunidad a que el medio extintor recupere sus propiedades dieléctricas.

Cuando se presenta la falla en una sola fase, el despeje puede ser monofásico por lo que el despeje de una fase no afecta el funcionamiento de las otras dos, este método permite liberar en alrededor de un 85% las fallas que se presentan en un sistema con un neutro conectado a tierra.

Es interesante saber que cuando existe un re-cierre en los interruptores de potencia, se puede llegar a tener carga atrapada, esto trae como consecuencia que al momento de cerrar nuevamente el circuito, esa carga atrapada produzca un transitorio más grande que el que se produjo en la primera operación del interruptor.

41


3.11 Tiempos de Operación. Los tiempos de operación de un interruptor, son los intervalos de tiempo que se deben de tomar en cuenta para realizar una nueva operación del interruptor, estos son:

Tiempo de apertura: es el intervalo entre que se excita el circuito de disparo (bobina) en el interruptor que se encuentra operando (posición cerrado) y el instante en que se separan los contactos móviles de los fijos.

Tiempo de cierre: intervalo en el cual se excita la bobina de cierre en el interruptor que se encuentra en posición abierta y el momento en que los contactos móviles hacen contacto con los fijos.

Tiempo de corte nominal: es el intervalo entre la excitación de la bobina de disparo y cuando el arco eléctrico es extinguido en los polos.

Tiempo muerto: este intervalo se produce durante un re-cierre cuando la extinción final del arco eléctrico en operación de apertura y el primer restablecimiento de la corriente en alguno de los polos en la operación de recierre.

42


Tiempo de re-cierre: es el intervalo entre la excitación de la bobina de disparo y el instante en que los contactos se tocan en todos los polos, es decir:

T re-cierre = T apertura + T arco + T muerto +T pré-arco Tiempo de cierre-apertura: se le llama así al intervalo entre el instante de contacto en el primer polo durante la operación de cierre y el instante cuando los contactos se han separado en todos los polos cuando se suscita la operación de apertura. Cuando se presenta este tiempo la bobina de disparo debe ser excitada al mismo tiempo cuando los contactos se tocan durante el cierre.

Tiempo de apertura cierre: durante un re cierre es el intervalo de tiempo que hay entre que los contactos que se separan en todos los polos y cuando los contactos se tocan en el primer polo de la siguiente operación, es decir:

T apertura-cierre = T arco + T muerto + T pre-arco Tiempo de realización-corte: conocido como make-brake es el intervalo de tiempo entre el comienzo de la circulación de la corriente en el primer polo durante una operación de cierre y el fin del tiempo del arco durante la siguiente operación de cierre.

43


3.12 Efectos Causados por la Interrupción de Corriente. La operación principal de un interruptor de potencia es la de interrumpir el flujo de la corriente eléctrica ya sea para mantenimiento y seguridad de las cuadrillas que laboran en este sector o en el caso de una falla para evitar un daño a los componentes del SEP. Los efectos más comunes que se presentan en el momento de la interrupción de la corriente eléctrica son sin duda los llamados transitorios, esto es debido a que se cambian súbitamente las condiciones normales de operación del SEP.

3.13 Transitorios. Los transitorios son provocados por un cambio súbito en las condiciones normales en la que se encuentra operando el sistema eléctrico, tales como: maniobras, fallas, descargas atmosféricas y variaciones súbitas en la demanda de energía.

Estos transitorios se pueden clasificar de la siguiente manera:

Tabla 3-1Clasificación de transitorios electromagnéticos. Externo

Interno

Rayo

Maniobras, fallas o variación súbita en la demanda de energía.

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3.13.1 Transitorios Electromagnéticos y Electromecánicos. Los transitorios electromagnéticos se presentan debido a un cambio en las condiciones de operación del sistema, que puede ser provocado por maniobras, fallas, descargas atmosféricas o variaciones en la demanda de energía eléctrica. Bajo este tipo de condiciones se presentan efectos que pueden dañar al equipo conectado en el sistema, ya que debido a las sobrecorrientes y sobretensiones, se genera una excesiva disipación de calor, así como un esfuerzo excesivo del medio aislante y en caso extremo ruptura dieléctrica. Por otra parte los transitorios electromecánicos son la interacción de la energía mecánica almacenada en maquinas rotatorias y la energía eléctrica almacenada en los circuitos.

Los transitorios electromagnéticos debido a la interacción de la energía magnética y eléctrica almacenada en los inductores y capacitores, se agrupan en la categoría de puramente eléctricos [15].

45


CAPÍTULO 4. IMPLEMENTACIÓN Y SIMULACIÓN DE MODELOS DE ARCO ELÉCTRICO EN ATPDRAW. 4.1 Introducción. Trabajos de tesis anteriores han implementado modelos de arco eléctrico a los modelos de interruptores de potencia en ATPDraw, sin embargo nuevos avances o modificaciones a las versiones actuales de este paquete computacional, hace necesario el realizar actualizaciones o añadir nuevas herramientas con las que no se cuenta y que pueden ser de gran importancia para el estudio de transitorios en sistemas eléctricos de potencia. En este capítulo se describe la implementación de los modelos de arco eléctrico propuestos por Cassie y Mayr a los interruptores de potencia en SF 6 utilizando para ello el programa ATPDraw. Se actualizarán los parámetros determinados en trabajos anteriores, tomando como base investigaciones y pruebas en laboratorio; se

realizaron

mejoras

a

los

modelos

anteriormente

desarrollados

al

complementarlos con la función que permita realizar re-cierres y analizar el efecto transitorio en este punto. Se simulan diferentes casos en los cuales se utilizan los modelos de interruptor implementados. 46


4.2 Implementación del Modelo de Arco Eléctrico Propuesto por Cassie. En trabajos de tesis anteriores [2], se le ha dado solución a la ecuación de Cassie:

considerando que al momento de la interrupción la conductancia del arco tendrá un valor inicial de cero y posteriormente ira variando de forma casi exponencial con respecto al tiempo [1], El modelo de Cassie se puede aplicar a corrientes del orden de 0 a 100 kA, por lo que la ecuación se escribió en función de la corriente del arco eléctrico:

Donde =conductancia, = corriente del arco en valores instantáneos y = voltaje del arco en valores instantáneos. Por lo que se obtuvo la siguiente ecuación:

Posteriormente se llevo al dominio de Laplace y se resolvió para la conductancia, obteniéndose lo siguiente:

La resistencia del arco de acuerdo con la ecuación anterior se represento en bloques para posteriormente diseñarlo en TACS.

47


G

I

G

R

Figura. 4-1Diagrama en bloques que describe el funcionamiento del modelo de arco eléctrico propuesto por Cassie [2].

Como se observa en la Figura 4-1, cada bloque realiza cada una de las funciones que requiere la ecuación para su solución, de esta forma es como se trabaja en TACS, utilizando el lenguaje Fortran (ver anexo).

Figura. 4-2 Modelo de Cassie utilizando la herramienta de TACS en ATPDraw.

48


Posteriormente ya teniendo el modelo en TACS con la información en los bloques, ATPDraw nos da la opción de poder crear un icono en el cual en su interior contendrá todos los elementos anteriormente desarrollados (ver anexo), con el objetivo de poder clasificar que tipo de elemento es el que se creó ya sea un instrumento de medición, fuentes de tensión o corriente, interruptores, etc. Además de que una vez creado el icono se puede personalizar (ver anexo).

Figura. 4-3 Icono representando un interruptor con tecnología SF6 utilizando el modelo de arco eléctrico de Cassie.

49


Seleccionando el icono con el botón derecho del ratón, se pueden observar las opciones para ingresar los datos, Figura 4-4, necesarias para la operación del interruptor, tal es el caso de el tiempo de cierre (T-cl), tiempo de operación o apertura (T- op) Corriente máxima (Imar), Constante de tiempo del arco de Cassie (tau-CASSIE) y constante de pérdida de voltaje del arco eléctrico. (E-CASSIE).

Figura. 4-4Ventana para introducir datos requeridos por el interruptor.

50


Seleccionando la pestaña de “Characteristic”, ver Figura. 4-5, se observan casillas en ceros en estos espacios se definen los tiempos de re-cierre. Con la función add se pueden realizar hasta 28 re-cierres en el interruptor.

Figura. 4-5 Ventana para simular cierres, aperturas y re-cierres en el interruptor.

51


4.3 Implementación del Modelo de Arco Eléctrico Propuesto por Mayr. De la misma manera en que se desarrollo la ecuación de Cassie para poder programar los TACS, también se hizo para la ecuación de Mayr:

partiendo de esta ecuación se reescribió en función de la corriente del arco eléctrico obteniendo:

Posteriormente se llevo al dominio de la place, obteniendo:

Donde: = Conductancia, = Corriente,

= Potencia, =tiempo.

A partir de esta ecuación se realizo el diagrama en bloques el cual indica la forma en que se debe realizar para el diseño en TACS.

R

I

Figura 4-6 Diagrama en bloques del modelo de arco eléctrico propuesto por Mayr [1]. 52


Como en el modelo anterior se utiliza la versión más reciente de ATPDraw para llevar a cabo la implementación del modelo ayudado de la herramienta TACS. Se observan elementos como resistencias, fuentes de tensión, medidores de TACS, etc. estos pueden verse a detalle en el anexo.

Figura. 4-7Modelo de Mayr utilizando la herramienta de TACS en ATPDraw.

Una vez obtenido el modelo en TACS, se procede a agrupar todo el conjunto quedando de la manera que se muestra en la Figura 4-8 (ver anexo).

53


Figura. 4-8 Icono representando un interruptor con tecnología SF6 utilizando el modelo de arco eléctrico de Mayr.

54


Cuando se abre el menú con el botón derecho del mouse, Figura 4-9, se pueden ingresar datos como el tiempo de cierre (T-cl) tiempo de operación o apertura (Top) Corriente máxima (Imar) Constante de tiempo del arco (tau- MAYR) y constante de pérdida de potencia (P-MAYR).

Figura. 4-9 Ventana para introducir datos requeridos por el interruptor.

55


4.4 Modelo de Cassie-Mayr. En trabajos de tesis anteriores se realizo una combinación del modelo de arco eléctrico de Cassie y de Mayr [2]. Esto es con el propósito de facilitar al usuario el manejo del interruptor ya que como se menciono en capítulo 2, es necesario utilizar el modelo de Cassie cuando se tengan corrientes de mayores a 100 kA o mayores y el modelo de Mayr cuando se registre un valor de corriente menor a los 100 kA; por ello se realizo la conexión en serie de las resistencias de cada modelo de arco eléctrico, de esta manera:

Donde

=conductancia,

= conductancia de Cassie y

=conductancia de

Mayr. Posteriormente se realizo el diagrama en bloques para esta aplicación las ecuaciones de Cassie y Mayr unidas en un sólo modelo para su ejecución en conjunto.

V

VM

VC

Modelo Mayr

Modelo Cassie

Figura. 4-10 Diagrama en bloques de la fusión de los modelos de arco eléctrico de Cassie y Mayr [2].

56

I


De la misma manera en que se han implementado los modelos anteriores del interruptor de potencia, se realizará el proceso para implementar los dos modelos en un solo interruptor. Simplemente se unen ambos modelos en ATP por un sumador.

Figura. 4-11 Modelo de Cassie-Mayr utilizando la herramienta de TACS en ATPDraw.

57


Posteriormente se desarrolla el icono, correspondiente para este interruptor para facilitar el manejo del mismo.

Figura. 4-12 Icono representando un interruptor con tecnología SF6 utilizando el modelo de arco eléctrico de Cassie-Mayr.

58


Una vez obtenido el interruptor, se podrá ingresar al menú de opciones seleccionando con el botón derecho del ratón sobre la figura para editar los valores de entrada en el interruptor, así como los tiempos de operación.

Figura. 4-13Ventana para introducir datos requeridos por el interruptor.

4.5 Línea de Transmisión San Jerónimo-Ortiz. Una vez que se cuenta con el interruptor de potencia con los modelos de arco eléctrico en su interior se debe probar su funcionalidad, en este caso se utilizara un tramo de línea con nivel de tensión de 400 kV que pertenece al sistema eléctrico mexicano, ubicada en San Jerónimo-Ortiz en Torreón, el número de 59


circuitos son 2, sin embargo actualmente se encuentra operando sólo uno a 230 kV, los conductores por fase son dos de 1113 MCM, la disposición de los conductores es vertical. La longitud de la línea son 217.4 km [16].

Figura. 4-14Ubicación geográfica de la línea de transmisión Jerónimo Ortiz [16]. [16].

Una vez obtenidos los datos reales del tramo de la línea de transmisión, se realizó la programación en ATPDraw, esto con el objeto de simular maniobras de interruptores de potencia y analizar los resultados. Se optó por llevar a cabo este tipo de pruebas ya que no se han realizado con anterioridad en líneas de transmisión con datos reales. 60


Figura. 4-15 Diseño en ATPDraw del tramo de línea de transmisión San Jerónimo-Ortiz. La figura 4-15 nos muestra el modelo de línea diseñado en ATPDraw, consiste en dos fuentes de generación a 400 kV, cuatro interruptores de potencia y dos circuitos, tenemos neutro a tierra. tierra. Se encuentra un interruptor interruptor directo a tierra en la fase A sobre la línea, este nos servirá para poder provocar fallas en la línea.

61


4.6 Simulación de los Interruptores de Potencia para Diferentes Condiciones de Operación. Teniendo el diseño de la línea de transmisión con tensión de 400 kV se simularon cuatro casos de prueba de apertura en los interruptores: 1) Apertura del interruptor de potencia. 2) Apertura de interruptor de potencia en condición de falla monofásica a tierra. 3) Apertura de interruptor de potencia en condición de falla monofásica a tierra y re-cierre. 4) Apertura de interruptor de potencia en condición falla monofásica a tierra permanente, re-cierre y re-apertura. Se simulo cada condición utilizando los siguientes modelos de interruptores: a) Interruptor ideal (proporcionado por el programa ATPDraw). b) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie. c) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Mayr. d) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie-Mayr.

4.6.1 Apertura del Interruptor de Potencia (ideal, Cassie, Mayr, Cassie-Mayr). a) Interruptor ideal (proporcionado por el programa ATPDraw). ATPDraw). El interruptor ideal es aquel que ya está incluido como herramienta para el diseño de circuitos eléctricos en el programa ATPDraw. En la figura 4-16 se muestra parte del circuito y el interruptor ideal ya implementado. 62


Figura. 4-16 Modelo de línea utilizando interruptor ideal.

Los tiempos de simulación considerados son: Ts (tiempo de simulación) = 0.1 s, T-cl (tiempo de cierre)= -1 s T-op (tiempo de operación)= 0.05 s

63


Figura. 4-17 Corriente en el interruptor ideal. En la figura 4-17 se puede observar que la corriente se mantiene sin cambio alguno a pesar de que el interruptor ya opero a los 0.05 s, sin embargo como la apertura no coincidió con el cruce por cero, el programa busca el siguiente cruce para abrir el circuito.

64


Figura. 4-18 Tensión en el interruptor ideal. Como se puede observar en la Figura 4-18, al inicio de la simulación el interruptor se encuentra cerrado por lo cual la diferencia de potencial entre sus terminales es cero, sin embargo a los 0.05 s momento en cual comienza la operación de apertura no existe cambio alguno, hasta los 0.058 s se presenta una diferencia de potencial en terminales con valor máximo de 29 kV, el cual conforme avanza el tiempo de simulación, disminuye.

65


b) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie. En este caso la simulación se realizó utilizando el modelo de arco eléctrico de Cassie para observar su comportamiento en un modelo de línea real, la Figura 419 muestra el circuito utilizado este interruptor con tecnología SF 6.

Figura. 4-19 Modelo de línea utilizando interruptor en SF6 con modelo de Cassie.

66


Utilizando los mismos parámetros de simulación que en el interruptor ideal, se llevó a cabo ahora con el modelo de interruptor en SF 6 y utilizando el modelo de arco eléctrico propuesto por Cassie, los resultados se muestran en la Figura 4-20.

Figura. 4-20 Corriente en el interruptor modelo de Cassie.

En la figura 4-20 se observa que el interruptor opera a los 0.05s y es casi de manera instantánea la interrupción total de la corriente, solo se registra 15 A en terminales del interruptor durante la apertura y un tiempo de extinción de 0.001s.

67


Figura. 4-21Tensión en el interruptor modelo de Cassie.

En este caso la tensión al inicio de la simulación se encuentra con valor de cero, durante el tiempo de operación de apertura la tensión alcanza un valor máximo de 36.45 kV, a partir de ahí comienza a descender el valor.

68


c) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Mayr. Utilizando el modelo de arco eléctrico de Mayr, se realizó la simulación para observar el comportamiento de este interruptor, el circuito utilizado se muestra en la Figura 4-22, ya incluido el modelo de interruptor con modelo de arco eléctrico de Mayr y tecnología SF 6.

Figura. 4-22 Modelo de línea utilizando interruptor en SF6 con modelo de Mayr. De la misma manera que en las simulaciones anteriores se utilizan los mismos parámetros para que al final se pueda hacer la comparación de los resultados obtenidos.

69


Figura. 4-23 Corriente en el interruptor modelo de Mayr.

De igual manera que en modelo de Cassie, el modelo de Mayr al momento de la apertura en 0.05s extingue de manera casi instantánea la corriente que circula entre sus terminales, en un tiempo de 0.001s, obteniendo un valor de corriente de 14 A.

70


Figura. 4-24Tensión en el interruptor modelo de Mayr. La tensión en un inicio tiene valor cero, sin embargo en el momento de la apertura se alcanza un valor de tensión de 36.70 kV, posteriormente este valor de tensión disminuye gradualmente.

71


d) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie-Mayr. Este modelo de interruptor tiene por finalidad simplificar la tarea del programador al dar la opción de tener en un solo interruptor los modelos de Cassie y Mayr sin tener que cambiar el uno por el otro dependiendo del nivel de corriente que se maneje, sin embargo resulta interesante saber si funciona de manera adecuada o no. De esta manera se realiza la simulación para observar su funcionalidad. El circuito para la simulación se muestra en la Figura 4-25 con el interruptor modelo combinado.

.

Figura. 4-25 Modelo de línea utilizando interruptor en SF6 con modelo de Cassie-Mayr.

72


Figura. 4-26 Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr.

Utilizando el modelo combinado, se observa en la figura 4-26 que al momento de la apertura a los 0.05s, la corriente es llevada a un valor de cero casi de manera instantánea, se registra un valor de corriente durante la apertura de contactos del interruptor igual a 14 A. El tiempo de extinción del arco es de 0.001s

73


Figura. 4-27Tensión en el interruptor modelo de Cassie-Mayr.

Como se observa en la figura 4-27 la tensión en un inicio tiene valor de cero, sin embargo al momento de la apertura registra un valor de tensión de 35.52 kV. Posteriormente la tensión comienza a disminuir gradualmente.

74


Análisis de los resultados obtenidos de la apertura de interruptores. Terminadas las simulaciones con cada uno de los modelos de interruptores con los que se cuenta, se procede a realizar la comparación de los resultados tanto de tensión, corriente y tiempo de extinción en Tabla 4-1.

Tabla 4-1Resultados de la apertura de interruptores. Tensión V inicial (kV) Interruptor

Corriente

V apertura

I inicial (A)

(kV)

Tiempo

I apertura

t extinción

(A)

(s)

Ideal

0

29

123.29

123.29

0.01

Cassie

0

36.45

123.29

15

0.001

Mayr

0

36.70

123.29

14

0.001

Cassie-Mayr

0

35.52

123.29

14

0.001

Con los resultados obtenidos, se puede observar que la tensión inicial en cualquier interruptor es cero debido a que no hay diferencia de potencial en los contactos, La tensión que se registra en el momento de la apertura es de alrededor de 36 kV pero no es así para el interruptor ideal que registra una tensión de 29 kV. Con respecto a la corriente de apertura en el interruptor ideal observamos un dato interesante, la corriente no sufre ninguna variación aunque el interruptor ya haya operado, sino hasta que la corriente cruza por cero, momento en el cual se extingue la corriente de manera total.

75


4.6.2 Apertura del Interruptor de Potencia (ideal, Cassie, Mayr y Cassie-Mayr) en Condición de Falla Monofásica a Tierra a) Interruptor ideal (proporcionado por el programa ATPDraw). En este caso se realizara una falla monofásica en un tramo de línea de transmisión San Jerónimo-Ortiz, esta falla se genera a los 0.03 s, por lo que el interruptor opera en 0.05 s.

Figura. 4-28Corriente en el interruptor ideal en falla monofásica a tierra. En la figura 4-28 se observa la corriente que se registra al momento de la falla obteniendo un valor pico de 3480 A, el interruptor opera en 0.05s por lo que la corriente durante la apertura tiene un valor de 2830 A, de esta manera el interruptor tarda un tiempo estimado de 0.01s en extinguir la corriente. 76


Figura. 4-29 Tensión en el interruptor ideal en falla monofásica a tierra. La tensión al inicio de la simulación no presenta el más mínimo cambio sino hasta 0.059s cuando presenta una tensión de 418 kV, esto a pesar de que el interruptor opero a los 0.05s. Posteriormente la tensión disminuye de forma gradual.

77


b) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie. Utilizando ahora un interruptor con gas SF 6 en su cámara de extinción y haciendo uso del modelo de arco eléctrico, se realizó la misma simulación que cuando se uso el interruptor ideal para observar su comportamiento bajo esta condición. En la Figura 4.30, se muestran los resultados de la corriente en el interruptor.

Figura. 4-30 Corriente en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra. En la figura 4-30 se observa que a los 0.03s momento en el que se presenta la falla, la corriente tiene un valor máximo de 3473 A, a los 0.05s el interruptor opera, por lo que la corriente de apertura es de 1200 A, de esta manera observamos que el tiempo que tarda el interruptor en extinguir la corriente es de manera instantánea, de alrededor de 0.001s. 78


Figura. 4-31Corriente en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra.

En la figura 4-31 se observa que al momento de la apertura, el interruptor registra un valor máximo de tensión de 957 kV, posterior a este punto la tensión comienza a disminuir su valor de forma gradual.

c) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Mayr. En este caso se utilizó el interruptor de potencia con SF 6 pero ahora utilizando el modelo de arco eléctrico propuesto por Mayr para poder realizar una comparación con los anteriores y observar su comportamiento en sistemas eléctricos de potencia.

79


Figura. 4-32 Corriente en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra.

En la figura 4-32 se muestra el comportamiento de la corriente, durante la falla, la corriente alcanza un valor de 3472 A como máximo, sin embargo el interruptor opera a los 0.05s momento en el cual la corriente obtiene un valor de 1200 A, el interruptor tarda un tiempo estimado en extinguir la corriente de 0.001s.

80


Figura. 4-33 Tensión en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra. En la figura 4-33 se observa la tensión que se presenta durante el proceso de apertura del interruptor, esta tensión alcanza un valor máximo de 963 kV, posterior a este punto, la tensión disminuye de forma gradual.

81


d) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie-Mayr. Utilizando el mismo parámetro para la falla monofásica, y con el modelo que suma el modelo de arco eléctrico de Cassie y el Mayr, se obtienen los resultados de tensión en el interruptor que se muestran en la Figura 4-34.

Figura. 4-34Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a tierra. En la figura 4-34 se observa que la corriente durante la falla registra un valor máximo de 1246 A, sin embargo cuando el interruptor opera a los 0.05s, la corriente máxima es de 310 A, de esta manera el tiempo que tarda el interruptor en extinguir la corriente es de 0.001s.

82


Figura. 4-35 Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a tierra.

En la figura 4-35 se observa que al momento de la apertura de los contactos del interruptor, la tensión alcanza un valor máximo de 246 kV, posterior a este punto, la tensión disminuye gradualmente.

83


Análisis de los resultados obtenidos. Un resumen de los valores máximos de tensión y corriente para cada caso de falla monofásica a tierra se muestra en la Tabla 4-2.

Tabla 4-2 Resultados de la apertura de interruptores en condición de falla monofásica a tierra. Tensión V inicial (kV) Interruptor

Corriente

V apertura

I falla (A)

(kV)

Tiempo

I apertura

t extinción

(A)

(s)

Ideal

0

418

3480

2830

0.01

Cassie

0

957

3473

1200

0.001

Mayr

0

963

3472

1200

0.001

Cassie-Mayr

0

246

1246

310

0.001

En la tabla 4-2 se muestra de forma ordenada los resultados obtenidos en estos casos de simulación, cabe destacar que el interruptor ideal continua operando cuando realiza la corriente un cruce por cero, mientras esto sucede sigue dejando que la corriente alcance valores similares a los que se registran durante la falla. Sin embargo el modelo de Cassie y Mayr disminuyen el nivel de corriente de forma considerable al iniciarse la apertura de los contactos del interruptor y hacer contacto con el medio de extinción. Por otro lado el modelo combinado arroja valores muy diferentes a cuando se manejan de forma independiente cada modelo.

84


4.6.3 Apertura de un Interruptor de Potencia (Ideal, Cassie, Mayr, Cassie-Mayr) en Condición de Falla Monofásica a Tierra liberada y Re-cierre de la Línea.

En este caso se obtendrá el comportamiento de la corriente después de un recierre del interruptor, para observar que valor de corriente se alcanza al ocurrir este tipo de maniobra. En versiones anteriores al ATPDraw 5.3 esto era prácticamente imposible por las limitaciones de programación.

a) Interruptor ideal (proporcionado por el programa ATPDraw). Se realizó una simulación con duración de 0.1 s, en la cual se simuló una falla monofásica a 0.03 s, el interruptor hace la función de apertura a 0.05 s, después a 0.07 s se presenta el re-cierre automático ya con la falla liberada.

85


Figura. 4-36 Corriente en el interruptor modelo de ideal en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático.

Como se puede observar en la figura 4-36, la corriente durante la falla registra un valor de 3472 A, a los 0.05s el interruptor opera, es aquí donde la corriente alcanza un valor de 2832 A, el tiempo que tarda el interruptor en extinguir la corriente es 0.01s. Posteriormente ya con la falla liberada se realiza el re cierre por lo que la corriente comienza con un valor de corriente de 922 A.

86


Figura. 4-37 Tensión en el interruptor ideal en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. En la figura 4-37 se observa el momento de apertura del interruptor, es en este punto cuando registra una tensión máxima de 458 kV, posteriormente a los 0.07s el interruptor realiza el re cierre por lo que la tensión que presenta en este punto es de 67 kV.

87


b) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie. En este caso se utiliza el modelo de Cassie bajo las mismas condiciones consideradas para el modelo de interruptor ideal.

Figura. 4-38 Corriente en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático.

En la figura 4-38 se observa a los 0.03s el momento en que ocurre la falla, la corriente máxima que alcanza el fenómeno es de 3472 A, posteriormente a los 0.05s el interruptor opera, por lo que la corriente en este punto es de 1200 A. El tiempo que tarda en extinguir la corriente el interruptor es de 0.001s. Después a los 0.07s se realiza la operación de re cierre, por lo que la corriente en este punto registra un valor de 1156 A. 88


Figura. 4-39Tensión en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. En la figura 4-39 se observa el comportamiento de la tensión cuando ocurre la apertura del interruptor, consecuencia de una falla monofásica a tierra, el valor de la tensión en este punto es de 956 kV, posteriormente cuando se realiza el re cierre se registra un valor de tensión de 421 kV.

89


c) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Mayr. Ahora utilizando el mismo modelo de la línea de las simulaciones anteriores, se simula el interruptor con el modelo de arco eléctrico propuesto por Mayr, considerando re-cierre ya con la falla liberada.

Figura. 4-40 Corriente en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático.

En la figura 4-40 se observa el momento en que ocurre la falla a tierra, en este punto la corriente alcanza un valor de 3472 A, a los 0.05s el interruptor opera por lo que la corriente en este punto tiene un valor de 1200 A, el tiempo que tarda el interruptor en extinguir la corriente es de 0.001s. Posteriormente ya con la falla a 90


tierra liberada se realiza la operación de re cierre, en este punto se presenta un valor de corriente de 1300 A, a partir de aquí se comienza a estabilizar el valor hasta alcanzar el nominal.

Figura. 4-41Tensión en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. En la figura 4-41 se observa el comportamiento de la tensión, a los 0.05s momento en el que el interruptor opera, se registra una tensión máxima de 963 kV, posteriormente a los 0.07s el interruptor realiza la operación de re cierre por lo que en este punto la tensión tiene un valor de 482 kV, para después llegar a un valor de cero.

91


d) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie-Mayr. En este caso se utilizaron los modelos de Cassie y Mayr combinados, llevando a cabo los mismos parámetros que en los incisos anteriores, se observara el comportamiento que tiene tanto la corriente como la tensión.

Figura. 4-42 Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático. En la figura 4-42 se observa el comportamiento de la corriente, a los 0.03s se presenta la falla monofásica, por lo que se registra una corriente máxima de 1246 A. posteriormente a los 0.05s el interruptor opera por lo que la corriente registrada en este punto es de 314 A, después a los 0.07s momento en el cual el interruptor inicia la operación de re cierre se registra una corriente de 259 A.

92


Figura. 4-43Tensión en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a tierra liberada y re-cierre automático.

En la figura 4-43 se observa el comportamiento de la tensión durante la operación de apertura y re cierre, primeramente a los 0.05s ocurre la operación de apertura, en este punto la tensión tiene un valor máximo de 246 kV, posteriormente al momento de realizar el re cierre, la tensión alcanza un valor de 117 kV, para después regresar al valor de cero.

93


Análisis de los resultados obtenidos. La Tabla 4-3, muestra un resumen de los valores máximos de tensión y corriente para cada caso apertura y re-cierre de falla monofásica a tierra.

Tabla 4-3 Resultados de apertura y re-cierre de interruptores en condición de falla monofásica y re-cierre. Tensión

Corriente

V apertura V re-cierre (kV)

(kV)

Tiempo

I falla

I apertura

I re-

t extinción

(A)

(A)

cierre

(s)

Interruptor

(A)

Ideal

458

67

3472

2832

922

0.01

Cassie

956

421

3472

1200

1156

0.001

Mayr

963

482

3472

1200

1300

0.001

Cassie-

246

117

1246

314

259

0.001

Mayr

Los resultados de la tabla muestran diferencias entre el interruptor ideal y los que contienen información del arco eléctrico, es interesante ver que el interruptor ideal continua buscando el momento del cruce por cero para extinguir la corriente, sin embargo el modelo de Cassie y Mayr lo hacen de manera instantánea y reducen el nivel de corriente de apertura aunque la corriente de falla sea la misma. Por otra parte el modelo combinado sigue presentando diferencias para ser consideradas. En cuanto a la tensión, el ideal tiene un valor bajo de tensión a comparación con los modelos de arco eléctrico y de igual manera presenta variaciones importantes el modelo combinado. 94


4.6.4 Apertura de Interruptor de Potencia (ideal, Cassie, Mayr, Cassie-Mayr) en Condición de Falla Monofásica Permanente y Re-cierre Automático. En este caso se provoca una falla monofásica permanente a los 0.03s, esto quiere decir que el interruptor abrirá sus contactos a consecuencia de la falla a los 0.05s y pasando un tiempo intentará el re-cierre a los 0.07s sin embargo la falla persiste para que el interruptor nuevamente abra sus contactos de forma definitiva a los 0.09s..

a) Interruptor ideal (proporcionado por el programa ATPDraw).

Figura. 4-44 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor ideal con falla monofásica permanente. 95


En la figura 4-44 se observa que al presentarse la falla , la corriente alcanza un valor de 3472 A, durante al operación del interruptor a los 0.05s la corriente tiene un valor de 2832 A, se extingue la corriente en 0.01s, sin embargo a los 0.07s se intenta un re cierre por lo que la corriente presenta un valor de 3576 A, como la falla persiste, el interruptor opera por segunda vez y es en este punto cuando la corriente alcanza un valor de 45.81 A y el tiempo de extinción de la corriente durante la re apertura es de 0.001s.

Figura. 4-45 Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor ideal con falla monofásica permanente. En la figura 4-45 se observa la tensión durante los periodos de operación, primero a los 0.05s se presenta la apertura de contactos por lo que la tensión máxima registrada es de 446 kV, posteriormente se realiza el re cierre y en este punto se 96


registra un valor de tensión máxima de 100 kV, después al permanecer la falla, el interruptor abre por segunda ocasión y se registra un valor de tensión de 533 kV.

b) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie. Esta vez se realiza la simulación pero con un interruptor que incluye el modelo de arco eléctrico de Cassie y con cámara de extinción de gas SF 6. Utilizando los mismos parámetros que en el inciso anterior.

Figura. 4-46 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie con falla monofásica permanente.

97


En la figura 4-46 se observa el comportamiento de la corriente durante la falla, en este punto se registra un valor de corriente de 3472 A, después se presenta la operación del interruptor, en este punto alcanza un valor máximo de 1200 A, Posteriormente el interruptor intenta un re cierre y la corriente que se registra es 642 A, sin embargo al permanecer la falla, el interruptor abre de forma definitiva, en este punto se alcanza un valor de corriente de 400 A.

Figura. 4-47Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie con falla monofásica permanente. En la figura 4-47 se observa la tensión durante la apertura del interruptor, esta alcanza un valor de 957 kV, después el interruptor realiza un re cierre, en este punto se registra un valor de 193 kV, al permanecer la falla, el interruptor abre de forma definitiva, en este punto se registra un valor de tensión de 585. 98


c) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Mayr. Ahora utilizando el modelo de Mayr y con los mismos parámetros de línea de los casos anteriores, se analiza el comportamiento de este tipo de interruptor bajo falla permanente.

Figura. 4-48 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Mayr con falla monofásica permanente.

En la figura 4-48 se observa el comportamiento de la corriente durante los eventos ocurridos, primeramente a los 0.03s se registra una falla a tierra, en este punto la corriente alcanza un valor de 3472 A, después a los 0.05s el interruptor realiza la operación de apertura, registrando un valor de 1200 A, a los 0.07s el interruptor intenta un re cierre y la corriente registra un valor de 3574 A, como la falla 99


permanece el interruptor opera nuevamente de forma definitiva y registra un valor de corriente de 465 A, extinguiendo la corriente de forma instantánea 0.001s.

Figura. 4-49Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Mayr con falla monofásica permanente.

En la figura 4-49 se observa la tensión generada durante las maniobras del interruptor, primero a los 0.05s cuando el interruptor opera, se registra un valor de 963 kV, después el interruptor realiza el re cierre y la tensión alcanza un valor de 318 kV, como la falla persiste, el interruptor opera una vez mas y la tensión obtiene un valor de 611 kV.

100


d) Interruptor en SF6 con modelo de arco eléctrico de Cassie-Mayr. En este inciso los modelos de arco de Cassie y Mayr se combinan para verificar su funcionalidad al trabajar juntos y poder hacer una comparación con los resultados obtenidos con anterioridad.

Figura. 4-50 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie-Mayr con falla monofásica permanente.

En la figura 4-50 se observa el comportamiento de la corriente durante las operaciones del interruptor, primero a los 0.03s se presenta la falla a tierra y registra un valor máximo de corriente de 1246 A, después

a los 0.05s el

interruptor opera y la corriente alcanza un valor de 314 A, a los 0.07s el interruptor realiza un re cierre y la corriente alcanza un valor de 902 A, como la falla 101


permanece el interruptor opera para abrir el circuito de esta manera la corriente alcanza un valor de 500 A.

Figura. 4-51 Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie-Mayr con falla monofásica permanente.

En la figura 4-51 se observa el comportamiento de la tensión durante las operaciones del interruptor, a los 0.05s el interruptor opera y la tensión alcanza un valor máximo de 246 kV, después el interruptor realiza el re cierre en este punto la tensión alcanza un valor de 150 kV, al permanecer la falla el interruptor opera y la tensión obtiene un valor de 377 kV.

102


Análisis de los resultados obtenidos. Tabla 4-4 Resultados de apertura, re-cierre y re-apertura de interruptores en condición de falla permanente. Tensión Vfalla

V

(kV)

cierre(kV)

Corriente

re- V

Interruptor

re- Iapertura

I

Tiempo

re- I

re- t

apertura (A)

cierre

apertura

extinción

(kV)

(A)

(A)

(s)

Ideal

446

100

533

2832

3576

45.81

0.01

Cassie

957

193

585

1200

642

400

0.001

Mayr

963

318

611

1200

3574

465

0.001

Cassie-

246

150

377

314

902

500

0.001

Mayr

En los resultados obtenidos observamos que a pesar de estar bajo condiciones iguales, los interruptores registraron valores diferentes entre sí, primeramente el interruptor ideal registro una corriente de apertura de 45.81 A esto debido a que el cruce por cero casi coincidió con la re apertura del interruptor, cabe destacar que el modelo de Cassie comparado con el de Mayr tuvo mejor resultado al realizar el re cierre aun estando con falla permanente ya que en este punto Cassie registro 642 A y Mayr 3574, a pesar de tener una corriente de apertura igual a 1200 cada uno, por consiguiente la corriente de re apertura fue menor en Cassie.

103


CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES GENERALES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS. 5.1 Conclusiones En este trabajo de tesis se analizó el comportamiento de los interruptores de potencia que utilizan la tecnología del gas SF 6 incorporando modelos de arco eléctrico. Además de incluir los modelos de Cassie y el de Mayr, se agregó la opción del re-cierre con el fin de poder analizar otro tipo de eventos que pueden llegar a ocurrir en un sistema de potencia real. Se llevó a cabo la simulación de los interruptores en un modelo de línea que actualmente está en funcionamiento en México. Con estas simulaciones se aportan resultados que pueden ayudar a dar una mejor idea de los posibles eventos transitorios en esta línea. Durante el proceso de simulación se muestra que el interruptor ideal simplemente hace la operación de apertura sin tomar en cuenta el fenómeno de arco eléctrico ni medio de extinción. Además el modelo ideal requiere que la corriente tenga valor de cero para poder operar, con los modelos de arco en SF 6 es distinto ya que realiza la operación casi de manera instantánea sin importar el nivel de corriente que se registre al momento de la orden de apertura. 104


Aunque los resultados con los modelos de Cassie y Mayr son similares para algunos casos, cuando se simuló una falla permanente se observó que el modelo de Cassie arrojó valores de corriente menores a los que registro el modelo de Mayr. En el primer caso, referente a una apertura del interruptor sin falla se concluyó que el modelo de interruptor con modelo de arco eléctrico de Mayr mostró tener mejores resultados comparado con el modelo ideal. También se encontró que al realizar la simulación del modelo combinado Cassie-Mayr se obtuvieron resultados muy diferentes a los que se obtenían cuando se utilizan por separado los modelos. Con los resultados obtenidos en las diferentes simulaciones, se observa que el modelo de Mayr registra en el interior del interruptor un nivel de corriente bajo comparado con el modelo de interruptor ideal pero conforme el nivel de corriente aumenta en la línea, el modelo de Cassie registra menor nivel de corriente en su interior al momento de la operación de apertura. Cuando se utiliza la combinación Cassie-Mayr en un sólo interruptor se obtienen valores de corriente menores pero son muy distintos a cuando se utilizan por separado por lo que la combinación utilizando un sumador pudiera no ser recomendable para este tipo de dispositivos ya que puede causar malas interpretaciones. Con la implementación de la opción de re-cierre y la aplicación a un modelo de línea real, en este trabajo se presentan resultados interesantes para ser

105


comprobados con pruebas experimentales que validen el uso de este tipo de modelos.

5.2 Recomendaciones para Trabajos Futuros. Este tipo de trabajos requieren ser actualizados en un corto plazo debido al desarrollo de nuevas herramientas en paquetes computacionales como el ATP. Verificar continuamente las opciones que se van agregando, e implementarlas en el análisis de problemas como el abordado en este trabajo, se recomienda como un trabajo futuro.

Sería de gran utilidad llevar a cabo simulaciones con estos modelos de interruptor a niveles de corriente más altos, aumentado la carga eléctrica y verificar qué resultados obtienen Se recomienda trabajar en el desarrollo de modelos de interruptores para diferentes medios de extinción.

106


Referencias [1] Carlos Ramírez Pacheco, Tesis “Incorporación de modelos de arco eléctrico a interruptores de potencia en el ATP/EMTP”, I nstituto Politécnico Nacional,

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. [2] Jahel Hernández Ángeles, Tesis “Implementación de modelos de arco eléctrico para simulación de interruptores de potencia en el EMTP,

Instituto

Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, diciembre 2006. [3] Fermín Espino Cortes , Apuntes de Alta Tensión II, “ Ruptura en gases”, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unida Profesional Adolfo López Mateos, Zacateco. [4] Walter F. Giménez La simulación del arco eléctrico, Ediciones UNL. 2003. [5] José Ignacio Alcocer Moreno, Interruptores de potencia, Comisión Federal de Electricidad, Coordinación de transmisión y transformación, Gerencia Técnica, abril de 2005. [6] NRF-022-CFE. 2002 [7] IEC 62271-100.abril 2008 [9] IEC 60376 specification of technical grade sulfur hexafluoride (SF 6) for use in electrical equipment. Junio 2005 [10] IEC 60480 guidelines for the checking and treatment of sulfur hexafluoride (SF6) taken from electrical equipment and specification for its re-use. Octubre 2004

107


[11] ASTM D2472-00 standard specification for sulfur hexafluoride. 2006 [12] Comisión Federal de Electricidad Subdirección de transmisión y transformación Manual de interruptores de potencia.2003 [13 ] Comisión Federal de Electricidad, subdirección de transmisión, transformación y control; Operación y mantenimiento de interruptores de potencia. [14] Instituto Politécnico Nacional, Arquitectura y montaje de subestaciones aisladas por hexafluoruro de azufre, presentación GIS. [15] Pablo Gómez Zamorano, Notas del curos “Altas tensiones 1” Instituto Politécnico Nacional, escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, septiembre 2008. [16] Análisis de sobretensiones por maniobra de la L.T Jerónimo Ortiz 400 kV para implementación de apartarrayos de línea. Unidad de Ingeniería Especializada, Comisión Federal de Electricidad.2006

108


ANEXO Modelo de Cassie en el interruptor de potencia en ATPDraw. Para poder llevar a cabo el diseño de un interruptor de potencia en ATPDraw se debe tomar en cuenta que se trabajara con el lenguaje de programación Fortran, por lo que es necesario saber por lo menos cuales son las operaciones básicas de este lenguaje. Como primer paso se requiere la ecuación de Cassie estando en el dominio de Laplace, de la forma siguiente:

Se utilizara el diagrama en bloques para poder programarlo en ATPDraw, de la forma siguiente:

Figura A-1 Diagrama en bloques de la ecuación de Cassie. Posteriormente se trabaja en ATPDraw, con el botón izquierdo aparece una lista de herramientas, se selecciona TACS y luego FORTRAN STATEMENT, en pantalla

109


se observara este icono

por lo que se utilizara uno para cada

función del diagrama en bloques de la siguiente forma:

a) Primer bloque: se obtendrá el valor absoluto de la corriente para introducirlo al interruptor.

Figura A-2 Primer bloque en ATPDraw.

110


b) Segundo bloque: eleva al cuadrado la corriente y la divide entre la tensión del arco, este valor se puede ver a detalle en el capítulo 2.

Figura A-3 Segundo bloque en ATPDraw.

111


c) Tercer bloque: Utilizamos la herramienta lo-pass para definir la constante características del modelo de Cassie descrita en capítulo 2 y su función correspondiente multiplicando por el resultado del bloque anterior..

Figura A-4 Tercer bloque en ATPDraw.

112


d) Cuarto bloque: se utiliza para obtener el valor absoluto de resultado anterior.

Figura A-5 Cuarto bloque en ATPDraw.

113


e) Quinto bloque: se obtiene la raíz cuadrada de la conductancia.

Figura A-6 Quinto bloque en ATPDraw.

114


f) Sexto bloque: se obtiene el inverso de la conductancia para finalmente obtener la resistencia del arco eléctrico.

Figura A-7 Sexto bloque en ATPDraw.

Realizados los bloques, es necesario complementar el circuito agregando una resistencia controlada por TACS para poder integrar la información a un interruptor, para lo cual también se utiliza un interruptor ideal para indicar qué tipo de elemento se está utilizando. Por lo que el circuito queda de la siguiente manera.

115


Figura A-8 Elementos utilizados en el interruptor con modelo de arco eléctrico. Terminado el circuito se procede a agrupar todos los elementos, se selecciona todo el circuito, oprimiendo el botón de edición, seleccionamos la función comprimir, la cual desplegara la siguiente ventana:

Figura A-9 Ventana para comprimir el circuito. 116


En esta ventana indicaremos que el elemento que se acaba de crear es un interruptor, así como las características de re-cierre, posición de entrada y salida, y el tiempo de operación de nuestro interruptor, ya terminadas las indicaciones aceptamos y aparecerá un icono de esta forma:

Figura A-10 Icono del interruptor de potencia. Este es el icono del interruptor de potencia, sin embargo el programa ATPDraw otorga al usuario poder editar el elemento en apariencia. De la misma manera en que se realizo este interruptor, se hace para el modelo de Mayr.

Estos son los elementos utilizados en los modelos de interruptores así como una breve descripción de su función.

Fortran Statement: en este dispositivo se ingresa de forma algebraica las operaciones que se deseen realizar en lenguaje FORTRAN.

Resistencia controlada por TACS: utilizando este dispositivo se puede integrar al circuito la resistencia del modelo, se conecta en paralelo a un interruptor ideal para efectuar la apertura. 117

Simulador SF6 en ATP

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