Estudio Sobretensiones Cortocircuito MT

ESCUELATÉCNICASUPERIORDEINGENIERÍA UNIVERSIDADDESEVILLA

ProyectoFinaldeCarrera

ESTUDIO DE SOBRETENSIONES DEBIDAS A CORTOCIRCUITOS FASE -TIERRA EN REDES DE MEDIA TENSIÓN PARA DISTINTOS REGÍMENES DE NEUTRO

Autor:DanielAmatGonzález Tutor:PedroLuisCruzRomero

Marzo2014

Estudio de sobretensiones debidas a cortocircuitos cortocircuitos fase-tierra en redes de media tensión para distintos regímenes de neutro

ÍNDICE 1 OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO.................................................................. .................................................................................8 ...............8 2 INTRODUCCIÓN ...................................................................... ......................................................................................................... ............................................9 .........9 2.1 ¿ES IMPORTANTE CONOCER LAS SOBRETENSIONES ? ....................................................................9 ....................................................................9 2.2 ¿POR QUÉ PONER EL NEUTRO A TIERRA ?.................................................................... ...................................................................................9 ...............9 2.3 ¿POR QUÉ HAY DISTINTOS REGÍMENES DE NEUTRO ?....................................................................9 ....................................................................9 3 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN ................................................................... ............................................................................................ .........................10 3.1 SISTEMAS SIN CONEXIÓN A TIERRA...................................................................... ......................................................................................... ...................10 3.2 SISTEMAS CON CONEXIÓN A TIERRA .................................................................... ....................................................................................... ...................10 3.2.1 TRES CABLES CON ÚNICA CONEXIÓN A TIERRA ........................................................ ......................................................................... ................. 10 3.2.2 CUATRO CABLES CON MÚLTIPLES CONEXIONES A TIERRA .......................................................... ............................................................11 3.2.3 CUATRO CABLES CON ÚNICA CONEXIÓN A TIERRA ........................................................ .................................................................... ............11 3.2.4 TRANSFORMADORES DE PUESTA A TIERRA .......................................................... ............................................................................. ...................12 4 TIPOLOGÍA DE SOBRETENSIONES .................................................................. ..................................................................................... ...................13 4.1 CLASIFICACIÓN POR SU DURACIÓN ...................................................................... ......................................................................................... ...................13 4.1.1 SOBRETENSIONES DE FRENTE MUY RÁPIDO (VERY FAST FRONT OVERVOLTAGE ) ............................. ............................. 13 4.1.2 SOBRETENSIONES DE FRENTE RÁPIDO (FAST FRONT OVERVOLTAGE) ........................................... ...........................................13 4.1.3 SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO (SLOW FRONT OVERVOLTAGE) ........................................... ...........................................14 4.1.4 SOBRETENSIONES TEMPORALES (TEMPORARY OVERVOLTAGE)................................................... ...................................................14 5 TIPOLOGÍA DE LOS CORTOCIRCUITOS.................................................................. ............................................................................... .............15 5.1 CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO SIMÉTRICO ...................................................................... ................................................................................... .............15 5.2 CORTOCIRCUITO BIFÁSICO ...................................................................... .................................................................................................... ..............................15 5.3 CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO AISLADO .................................................................... ................................................................................. .............15 5.4 CORTOCIRCUITOS A TIERRA .................................................................... .................................................................................................. ..............................15 5.4.1 CORTOCIRCUITO BIFÁSICO A TIERRA ........................................................ ..................................................................................... .............................15 5.4.2 CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO A TIERRA ........................................................ ............................................................................... .......................15 6 CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES TEÓRICAS PREVIAS ............................................................................ ............................................................................16 6.1 COEFICIENTE DE PUESTA A TIERRA (COG, COEFFICIENT OF GROUNDING) ..................................... ..................................... 16 16 6.2 FACTOR DE FALLO A TIERRA (EFF, EARTH FAULT FACTOR) ......................................................... .........................................................16 TI ERRA EFECTIVA .................................................................... 6.3 PUESTA A TIERRA .................................................................................................. ..............................16

Daniel Amat González

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ÍNDICE 1 OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO.................................................................. .................................................................................8 ...............8 2 INTRODUCCIÓN ...................................................................... ......................................................................................................... ............................................9 .........9 2.1 ¿ES IMPORTANTE CONOCER LAS SOBRETENSIONES ? ....................................................................9 ....................................................................9 2.2 ¿POR QUÉ PONER EL NEUTRO A TIERRA ?.................................................................... ...................................................................................9 ...............9 2.3 ¿POR QUÉ HAY DISTINTOS REGÍMENES DE NEUTRO ?....................................................................9 ....................................................................9 3 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN ................................................................... ............................................................................................ .........................10 3.1 SISTEMAS SIN CONEXIÓN A TIERRA...................................................................... ......................................................................................... ...................10 3.2 SISTEMAS CON CONEXIÓN A TIERRA .................................................................... ....................................................................................... ...................10 3.2.1 TRES CABLES CON ÚNICA CONEXIÓN A TIERRA ........................................................ ......................................................................... ................. 10 3.2.2 CUATRO CABLES CON MÚLTIPLES CONEXIONES A TIERRA .......................................................... ............................................................11 3.2.3 CUATRO CABLES CON ÚNICA CONEXIÓN A TIERRA ........................................................ .................................................................... ............11 3.2.4 TRANSFORMADORES DE PUESTA A TIERRA .......................................................... ............................................................................. ...................12 4 TIPOLOGÍA DE SOBRETENSIONES .................................................................. ..................................................................................... ...................13 4.1 CLASIFICACIÓN POR SU DURACIÓN ...................................................................... ......................................................................................... ...................13 4.1.1 SOBRETENSIONES DE FRENTE MUY RÁPIDO (VERY FAST FRONT OVERVOLTAGE ) ............................. ............................. 13 4.1.2 SOBRETENSIONES DE FRENTE RÁPIDO (FAST FRONT OVERVOLTAGE) ........................................... ...........................................13 4.1.3 SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO (SLOW FRONT OVERVOLTAGE) ........................................... ...........................................14 4.1.4 SOBRETENSIONES TEMPORALES (TEMPORARY OVERVOLTAGE)................................................... ...................................................14 5 TIPOLOGÍA DE LOS CORTOCIRCUITOS.................................................................. ............................................................................... .............15 5.1 CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO SIMÉTRICO ...................................................................... ................................................................................... .............15 5.2 CORTOCIRCUITO BIFÁSICO ...................................................................... .................................................................................................... ..............................15 5.3 CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO AISLADO .................................................................... ................................................................................. .............15 5.4 CORTOCIRCUITOS A TIERRA .................................................................... .................................................................................................. ..............................15 5.4.1 CORTOCIRCUITO BIFÁSICO A TIERRA ........................................................ ..................................................................................... .............................15 5.4.2 CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO A TIERRA ........................................................ ............................................................................... .......................15 6 CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES TEÓRICAS PREVIAS ............................................................................ ............................................................................16 6.1 COEFICIENTE DE PUESTA A TIERRA (COG, COEFFICIENT OF GROUNDING) ..................................... ..................................... 16 16 6.2 FACTOR DE FALLO A TIERRA (EFF, EARTH FAULT FACTOR) ......................................................... .........................................................16 TI ERRA EFECTIVA .................................................................... 6.3 PUESTA A TIERRA .................................................................................................. ..............................16


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6.4 PUESTA A TIERRA NO EFECTIVA ..................................................................... ............................................................................................. ........................17 7 REGÍMENES DE NEUTRO ................................................................................. ................................................................................................... ..................21 7.1 NEUTRO AISLADO .................................................................... ....................................................................................................... .......................................... .......21 7.2 NEUTRO CONECTADO A TIERRA ..................................................................... ............................................................................................. ........................21 7.2.1 NEUTRO RÍGIDO A TIERRA ......................................................... ........................................................................................... ......................................... ....... 21 7.2.2 NEUTRO IMPEDANTE ......................................................... ........................................................................................... ............................................... ............. 22 7.2.2.1 Neutro a tierra tierra a través través de resisten resistencia cia .......................................................... ...................................................................... ............ 22 7.2.2.2 Neutro a tierra a través de una inductancia ................ ........ ................ ................ ........ ............... ....... ................ ............... ....... 23 7.2.2.3 Neutro a tierra a través de resistencia e inductancia en serie ................ ........ ................ ............... ........... .... 23 7.2.2.4 Neutro a tierra a través de una capacitancia ................ ........ ................ ................ ........ ................ ........ ................ ............. ..... 23 7.2.2.5 Neutro a tierra a través de sistema resonante ................ ........ ................ ................ ........ ................ ........ ................ .......... .. 24 7.3 COMPARATIVA REGÍMENES DE NEUTRO ..................................................................... .................................................................................. .............25 7.4 INFLUENCIA DEL TRANSFORMADOR EN LA CORRIENTE HOMOPOLAR . .............................................26 8 DEFINICIÓN TEÓRICA DE LA RED R ED EN ESTUDIO....................................................... ESTUDIO................................................................... ............28 8.1 RED .................................................................... ........................................................................................................ ............................................................ ........................29 8.2 TRANSFORMADOR DE POTENCIA ..................................................................... .................................................................................. .............29 8.3 TRANSFORMADOR DE PUESTA A TIERRA ...................................................................... ........................................................................30 8.4 LÍNEAS ..................................................................... ......................................................................................................... ...................................................... ..................31 8.4.1 LINEAS AÉREAS....................................................... .......................................................................................... ..................................................... .................. 31 8.4.1.1 Característic Características as genera generales les .......................................................... ......................................................................................... ............................... 31 8.4.1.2 Cálculos para para la línea aérea aérea elegida elegida .......................... ............................................................ ................................................ .............. 33 8.4.1.3 Disposición Disposición geométrica geométrica .............................. ........................................................................... .............................................................. ................. 33 8.4.1.4 Resistencia Resistencia y reactancia reactancia........................................................ ........................................................................................... ..................................... 36 8.4.1.5 Admitancia Admitancia capacitiva capacitiva........................................................... ............................................................................................. .................................... .. 38 8.4.2 LINEAS SUBTERRÁNE SUBTERRÁNEAS AS ........................................................... ............................................................................................. .................................... .. 42 8.4.2.1 Característic Características as generales generales ....................................................... ......................................................................................... .................................... 42 8.4.2.2 Elección Elección del cable cable ........................................................... ............................................................................................. .......................................... ........ 44 8.4.2.3 Disposición Disposición geométrica geométrica .............................. ........................................................................... .............................................................. ................. 44 8.4.2.4 Resistencia Resistencia y reactancia reactancia........................................................ ........................................................................................... ..................................... 45 8.4.2.5 Admitancia Admitancia capacitiva capacitiva........................................................... ............................................................................................. .................................... .. 47 8.5 CARGAS ................................................................... ...................................................................................................... ...................................................... ...................48 8.6 CONTINGENCIA EN LA RED..................................................................... ............................................................................................. ........................48 8.6.1 CÁLCULO TEÓRICO DE LA TENSIÓN E INTENSIDAD DE CORTOCIRCUITO........................ 49 9 SIMULACIONES SIMULACIONES ....................................................................... .......................................................................................................... .......................................... .......55 9.1 LINEA AÉREA .................................................................. ..................................................................................................... ................................................ .............55 9.1.1 PRIMER ENSAYO: RED FIJA, DISTINTAS PUESTAS A TIERRA ......................................................... ........................................................... 55


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Estudio de sobretensiones debidas a cortocircuitos fase-tierra en redes de media tensión para distintos regímenes de neutro

9.1.1.1 Neutro aislado.......................................................................................................... 55 9.1.1.2 Neutro rígido a tierra................................................................................................ 57 9.1.1.3 Neutro a tierra a través de resistencia ..................................................................... 58 9.1.1.4 Neutro a tierra a través de inductancia ..................................................................... 60 9.1.1.5 Neutro a tierra a través de resistencia e inductancia en serie ................................... 62 9.1.1.6 Neutro a tierra a través de sistema resonante ................................ .......................... 63 9.1.2 SEGUNDO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA LONGITUD DE LA LÍNEA AÉREA ......... 65 9.1.3 TERCER ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA RESISTENCIA DE FALTA A TIERRA . .........66 9.1.4 CUARTO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON EL PUNTO DE FALTA ............................ 67 9.1.5 Q UINTO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO ..............68 9.2 LINEA SUBTERRÁNEA.....................................................................................................69 9.2.1 PRIMER ENSAYO: RED FIJA, DISTINTOS REGÍMENES DE NEUTRO ...................................................69 9.2.1.1 Neutro aislado.......................................................................................................... 69 9.2.1.2 Neutro rígido a tierra rígida ......................................................................................70 9.2.1.3 Neutro a tierra a través de resistencia ...................................................................... 71 9.2.1.4 Neutro a tierra a través de inductancia ..................................................................... 73 9.2.1.5 Neutro a tierra a través de resistencia e inductancia en serie ................................... 74 9.2.1.6 Neutro a tierra a través de sistema resonante ................................ .......................... 75 9.2.2 SEGUNDO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA LONGITUD DE LA LÍNEA ENTERRADA ..78 9.2.3 TERCER ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA RESISTENCIA DE FALTA A TIERRA . .........80 9.2.4 CUARTO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON EL PUNTO DE FALTA. ...........................81 9.2.5 Q UINTO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO ..............82 9.3 INFLUENCIA DE UN CORTOCIRCUITO EN LAS SOBRETENSIONES DE LAS DEMÁS LÍNEAS ........................83 9.4 SUSTITUCIÓN PAULATINA DE TRAMOS DE LÍNEAS AÉREAS POR TRAMOS DE CABLE ENTERRADO ........... 85 9.5 TRANSITORIO RÁPIDO .........................................................................................................86 9.5.1 DEPENDENCIA CON EL INSTANTE EN EL QUE SE PRODUCE EL CORTOCIRCUITO .................................87 10 CONCLUSIONES...............................................................................................................89 11 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................91


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ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1: INFLUENCIA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN SOBRE LAS SOBRETENSIONES .................................................... 11 TABLA 2: FORMAS DE ONDA DE LAS SOBRETENSIONES RESPECTO AL TIEMPO ............................................................. 14 TABLA 3: CARACTERÍSTICAS DE LAS PUESTAS A TIERRA ........................................................................................ 17 TABLA 4: RESUMEN DE VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS REGÍMENES DE NEUTRO ESTUDIADOS ................................ 25 TABLA 5: CONEXIONES E IMPEDANCIAS HOMOPOLARES DE TRANSFORMADORES ........................................................ 26 TABLA 6: DENSIDAD DE CORRIENTE E INTENSIDAD MÁXIMA DE LOS CONDUCTORES AÉREOS .......................................... 32 TABLA 7: RESISTENCIA DE LOS CONDUCTORES AÉREOS ........................................................................................ 33 TABLA 8: RELACIÓN DEL RADIO EQUIVALENTE ENTRE CONDUCTOR HUECO Y TRENZADOS .............................................. 36 TABLA 9: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL CONDUCTOR 147-AL1/34-ST1A........................................................... 37 TABLA 10: VALORES DE LA MATRIZ DE ADMITANCIA PARA LA LÍNEA AÉREA GENERADA POR PSCAD ................................ 41 TABLA 11: DIÁMETROS DEL CABLE ................................................................................................................ 43 TABLA 12: DIÁMETRO EXTERIOR DEL CABLE ..................................................................................................... 43 TABLA 13: REACTANCIA DEL CABLE ............................................................................................................... 43 TABLA 14: RESISTENCIA DEL CABLE ................................................................................................................ 43 TABLA 15: CAPACITANCIA DEL CABLE ............................................................................................................. 43 TABLA 16: INTENSIDAD MÁXIMA ADMISIBLE DEL CABLE ...................................................................................... 44 TABLA 17: DIÁMETRO DE LA PANTALLA DEL CABLE ............................................................................................ 44 TABLA 18: IMPEDANCIA DE SECUENCIA DIRECTA Y HOMOPOLAR DE LOS CABLES ........................................................ 45 TABLA 19: VALORES DE LA MATRIZ DE ADMITANCIA PARA LA LÍ NEA SUBTERRÁNEA GENERADA POR PSCAD ..................... 48


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ÍNDICE DE GRÁFICOS GRÁFICO 1: SISTEMA AISLADO ...................................................................................................................... 10 GRÁFICO 2: SISTEMA DE TRES CABLES CON ÚNICA CONEXIÓN A TIERRA .................................................................... 10 GRÁFICO 3: SISTEMA DE CUATRO CABLES Y MÚLTIPLES CONEXIONES A TIERRA ........................................................... 11 GRÁFICO 4: SISTEMA DE CUATRO CABLES Y ÚNICA CONEXIÓN A TIERRA ................................................................... 11 GRÁFICO 5: PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DE UNA RED CON UN TRANSFORMADOR DE AC OPLAMIENTO ESTRELLA-TRIÁNGULO ASOCIADO A UNA RESISTENCIA COLOCADA EN EL LADO DE AT ....................................................................... 12 GRÁFICO 6: PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DE UNA RED CON BOBI NA EN ZIG ZAG ....................................................... 12 GRÁFICO 7: CLASIFICACIÓN DE CORTOCIRCUITOS POR DURACIÓN Y TENSIONES ALCANZADAS......................................... 13 GRÁFICO 8: CARACTERÍSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=0 ........................................................................... 18 GRÁFICO 9: CARACTERÍSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=0,2 ........................................................................ 18 GRÁFICO 10: CARACTERÍSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=0,5 ...................................................................... 19 GRÁFICO 11: CARACTERÍSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=1 ......................................................................... 19 GRÁFICO 12: CARACTERÍSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=2 ......................................................................... 20 GRÁFICO 13: RÉGIMEN DE NEUTRO AISLADO .................................................................................................... 21 GRÁFICO 14: RÉGIMEN DE NEUTRO RÍGIDO A TIERRA .......................................................................................... 22 GRÁFICO 15: RÉGIMEN DE NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA .................................................................. 22 GRÁFICO 16: RÉGIMEN DE NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE INDUCTANCIA ................................................................ 23 GRÁFICO 17: RÉGIMEN DE NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN S ERIE .................................. 23 GRÁFICO 18: RÉGIMEN DE NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE SISTEMA RESONANTE ....................................................... 24 GRÁFICO 19: ESQUEMA GENERAL DE LA RED DE MEDIA TENSIÓN ........................................................................... 28 GRÁFICO 20: ESQUEMA DEL TRANSFORMADOR ZIGZAG ...................................................................................... 30 GRÁFICO 21: ALZADO DE LA TORRE ............................................................................................................... 35 GRÁFICO 22: VISTA EN DETALLE DE LA CABEZA DE LA TORRE ................................................................................. 35 GRÁFICO 23: ADMITANCIA CAPACITIVA, MÉTODO DE LAS IMÁGENES ...................................................................... 38 GRÁFICO 24: CAPACITANCIAS ENTRE LÍNEAS Y ENTRE LÍNEA Y TIERRA ...................................................................... 40 GRÁFICO 25: DISPOSICIÓN GEOMÉTRICA DE LOS CABLES ..................................................................................... 45 GRÁFICO 26: ESQUEMA DEL FALLO FASE-TIERRA ............................................................................................... 49 GRÁFICO 27: ESQUEMA DE SECUENCIAS DE LA RED EN FALLO MONOFÁSICO A TIERRA ................................................. 50 GRÁFICO 28: ESQUEMA DE SECUENCIAS DE LA RED A SIMULAR ............................................................................. 51 GRÁFICO 29: ESQUEMA DE LA RED A SIMULAR CON RÉGIMEN AISLADO ................................................................... 52 GRÁFICO 30: ESQUEMA EN PI DE UNA LINEA ELÉCTRICA ...................................................................................... 53 GRÁFICO 31: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA AÉREA Y NEUTRO AISLADO ..................................................... 55 GRÁFICO 32: FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN . LÍNEA AÉREA, NEUTRO AISLADO ....................................................... 56 GRÁFICO 33: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA AÉREA Y NEUTRO RÍGIDO A TIERRA ........................................... 57 GRÁFICO 34: LÍNEA AÉREA, NEUTRO RÍGIDO A TIERRA ........................................................................................ 58 GRÁFICO 35: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA AÉREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA .................... 58 GRÁFICO 36: LÍNEA AÉREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA ................................................................. 59 GRÁFICO 37: LÍNEA AÉREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE ALTA RESISTENCIA (LIMITADORA DE INTENSIDAD) ................... 60 GRÁFICO 38: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA AÉREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE INDUCTANCIA .................. 60 GRÁFICO 39: LÍNEA AÉREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE INDUCTANCIA ............................................................... 61 GRÁFICO 40: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA AÉREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN SERIE ............................................................................................................................................. 62 GRÁFICO 41: LÍNEA AÉREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN SERIE ................................. 62 GRÁFICO 42: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA AÉREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE INDUCTANCIA SINTONIZADA 63 GRÁFICO 43: LÍNEA AÉREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE INDUCTANCIA SINTONIZADA ............................................. 64


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Estudio de sobretensiones debidas a cortocircuitos fase-tierra en redes de media tensión para distintos regímenes de neutro GRÁFICO 44: LÍNEA AÉREA , DEPENDENCIA CON LA LONGITUD DE LA LÍNEA ............................................................... 65 GRÁFICO 45: LÍNEA AÉREA , DEPENDENCIA CON LA RESISTENCIA DE FALTA ................................................................ 66 GRÁFICO 46: LÍNEA AÉREA , DEPENDENCIA CON EL PUNTO DE FALTA ....................................................................... 67 GRÁFICO 47: LÍNEA AÉREA , DEPENDENCIA CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO ......................................................... 68 GRÁFICO 48: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO AISLADO . .......................................... 69 GRÁFICO 49: CURVA DE TENSIÓN. LÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO AISLADO ............................................................ 69 GRÁFICO 50: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO RÍGIDO A TIERRA . ................................ 70 GRÁFICO 51: LÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO RÍGIDO A TIERRA ............................................................................. 70 GRÁFICO 52: ESQUEMA PSCAD DE LA RED. LÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA . ............. 71 GRÁFICO 53:L ÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA ...................................................... 72 GRÁFICO 54: LÍNEA SUBTERRÁNEA Y PUESTA A TIERRA A TRAVÉS DE ALTA RESISTENCIA ............................................... 72 GRÁFICO 55: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE INDUCTANCIA. ....... 73 GRÁFICO 56: LÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE INDUCTANCIA .................................................... 73 GRÁFICO 57: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA AÉREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN SERIE ............................................................................................................................................. 74 GRÁFICO 58: LÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN SERIE ...................... 75 GRÁFICO 59: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LÍNEA SUBTERRÁNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE SISTEMA RESONANTE .................................................................................................................................................... 75 GRÁFICO 60: CURVA DE INTENSIDAD A TRAVÉS DE LA BOBINA SINTONIZADA. LÍNEA SUBTERRÁNEA ................................ 76 GRÁFICO 61: LÍNEA SUBTERRÁNEA, NEUTRO A TIERRA A TRAVÉS DE BOBINA SINTONIZADA ........................................... 76 GRÁFICO 62: CURVA DE INTENSIDAD A TRAVÉS DE LA BOBINA PETERSEN ................................................................. 77 GRÁFICO 63: LÍNEA SUBTERRÁNEA Y PUESTA A TIERRA A TRAVÉS DE BOBINA PETERSEN ............................................... 77 GRÁFICO 64: CAÍDA EXCESIVA DE TENSIÓN EN LÍNEA DE 100 KM Y RESONANCIA EN LÍNEA DE 3 KM ................................ 78 GRÁFICO 65: LÍNEA SUBTERRÁNEA, DEPENDENCIA CON LA LONGITUD DE LÍNEA ......................................................... 79 GRÁFICO 66: LÍNEA SUBTERRÁNEA, DEPENDENCIA CON LA RESISTENCIA DE FALTA ...................................................... 80 GRÁFICO 67: LÍNEA SUBTERRÁNEA, DEPENDENCIA CON EL PUNTO DE FALTA ............................................................. 81 GRÁFICO 68: LÍNEA SUBTERRÁNEA, DEPENDENCIA CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO ............................................... 82 GRÁFICO 69: CURVA DE TENSIONES EN LAS LÍNEAS DE LA RED . FALLO AL PRINCIPIO DE LA LÍ NEA .................................... 83 GRÁFICO 70: CURVA DE TENSIONES EN LAS LÍNEAS DE LA RED . FALLO AL FINAL DE LA LÍNEA AÉREA ................................. 84 GRÁFICO 71: CURVA DE TENSIONES EN LAS LÍNEAS DE LA RED . FALLO AL FINAL DE LA LÍNEA SUBTERRÁNEA ....................... 84 GRÁFICO 72: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA PROPORCIÓN DE LÍNEA ENTERRADA SOBRE EL TOTAL DE LA MISMA 85 GRÁFICO 73: TRANSITORIO RÁPIDO PROMINENTE ............................................................................................. 86 GRÁFICO 74: FORMA DE ONDA DE TENSIÓN NORMALIZADA ................................................................................. 87 GRÁFICO 75: TRANSITORIO RÁPIDO PARA DISTINTOS INSTANTES DEL CICLO DE LA FASE EN FALTA ................................... 88 GRÁFICO 76: TRANSITORIO RÁPIDO. INSTANTES QUE GENERAN MAYOR SOBRETENSIÓN .............................................. 88


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OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO

Lassobretensi Lassobretensionesenlared onesenlared tienenunefectonociv tienenunefectonocivo osobr sobrelos elosequi equiposconec posconectados tados a ella,porloquenuestroobjetivoseríaatenuarlaslomáximoposible.Encondicionesde funcionamiento,loscontroladoresdetensióndelsistemaeléctricosonsuficientespara mantenerlatensiónenvaloresnominales;sinembargo,siseproduceuncortocircuito, nuestrosistemaquedaráexpuesto nuestrosistemaquedaráexpuestoagrandessobr agrandessobretensiones. etensiones. Graciasaladilatadaexperienciadelsectoreléctricoenredesdedistribución,sab Graciasaladilatadaexperienciadelsectoreléctric oenredesdedistribución,sabemos emos quelamayoríadeloscortocircuitosques quelamayoríadeloscortocircuitosqueseproducensonm eproducensonmonofásicoscond onofásicosconderivacióna erivacióna tierrayquelacorrientededefectoestarálimitadaporlaimpedanciadelapuestaa tierr erra. Por lo tanto, será razonable ble que el estud tudio abarque los cortoci ocircuitos tos mono monofás fásic icos os fase fase-t -tie ierr rra a para para los los disti distinto ntos s regí regíme mene nes s de neutr neutro o disp dispon onib ible les s en la actualidad. Dadalaimposibil Dadalaimposibilidaddeensay idaddeensayarlosfallosaestudia arlosfallosaestudiarenellaborator renellaboratorio,serealiza io,serealizaráel ráel modeladoylaresolucióndelcircuitoeléctricoenrégimentransitorioenunprograma inform informáti ático co, , en este este caso caso PSCAD, PSCAD, un progra programa ma con carac caracter teríst ística icas s de EMTP-A EMTP-ATP TP  (Modeladoyresolucióndecircuitoseléctricosenrégimentransitorio)defácilmanejo graciasasuinterfazgráfica. Gracia Gracias s a este este progr program ama, a, evalu evaluare aremos mos con con rela relativ tiva a facili facilidad dad las redes redes eléctr eléctrica icas s de media tensión con distinta tipología, basándonos en normativas y demás documentac documentación ión sobre sobre redes redes reales, reales, para comproba comprobar r cómo evolucio evoluciona na la tensión, tensión, sin perd perder er de vist vista a en ning ningún ún mome moment nto o cóm cómo se ve afec afecta tada da la inte intens nsid idad ad cuan cuando do se produceuncortocircuitoconlascaract produceuncortocircuitoconlascaracterísticasantescom erísticasantescomentadas. entadas. El objetivo del proyecto es solamente la observación, el estudio de estas sobretensiones,sintomarningunadecisiónalrespecto;esdecir,nuestroobjetivoes conocer conocer qué es lo que suced sucede e en las línea líneas s del sistem sistema, a, no la toma toma de decisi decisione ones s posterioraestosconocimientosparalaeleccióndelrégimendeneutro,proteccióny/o extincióndeldefectodeformamáseficienteyeficaz.


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2 INTRODUCCIÓN 2.1 ¿E S IMPORTANTE CONOCER LAS SOBRETENSIONES? Las sobre bretensi nsiones tiene enen un papel import ortante en la vida de los equipos e insta instala laci cion ones es eléc eléctr tric icas as. . Sus Sus efecto efectos s pued pueden en ir desd desde e una una simp simple le inte interr rrup upci ción ón del del trabajoqueesténrealizandoaladestruccióntotaldelequipooinstalación.Lostres nivelesque nivelesque podemosdistin podemosdistinguirson:disrupci guirson:disrupción(interr ón(interrupci upciones,corr ones,corrupció upciónde nde laonda eléctr eléctrica ica…) …), , degra degradaci dación ón (reduc (reducció ción n de la vida vida útil útil de los equipos equipos y/o aument aumento o dela posibilidaddeunmalfuncionamientodelosequipos)ydaños(destruccióndeequipos, instalaciones,incendios,etc.Loqueo instalaciones,incendios,etc.Loqueobligaríaalarepar bligaríaalareparación/sustitucióninm ación/sustitucióninmediata). ediata). Todosestosefectosconllevanpérdidaseconómicasporlareposiciónd Todosestosefectosconllevanpérdidaseconómi casporlareposicióndeloselementos eloselementos dañados,asícomoelcosteindirectodelaru dañados,asícomoelcosteindirectodelarupturadelosproces pturadelosprocesosalimentados. osalimentados.

2.2 ¿P OR QUÉ PONER EL NEUTRO A TIERRA? Existenvariasrazonespararealizarp Existenvariasrazone spararealizarpuestaatierradeln uestaatierradelneutroenunainstal eutroenunainstalación: ación: 









Selecc eccionar la selecti ectiv vidad dad y sensibilidad de los relés de protecc ección de cortocircuitosatierra. Evitar Evitar la ferros ferrosona onanci ncia: a: los transf transform ormado adore res s de tensió tensión n en una una red red con con neutr neutro o aisladopueden,bajodeterminadascircunstancias,estarsujetosasobretensiones elevadasdebidoaestefenómeno,alentrarenoscilaciónsureactancia(nolineal) conlacapacidadparásitaatierradelared. Redu Reduci cir r las las corr corrie ient ntes es tran transi sito tori rias as de falt falta a a tier tierra ra: : siem siempr pre e que no sea sea una cone conexi xión ón rígi rígida da, , la cone conexi xión ón del sist sistem ema a a tier tierra ra a trav través és de una una imped impedanc anciia permitecontrolarylimitarlascorrientesdec permitecontrolarylimitarlascorrientesdecortocircuitoencas ortocircuitoencasodefaltasatierra. odefaltasatierra. Redu Reduci cir r las las sobr sobrete etens nsio iones nes: : la pues puesta ta a tier tierra ra permi permite te cont contro rola lar r y redu reduci cir r las las sobretensionesenlared. Seguridaddelaspersonasantec Seguridaddelaspersonasantecontactosdirectosei ontactosdirectoseindirectos. ndirectos.

Todas Todas estas estas consid consider eraci acione ones s tienen tienen reper repercu cusió sión n en el sistem sistema, a, tanto tanto en su coste, coste, diseñoydisposiciónfísica,continuidadd diseñoydisposiciónfísica,continuidaddelservicio. elservicio.

2.3 ¿P OR QUÉ HAY DISTINTOS REGÍMENES DE NEUTRO ? Las Las cons consid ider erac aciiones ones expu expues esta tas s pued pueden en ser ser abor aborda dadas das y/o y/o prio priori riza zada das s de dist distin inta ta form forma, a, por por lo que que no hay hay una una resp respues uesta ta únic única a y senc sencil illa la al prob proble lema ma de pone poner r el sistem sistema a a tierra tierra. . Al habers haberse e estudi estudiad ado o desdelos desdelos comien comienzos zos dela explotac explotació ión n de la electricidad,cadaempresadedistribucióneléctricaadoptóunasoluciónatendiendoa sus propias propias prioridad prioridades. es. Ninguna Ninguna de las solucio soluciones nes es perfecta: perfecta: todas todas tienen tienen alguna alguna característicaexcepcional,peroacostadesacrificarotrasigualdeimportantes.Espor ello ello que que ning ningun una a de las las soluc solucio iones nes se ha impu impues esto to hast hasta a ahor ahora a a las las demás demás en el mercadointernacional.


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3 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN Lossistemassepuedenclasi Lossistemassepuedenclasificar ficaren en“con “conectad ectadosatierra”yen osatierra”yen “sinconexión “sinconexióna a tierra” tierra” másadelanteveremoslasconsecu másadelanteveremoslasconsecuenciasqueconll enciasqueconllevacadatipodesistema evacadatipodesistema. .

3.1 SISTEMAS SIN CONEXIÓN A TIERRA Estos Estos sistem sistemas as tienen tienen el devana devanado do secun secundar dario io del trans transfor forma mador dor de la estaci estación ón de distribución,seanestrellaotriángulolaconfigur distribución,seanestrellaotriángulolaconfiguracióndesusdevan acióndesusdevanadosmáscomun adosmáscomunes, es, sin conex conexión ión a tierra tierra. . Los hilosde hilosde distri distribuc bució ión n son tres tres encaso trifási trifásicoy coy dos enel monofásico,estandolospararrayosc monofásico,estandolospararrayosconectadosdi onectadosdirectamentedeunaf rectamentedeunafasealatierra. asealatierra.

Gráfico 1: sistema aislado

3.2 SISTEMAS CON CONEXIÓN A TIERRA Suelen Suelen ser sistem sistemas as con con devana devanado do secu secunda ndari rio o del transf transform ormado ador r en estrell estrella, a, cuyo cuyo puntoneutroesconec puntoneutroesconectadoatierra tadoatierra,seadeformarígi ,seadeformarígida,atravésdeunabobi da,atravésdeunabobinauotro nauotro elemen elemento to que asegu asegure re la conexi conexión ón const constant ante e (inin (ininter terrum rumpid pida) a) a tierra tierra. . Tambié También n se puede puede hacer hacer un sistem sistema a a tierra tierra usando usando un transf transform ormado ador r secund secundari ario o para para este este fin. fin. Dependiendodeloquehagamo Dependiendodeloquehagamosconelneutro,tendr sconelneutro,tendremoslossiguie emoslossiguientessubtipos: ntessubtipos:

3.2.1 TRES CABLES CON ÚNICA CONEXIÓN A TIERRA Sonsistemasenlosquenosellevaunconductordeneutroconelrestodelcircuito, peroelsistemaestápuestoatierraenca peroelsistemaestáp uestoatierraencadasubestaciónatrav dasubestaciónatravésdeltransforma ésdeltransformador. dor.

Gráfico 2: sistema de tres cables con única conexión a tierra


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3.2.2 CUATRO CABLES CON MÚLTIPLES CONEXIONES A TIERRA Sonsistemasenelqueelconductordeneutrovaconelrestodelcircuitoyademás estáconectadaatierracadaciertadistancia.Tresconexionesporkilómetrosueleser habitual.

Gráfico 3: sistema de cuatro cables y múltiples conexiones a tierra

3.2.3 CUATRO CABLES CON ÚNICA CONEXIÓN A TIERRA Sonsistemasen los que elcablede neutroestá aislado salvoen unúnicopunto,el transformadordecadasubestación,dondeéstevaconectadoatierra.

Gráfico 4: sistema de cuatro cables y única conexión a tierra

En resumen, en virtud de los datos expuestos podemos realizar la Tabla 1, que muestra la influencia del sistema de distribución en las sobretensiones en cortocircuitos:

Tabla 1: influencia del sistema de distribución sobre las sobretensiones

Sistema

Magnituddelasobretensión sobrelatensiónfase-tierra nominaldelsistema,ELG

Sin conexión a tierra

1,82

Cuatro cables con múltiple conexión a tierra

1,5

Tres o cuatro cables con única conexión a tierra

1,4


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3.2.4 TRANSFORMADORES DE PUESTA A TIERRA Dependiendodenuestrasnecesidades,esposiblerealizarunareddedistribuciónsin conexiónatierraperohaberuncircuitoenparticularenelquequeremostenernuestro cable de neutro, o vernos en la necesidad de conseguir un punto neutro cuando el devanadosecundariodeltransformadoresentriánguloyasípoderrealizarunapuesta atierra. Paraelloseutilizanestostransformadoresauxiliaresquedebenserconectadosconel devanado en zig-zag o estrella (a tierra)-triángulo, como vemos en los Gráfico 6 y Gráfico5respectivamente. Aunquealarednoafectaelusodeunouotro,eltransformadorYNdpermitealimentar servicios auxiliares en el devanado secundario y el transformador en zigzag por su construcción,soportamejorintensidadesdedefectomayoresde100A.

Gráfico 5: puesta a tierra del neutro de una red con un transformador de acoplamiento estrella-triángulo asociado a una resistencia colocada en el lado de AT


Gráfico 6: puesta a tierra del neutro de una red con bobina en zig zag

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4 TIPOLOGÍA DE SOBRETENSIONES Lasprincipalescaracterísticasporlasquesepuedenclasificarlassobretensionesson:  

Suduración:autoextinguible,transitorio,temporal,permanente. Suorigen:factoresmecánicos(roturas,conexiónaccidentalentreconductores, etc), sobretensiones por operaciones de maniobra, deslastre de cargas, de origenatmosférico,degradacióndelaislamiento,etc.

4.1 CLASIFICACIÓN POR SU DURACIÓN Eslamásinteresante,yaquecadafenómenotieneunordendemagnituddistinto.En elGráfico7vemossuclasificaciónyenlaTabla2lascaracterísticasdecadauna.

Gráfico 7: clasificación de cortocircuitos por duración y tensiones alcanzadas

4.1.1 SOBRETENSIONES DE FRENTE MUY RÁPIDO (VERY FAST FRONT OVERVOLTAGE ) Eslademenorduración,nollegandoalcentenardenanosegundos.Sufrecuenciaes muyalta,llegandoalcentenardemegahercios.Sonimportantesenlaprotecciónfrente acontactosen altatensióny arcoseléctricos internosenla aparamentaencapsulada engas, provocadospor unpredisparo de estos, seguidode un reenganchede un interruptordeSF6.Normalmentepuedenserevitados conuncontrol sencillo,perose sueleestudiarporsihubieraunmalfuncionamientodelosrelés.

4.1.2 SOBRETENSIONES DE FRENTE RÁPIDO (F AST FRONT OVERVOLTAGE ) Sonproducidosensumayoríaporlacaídaderayos.Suimportanciaesmuchomayor queotrostiposdesobretensiones:soncríticosparatodoslosnivelesdetensiónyes esencial suavizarsusefectos con elementos de protección, sobre todo pararrayos y cadenasdeaisladores.Laamplituddelasobretensiónpuedesermayorde6p.u.,lo queconviertealasFFOenlasmáspeligrosas,aunqueporsuerte,noeselcasomás probable.Suduraciónesdevariosmicrosegundosynotienenaturalezasenoidal.


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4.1.3 SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO (SLOW FRONT OVERVOLTAGE ) Delordendelosmilisegundosyunaamplituddesobretensiónde4p.u.,jueganunrol importanteenladeterminacióndelaenergíaquetienenquesercapazdedisiparlos pararrayosylatensiónquedebensercapacesdesoportar,tantolosequiposcomolos pararrayosantesdequesealcancelatensióndisruptivadelaireenlastorresdelas líneasdedistribución.Notienenaturalezasenoidal. Sonproducidas,enordendecrecientedeimportancia,porreenergizacióndeunalínea, energización de una línea, caída de una línea, eliminación de una falta, entrada de cargascapacitivasysalidadecargasinductivasdelsistema.

4.1.4 SOBRETENSIONES TEMPORALES (TEMPORARY O VERVOLTAGE ) De naturaleza senoidal, con frecuencias cercanas a la nominal del sistema, son de granimportanciaparadeterminarelesfuerzoalqueestánsometidoslosequipos,en particular en la capacidad de los pararrayos de disipar energía. Las sobretensiones TOVpueden generaresfuerzosaltosentransformadoresy enbobinasenderivación. Suduraciónesdelordendesegundosysuamplitudhasta2p.u. Puedenserprovocadaspormuydistintascausas,comoporejemplo:desconexiónde cargas, energización de un transformador, líneas paralelas en resonancia, despejar unafaltamonofásica,caídadeunalínea,intensidadquepasadeuncarácterinductivo acapacitivo,etc. Tabla 2: formas de onda de las sobretensiones respecto al tiempo


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5 TIPOLOGÍA DE LOS CORTOCIRCUITOS Comoapunté,merecelapenadistinguirentrelostiposdecortocircuitosquepueden aparecerennuestraredysuscaracterísticasbásicas.

5.1 CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO SIMÉTRICO Es el defecto que se produce cuando las tres fases se unen accidentalmente. Se consideraquetienelacorrientededefectomásalta,yaquesóloestálimitadaporla impedancia de fase bajo la tensión simple. El cálculo en una red del Icc3 es indispensableparaelegirlosmaterialesdelainstalación. Seproducen,deorigen,soloenel5%deloscasosdecortocircuito. Normalmenteaparecederivadodealgunodelossiguientescasos.

5.2 CORTOCIRCUITO BIFÁSICO Correspondeaundefectoentredosfases,alimentadoporlatensióncompuestaU n. Sedaenun15%deloscasos.Sueledegenerarenuncortocircuitotrifásico.

5.3 CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO AISLADO Correspondeaundefectoentreunafaseyelneutro,cuandoesteformapartedela distribuciónyestáalimentadoporlatensiónsimple. Enalgunoscasosconcretoscomoporejemplo,conuntransformadorestrella-zigzago unalternadorenrégimensubtransitorio,laintensidadpuedellegarasermayorqueen undefectotrifásico.

5.4 CORTOCIRCUITOS A TIERRA EnestosdefectoscobraimportancialaimpedanciahomopolarZ0quereduciráelvalor de la intensidad de cortocircuito Icch (salvo que haya máquinas rotativas, que disminuyendrásticamenteelvalordelaimpedancia).Elvalordelassobretensiones estaráíntimamenterelacionadoconelrégimendeneutrodelared.

5.4.1 CORTOCIRCUITO BIFÁSICO A TIERRA Esundefectoqueapareceenescasasocasiones,mayoritariamenteesundefectoque seproducecomoevolucióndeotrocortocircuitoprevio.Consisteenlauniónaccidental deunpardeconductoresatierra.

5.4.2 CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO A TIERRA El80%delasvecesqueseproduceuncortocircuito,seráunomonofásicoatierra.Es por lo que su estudio prevalece sobre los demás tipos de cortocircuito. Un buen conocimientoyextincióndeestetiponosllevaráatenerbajocontrollamayoríadelos cortocircuitosqueacontezcandurantelavidadelainstalación.


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6 CONSIDERACIONES TEÓRICAS PREVIAS Antesde entraren lascuestionesprácticas,presentaremosvariosconceptosque nos serviránparaconocercomodebuenaesnuestrainstalaciónatierra. Laefectividaddelapuestaatierraseráclasificadaenfuncióndelresultadodelaratio delosparámetrosdelascomponentessimétricasdelcircuitosimplificadodeunafalta fase-tierra:X1reactanciadesecuenciapositiva,X 2reactanciadesecuencianegativay X0reactanciadesecuenciahomopolarylasrespectivasresistenciasR1,R2yR0.

6.1 COEFICIENTE DE PUESTA A TIERRA (COG, COEFFICIENT OF GROUNDING) Se define como el ratio ELG/ELL a la relación entre la mayor tensión defase ( ine- round )deunafasesanaduranteelfallofase-tierraylatensióndelínea( ine- ine ) quesetendríaenelpuntodefaltasiestanoexistiera.Seexpresaenporcentaje.1

6.2 FACTOR DE FALLO A TIERRA (EFF, EARTH FAULT FACTOR ) Sedefinecomoelratioentrelamayortensióndefasedeunafasesanaduranteelfallo fase-tierraylatensiónde fasequesetendríaenelpuntodefaltasiesta noexistiera. Porlotantoestáíntimamenterelacionadaconelcoeficientedepuestaatierra,siendo:

 √  =

3

EstaexpresiónesmásusadaenlaactualidadqueelCOGparadefinirlaefectividadde lapuestaatierra,enparteporserlarelacióndirectaentretensionesdefase,ladeuna fasesanaduranteelfallofase-tierrayladefasenominal. Conestoscoeficientesyapodemosdefinirlaefectividaddelaspuestasatierra.

6.3 PUESTA A TIERRA EFECTIVA Unapuestaatierraseráefectivacuandoelcoeficientedepuestaatierranoexcedael 80 %. Este valor se obtiene aproximadamente sean cual sean las condiciones del sistema,cuandoelratioX 0/X1espositivoymenordetresyelratioR0/X1espositivoy menorqueuno.

 1

SiquieresabercalcularteóricamenteelCOG, consultarelApéndiceAdeIEEEC62.92-1987,[2]


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6.4 PUESTA A TIERRA NO EFECTIVA Unapuestaatierranoseráefectivacuandoelcoeficientedepuestaatierraexcedeel 80%.EstevalorseobtienecuandoelratioX0/X1esnegativoopositivomayorquetres yelratioR0/X1espositivoymayorqueuno. EnlaTabla3vemoselrangodevalorestípicosparalostiposdepuestaatierraapartir delasdefinicionesqueacabamosdedescribir. Tabla 3: características de las puestas a tierra

Esta tabla podemos reinterpretarla respecto a la relación de las componentes simétricas, manteniendo fija para cada gráfica el coeficiente depuesta a tierra, que aproximadamentepodemostomarcomoR1/X1,variandoX0/X1yR0/X1 Fijándonos del Gráfico 8 al Gráfico 12, podremos ver que, cuanto mayor sea el coeficientedepuestaatierraR 1/X1,esdecir,comparandoentrelasdistintasgráficas, laprobabilidaddequeunpuntodelagráficadefinidocomolaintersecciónentre“X0/X1” y“R0/X1” nosdé una corriente de cortocircuito alta se reduce, ya que la zonade la gráficaenlaquelapuestaatierraseconsideraefectivaaumentaconsiderablemente.


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Gráfico 8: Características puestas a tierra con R 1 /X 1=0

Gráfico 9: Características puestas a tierra con R 1 /X 1=0,2


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Gráfico 10: Características puestas a tierra con R 1 /X 1=0,5



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7 R EGÍMENES DE NEUTRO Eltransformadordepotenciadenuestrareddedistribuciónpodráestarconectadoa tierradelassiguientesmaneras:

7.1 NEUTRO AISLADO Es un circuito en el cual intencionadamente no existe ninguna conexión a tierra, exceptuandoaparatosdemedidadepotencialeléctricoyotrosaparatosdemuyalta impedanciaeléctrica. Sin embargo, estos circuitos están conectados a tierra a través de la admitancia capacitiva distribuida de sus conductores, ya que se generan corrientes parásitas, comovemosenelGráfico13. Tienelaventajadepermitirlacontinuidaddeservicioaunhallándoseunaprimerafalta, perocomodesventajaseelevaelriesgodealtassobretensionesyladifícilprotección eintercepcióndelfallo,quepuededesembocarenfallosmáscatastróficos.

Gráfico 13: régimen de neutro aislado

7.2 NEUTRO CONECTADO A TIERRA El régimende neutro puesto a tierra, en contraposición al régimen aislado, obliga a desconectar el sistema al primer fallo, pero como ventajas amortigua las sobretensioneseintensidadesdecortocircuitoylaprotecciónydeteccióndelosfallos enlaredesmuchomássencilla.

7.2.1 NEUTRO RÍGIDO A TIERRA Elcircuito seconectadirectamente atierrasinunaimpedanciaintermedia.El término implicaunaconexiónidealcomovemosenelGráfico14;estasoluciónnosepuede tomar encuenta comotal, dada la imposibilidad prácticade realizar la conexión sin impedancia,yaquesistemadepuestaatierratieneunaresistencialigadaasupropia naturalezametálica. Estopuedellevaraconfusiónyaqueaunqueseconecteelneutrodeltransformador rígidamenteatierra,laX 0resultantepodríasermuyaltadebidaalascaracterísticasde


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la red y/o del transformador; por ello, también entraría en juego el concepto de efectividaddelapuestaatierra. NoseutilizaenredesdeMediaTensión

Gráfico 14: régimen de neutro rígido a tierra

7.2.2 NEUTRO IMPEDANTE El neutro del circuito se conecta a través de una impedancia, la cual dependiendo de sus características provoca distintos efectos sobre los valores del cortocircuito. 7.2.2.1 N EUT RO A TIE RRA A TR AVÉ S DE RESISTENCI A El elemento de conexióna tierra es una resistencia, como vemos en el Gráfico 15; principalmente podemos distinguir entre los de baja y alta resistencia. Se puede colocar directamente en la conexión a tierra, o de forma indirecta a través del secundariodeuntransformadorauxiliarcomovimosenelepígrafe3.2.4 En este caso, la impedancia homopolar equivalente vista desde el punto de fallo, seguirá teniendo el carácter inductivo o capacitivo previo de la red, más o menos atenuadodependiendodelvalorportriplicadodelaresistenciadelapuestaatierra.

Gráfico 15: régimen de neutro a tierra a través de resistencia


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7.2.2.2 N EUT RO A TIE RRA A TR AVÉ S DE UN A IN DU CTANC IA El elemento de conexión a tierra es una inductancia, mostrado en el Gráfico 16; principalmente podemos distinguir entre baja y alta inductancia. La inductancia se puedecolocardirectamenteenlaconexiónatierra,odeformaindirectaatravésdel circuito de retorno a tierra (no mostrado en el gráfico). Esto último puede hacerse aumentandolaX0delosaparatosconectadosatierra.

Gráfico 16: régimen de neutro a tierra a través de inductancia

7.2.2.3 N EUT RO A TIE RRA A TR AVÉ S DE RE SISTENCI A E IN DU CTANC IA EN SER IE Enestetipodepuestaatierrasecombinanenserieunaresistenciayunainductancia. Conlaresistenciaseconsiguefácilmenteaumentarelvalordelmódulodeimpedancia a valores deseados y con la inductancia se aumenta el carácter inductivo de la impedanciahomopolarencasodecortocircuitomonofásicoatierra.

Gráfico 17: régimen de neutro a tierra a través de resistencia e inductancia en serie

7.2.2.4 N EUT RO A TIE RRA A TR AVÉ S DE UN A CAPAC ITANCI A El principal elemento de conexión a tierra es un condensador. Es muy raro de encontrar ya que sólo tiene utilidad en casos muy concretos y deben ser cuidadosamenteanalizadaslassobretensionesqueseprovocanencasodefalta.


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7.2.2.5 N EUT RO A TIE RRA A TR AVÉ S DE SI STE MA RES ON ANTE Su principio de funcionamiento se basa en una inductancia de valor variable sintonizableconlacapacitanciadelared.Sielsistemaresonante,tambiénllamado BobinaPetersen,estábiensintonizadoconlacapacitanciadelared,encasode una faltafase-tierra,lacorrienteinductivaquecirculaporlaBobinaPetersenserásimilara lacorrientecapacitivaquecirculaporlasfasessanas,loqueprovocarálareducción sustancial de sus efectos sobre el cortocircuito, al estar estas dos corrientes prácticamentedesfasadas180ºydemagnitudsimilar,porloquelacorrientecapacitiva delsistemaseverácompensadaconlacorrienteinductivageneradaporlareactancia. Para limitar la intensidad por la inductancia a valores admisibles, se coloca una resistenciaenparaleloaesta.EnelGráfico18vemosrepresentadalapuestaatierray lascapacitanciasdelalínea,conlascualessesintonizalaBobinaPetersen.

Gráfico 18: régimen de neutro a tierra a través de sistema resonante


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7.3 COMPARATIVA REGÍMENES DE NEUTRO Enlasiguientetablavaloramosagrandesrasgoslasventajaseinconvenientesdelos regímenesdeneutroexpuestosenelepígrafe. Tabla 4: resumen de ventajas e inconvenientes de los regímenes de neutro estudiados

Continuidaddeservicio frenteaunfallo



NeutroAislado Corrientesdedefectoatierra limitadas



Neutrorígidoa tierra

Sobretensioneselevadas



Difícildeteccióny localizacióndeunfallo 

Facilitaladeteccióndelas faltas

Altascorrientesde defecto



Limitalascorrientesde defecto (respectoneutrorígido)





Neutro impedante

Reducelassobretensiones (respectoalneutroaislado)



Neutro sintonizado (sistema resonante)


Requiereprotecciones mássensibles (respectoalrígidoatierra) 

Requiereprotecciones máscomplejas



Favorecelaautoextincióndel defecto



Latensiónhomopolar puedealcanzarvalores muyaltos 

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7.4 I NFLUENCIA DEL TRANSFORMADOR EN LA CORRIENTE HOMOPOLAR Hayquetenerencuentalaeleccióndelasconexionesdeltransformadorycuáldelos devanados se conecta a tierra, ya que provocará un cambio en el circuito de la secuenciahomopolar.Enla Tabla5 veremoscasosdeimportanciaprácticayteórica para comprender las implicaciones que tendría una conexión distinta de los transformadoresenlascorrientesdecortocircuitofase-tierra. A pesar de no encontrar en algunos esquemas conexión física a tierra, seguirá habiendo corriente homopolar causada por las corrientes parásitas, circulando una corrientededefectoatierra,aunestandolaredaisladadeesta.

Tabla 5: conexiones e impedancias homopolares de transformadores

Lacorrientehomopolar verálaimpedancia homopolarytodolo conectadoalpuntoB

Lacorrientehomopolar circularáentrelapuesta atierradeltransformador conlaimpedancia equivalenteresultantex3 yloquehayaconectado enelextremoBdel transformador

Laconfiguraciónimpide quecirculecorriente homopolar,sinembargo circularápordentrodel devanadotriangulardel transformador.Nilo conectadoenAnienB veráestacorriente.


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Enestaconfiguraciónno haycorrientehomopolar nienloscircuitos conectadosenA,nienB nidentrodel transformador

Lacorrientehomopolar circulalibrementea travésdeltransformador conectandoloscircuitos conectadosenAyenB

Elcircuitoconectadoen Atendrácorriente homopolaryveráala inductanciadeldevanado primario.Circulará corrienteeneldevanado secundario,peronose veráafectadoelcircuito conectadoenB


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8 DEFINICIÓN TEÓRICA DE LA RED EN ESTUDIO Laredqueestudiaremos,representadaenel Gráfico19,seráde20kV;alimentadaa través de un transformador YNd5 que conecta con la red de132 kV. Tendrá forma radial y de ella saldrán un distinto número de ramales aéreos y subterráneos. Normalmente una subestación tiene dos transformadores de potencia, pero en condicionesnormalesdefuncionamiento,cadatransformadoralimentaunconjuntode líneas distintas, por lo que no trabajan en paralelo y será obviado en el análisis. Además, aunque en redes de distribución a zonas urbanas la construcción sea mallada,suexplotaciónesradial,asíquetambiénloobviaremos. Para tener puesta a tierra en los 20 kV, ya que el devanado secundario del transformador en triángulo no nos lo permitiría, se instala un transformador con el devanadosecundarioenzigzag,alqueseconectarálapuestaatierraelegida.

Gráfico 19: esquema general de la red de media tensión


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8.1 RED Laredserádefinidadeformaequivalenteenelmodelocomounafuentedetensiónde 132 kV y la impedancia equivalente de red, que podemos calcular a partir de la potenciadecortocircuitodelsistemaSccsiendo:

  =

Enlacasuísticaqueabordaremos,lospuntosdefaltaestaránsiemprea20kV,porlo quereferiremosestaimpedanciaaestatensiónenloscálculosteóricos,noasíenel modeloPSCADquedebemosrecordarestaráreferenciadoa132kV.

 ≈

Alconsiderarselaredaguasarribadealtatensión,

2500 MVA

  Ω  ≈  −   →  

Loquenosdacomoresultado,laZQreferenciadoalpuntodefalta,

=

AestosnivelesdetensiónysiguiendolarecomendacióndeSchneider,

   − 



=

=

1

(

)

0,2

= 0,98

8.2 TRANSFORMADOR DE POTENCIA El transformador de potencia será de relación nominal 132/20 kV, con conexión Estrella-triánguloYNd5. Suscaracterísticasdeplacason:



Potenciaaparenteasignada:



Tensiónasignada:

= 40 MVA

= 132 kV



Tensióndecortocircuitoasignada:



= 20 kV

= 12,8



= 0,37

⁄ ≈      ∙    ∙   ∙ ∙  Ω      ∙    ∙   ∙ ∙  Ω    −  Ω  ≈    Ω 1

(



%)

Con estos datos ya podemos saber cuál será la resistencia y reactancia del transformador,tantolasecuenciadirectacomolahomopolar(referenciadosa20kV) =

=

=

100

=

100

=

12,8 (20 10 ) 100

40 10

0,37 (20 10 ) 100

40 10

= 1,28

= 0,037

= 1,279

Yaque


= 1,279

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Paraelcálculodelacorrientedecortocircuito,hayqueaplicarunfactordecorrección KTdeacuerdoconlanormativaUNE-EN60909-0[22]

 ∙   = 0,95

á

1 + 0,6

 ⁄ ⁄

Donde Cmáx está referida al lado de menor tensión del transformador y xT es la reactanciarelativadeltransformador: = ( )

 ∙   ⁄ ∙   ∙ ∙    ∙   ∙ =

1,279

(20 10 )

Porlotanto

40 10

= 0,1279 p.u. ,

= 0,95

,

,

= 0,97

Ylaimpedanciadeltransformadorcorregidaserá: =

 Ω

= ( 0,037 + 1,27 ) 0,97 = 0,03589 + 1,2319

8.3 TRANSFORMADOR DE PUESTA A TIERRA

Será un transformador ideal de relación de transformación 20/20 kV en el cual, el primarioestáconectadoenestrellayelsecundarioenzig-zag.EnelGráfico20vemos sudiagramadeconexiónylasrelacionesdetensionesycorrientequecirculanporel mismo.Suúnicocometidoenelestudioserágenerarunpuntoneutroenladistribución entriánguloparacolocarlapuestaatierra.

Gráfico 20: esquema del transformador zigzag


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8.4 LÍNEAS Estudiaremos varias tipologías distintas de líneas, tanto líneas aéreas como subterráneasdependiendodeltipodezonaaalimentar.Loscasosbásicosaestudiar vendránmarcadosporredesreales,lascualessonclasificadasporENDESA.2

ZONA RURAL DISPERSA Correspondenamunicipiosconmenosde200suministros,asícomolossuministros ubicados fuera de los núcleos de población que no sean polígonos industriales o residenciales.Lared,generalmenteseráaéreaconestructuraradial.Normalmenteno existiráapoyodeotraslíneas.

ZONA RURAL CONCENTRADA Sedefinencomotales,losmunicipiosconunnúmerodesuministrosentre200y2000. Paralaalimentacióndeestossuministros,laestructuradelaredserásimilaralade zonaruraldispersa,conlasalvedaddequepuedasersubterráneaenlasáreasmás céntricasdelapoblación.Enestasáreasenquelaredseasubterránea,laestructura serácomolaindicadaparazonaurbana.

ZONA SEMIURBANA Correspondenamunicipiosconunnúmerodesuministrosentre2000y20000.Lared será generalmente aérea, con posibilidad de otras alimentaciones de la misma subestación (a ser posible de diferente barra) o de otras subestaciones próximas. Podrásersubterráneaenelinteriordelnúcleo,encuyocaso,laestructuradelared serácomolaindicadaparazonaurbana

ZONA URBANA Sedefinencomotales,losmunicipiosconmásde20000suministrosylascapitales deprovincia.Engeneral,lasredesseránsubterráneas.

8.4.1 LINEAS AÉREAS 8.4.1.1

C ARACTERÍSTICAS GENERALES

3

Laslíneasaéreasdemediatensión,seestructuraránapartirdelasubestación.Las líneas principalesseránde secciónuniformeadecuadaa lascaracterísticasde carga delalínea;igualmentelasderivacionestendránlamismasecciónentodosurecorrido. En general las líneas se diseñarán para un solo circuito, si bien cuando por condiciones de explotación, trazado o impacto ambiental se requiera podrán ser de doblecircuito.  2

Normasparticularesycondicionestécnicasydeseguridad [20] ExtractodelasnormativasdeENDESA:GEAND001,GEAND009,GEAND010yNormas 2 Endesa, CapítuloV 3


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Los principales criterios que se aplicarán en el diseño de las líneas, serán los siguientes:Los conductores de las líneas principales serán de sección uniforme.Se usaránlostiposLA-180oLA-110,decargasmáximas418y313Arespectivamente, (VerTabla6)porelcriteriodecalentamientoparaquelatemperaturaenelconductor nosuperelos50ºCencondicionesnormalesdefuncionamiento. Se emplearán conductores de aluminio con alma de acero tipo LA. En zonas consideradas con nivel de contaminación muy alto, se emplearán conductores de aluminio con alma de acero recubierto de aluminio tipo “LARL”. En caso de contaminación excepcionalmente elevada, se estudiaría la conveniencia de emplear conductordecobre(C35,C50E,C95). LosapoyosqueseutilizaránenlaconstruccióndelaslíneasaéreasdeMTseránen generaldecelosía.Podránutilizarse,comoalternativa,apoyosdehormigónvibradoo dechapaplegada. LosarmadosqueseutilizaránenlaconstruccióndelaslíneasaéreasdeMTserán: semicrucetaatirantada,crucetabóveda,crucetatresbolillotipocanadiense. Disposicióny separaciónde conductores:segúncualseaeltipode armadoelegidoy el número de circuitos de la línea, los conductores adoptarán las siguientes disposiciones:triánguloomontajecero,tresbolillo,doblecircuito. Losapoyosmetálicosydehormigónarmadoestaránprovistosdesupuestaatierra, con objeto de limitar las tensiones de defecto a tierra que puedan producirse por descargasenelpropioapoyo.Estainstalacióndepuestaatierra,complementadacon los dispositivos de interrupciónde corriente en cabecera de línea, deberá facilitar la descarga a tierra de la intensidad homopolar de defecto, y contribuir, en caso de contactoconmasassusceptiblesdeponerseen tensión,aeliminarelriesgoeléctrico detensionespeligrosas. Las líneas se dimensionarán teniendo en cuenta su función en la estructura de explotaciónde laredylaaplicacióndelossiguientescriterios:elrégimenmáximode carga, la intensidad máxima admisible por el conductor y la caída de tensión de la línea.

Tabla 6: densidad de corriente e intensidad máxima de los conductores aéreos

Conductor

δ (A/mm2)

Sección (mm2)

Intensidad(A)

94-AL1/22-ST1A o LA 110

2,69

116,2

313

147-AL1/34-ST1A o LA 180

2,3

181,6

418

LaresistenciaRdelconductor,enΩ/km,varíaconlatemperaturaTdefuncionamiento delalínea.Seadoptaráaefectosdecálculoelvalorcorrespondientea50ºC,como vemosenlaTabla7.


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Tabla 7: resistencia de los conductores aéreos

Conductor

Resistencia a 50 ºC (Ω/km)

LA-110

0,3437

LA-180

0,2199

8.4.1.2 C ÁLC ULOS PARA LA LÍNEA AÉ REA ELE GIDA En primer lugar queremos conocer la intensidad que debería ir por una línea que transmitieratodalapotenciadeltransformador:

  ∙   √ ∙ √ ∙ ∙  =

=

3

40 10

3 20 10

= 1154,70 A

UnconductorLA-110soporta313AyunconductorLA-180soporta418A Atenordelosresultados,quedaclaroqueunareddemediatensióncontransformador de40MVAnoestarácompuestaúnicamenteporunalínea.Yaqueencasitodoslos ensayosusaremosunaúnicalínea,creemosconvenienteusarelcableLA-180alserel conductorconmenorresistenciaeléctricayquesoportamayorcarga.

8.4.1.3 D IS POS IC IÓ N GEOMÉTR IC A Dado que la inductancia y capacitancia de la línea depende en gran medida de la disposicióngeométrica,generaremosunadisposicióncoherenteconlosreglamentos. EstecablellevaasociadoaisladoresdevidrioU70BSZ,yparacumplirlalíneadefuga mínimaenzonasdecontaminaciónmedia,secolocaráunacadenadetresaisladores. Esto implica que el cable colgará aproximadamente a 0,5 m por debajo de la semicruceta. Definiremosladistanciamínimaquetienequehaberentrelosconductoresdefaseyal terreno4

 √    ∙  =

Siendo

+ +

D=Separaciónentreconductoresdefasedelmismocircuitoocircuitosdistintosen metros. K=Coeficientequedependedelaoscilacióndelosconductoresconelviento  4

ITC-LAT 07, punto 5


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K'=CoeficientequedependedelatensiónnominaldelalíneaK'=0,85paralíneasde categoríaespecialyK'=0,75paraelrestodelíneas. F=Flechamáximaenmetros L=Longitudenmetrosdelacadenadesuspensión. Dpp = Distancia mínima aérea especificada, para prevenir una descarga disruptiva entreconductoresdefasedurantesobretensionesdefrentelentoorápido Tomandocomovaloresorientativos,yaquenoserealizaráncálculosmecánicos: K = 0,6 ResultandoD

K’ = 0,75

≈

F = 2,5 m

L = 0,5 m

Dpp=0,25m

1,3 m

Distanciaalterrenodelosconductores:

  ≥ +

7 m

SiendoDaddyDeldefinidosenlastablas17y15delcitadodocumento4. Habiendo elegido una configuración al tresbolillo y unas semicrucetas de 1m de longitud respecto al eje central del apoyo, según normativa Endesa, calculamos la separacióndelosconductores. Parasimplificarloscálculosposterioresdetrasposición,hacemosqueloscablesde faseequidistenentreellos,generandountriánguloequilátero.Sabiendoquelaaltura deestetriánguloseráde2mporlassemicrucetas,calculamoselladodeltriángulo:

   60º =

2m



= 2,31 m

Teniendoencuentalasdimensionesdelassemicrucetasylaalturamínimaalaque debe estar el conductor más cercano al suelo, iteramos con los apoyos en celosía disponiblesysuscorrespondientescimentaciones,paradarnoscomocoherenteuna torrede14 mde alto.En elGráfico21y Gráfico22, vemoscomoquedan las líneas sobrelosapoyosdefinidos.


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Gráfico 21: alzado de la torre

Gráfico 22: vista en detalle de la cabeza de la torre


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Unavezqueconocemosladistribucióngeométricadeloscables,podemoscalcularla reactanciaycapacitanciadelaslíneas.

8.4.1.4 R ESI STE NC IA Y R EA CTANCI A

′    ′ 

SuresistencialaconocemosdelaTabla7,siendo

= 0,2199

Lareactancialacalculamosconlasiguienteecuación: =2

Siendo:

  ∙  ∙    ∙  d=

n



2

Ω

/kma50ºC

ln

distanciageométricaentreconductores

paraconductoressimplesn=1

= 4

a’

10

H/m

 ⁄ ∙

seráa,elradiodelconductorcuandoeshueco.Siesmacizo, =

Siesunconductortrenzado,a’/asiguelarelaciónmostradaenlaTabla8. Tabla 8: relación del radio equivalente entre conductor hueco y trenzados

1 3 7 19 37 61 91 127

0,7788 0,6780 0,7253 0,7570 0,7680 0,7720 0,7744 0,7750

6+1* 26+7 30+7 30+19 54+7 54+19

0,7681 0,8116 0,8260 0,8270 0,8085 0,8075

*6conductoresdeAly1deacero

Parausarestatablanecesitaremossaberlascaracterísticastécnicasdel147-AL1/34ST1A, también conocido como LA-180 (a partir de ahora LA-180 por sencillez al referenciarlo)quesedetallanenlaTabla9. Alestarlostrescablesdefaseequidistantes:d=2,31m Alseruncabledecomposición30-7,elcoeficientea’/a=0,8260


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Tabla 9: características técnicas del conductor 147-AL1/34-ST1A

Designación: Nueva

Sección mm2 Al

Anterior

147-AL1/34-ST1A LA 180



Equivalencia en cobre

Total

147,3

Composición

Diámetro mm

Alambres de Al

mm2

Acero

Total

Nº

Diámetro mm

93

7,50

17,5

30

2,50

181,6

5

Alambres de acero Diámetro Nº mm 7

2,50

∙ ⁄ →   ∙   ∙    Ω

Porlotanto = 0,8260 (17,5 2) = 7,2275 mm

= 0,0072275 m

Lareactanciadelíneaquedacomo: =2

50

4

10

2

ln

2,31

0,0072275

= 0,362

/km

Laimpedanciahomopolardebesercalculadaaparteporqueestáinfluenciadatanto porlaresistividaddelterrenocomoporelnúmerodecablesdeguardaquetengala línea. Como en las líneas que estudiaremos no hay cable de guarda, la ecuación quedacomosigue:

 ′     ∙ √′    ∙  =

+ 3

8

+

2

3 ln

Laprofundidadequivalentedepenetraciónentierraδdependedeltipodesuelo6 =

1,851

 Ω ∙

Siendoρla resistividaddelterreno, alacualledaremosunvalor = 100 referencia.Porlotanto,afrecuenciade50Hz:

   ∙  ∙    ∙  ∙  ∙  ∙  ∙  ′  Ω⁄ 1,851

=

100

4

10 100

mcomo

= 931 m

Ylaimpedanciahomopolarquedacomo:



= 0,2199 + 300

4

10

8

+ 50 4

= 0,22 + 1,493

10

3 ln

km

931

∙



0,0072275 2,31

 5

ExtractodelaTablaIdelaNormativaENDESAGEAND010 6Tabla2delanormaUNE-EN60909-3yexpresión(36)


Página 37


8.4.1.5 A DMITANCI A CAPAC ITIVA Lacapacidaddelalíneaeléctricaeslarelaciónentrelacargaeléctricaalmacenadaen el campo eléctrico y la diferencia de potencial entre cada conductor y el resto de conductoresdelalínea.

   ∙  =

…

SiendoQ ilacargaeléctricadelconductori.V jelpotencialatierradelconductorjyCij elcoeficientedecapacidadentreconductoresi-j

     ∙ 

Despejando el potencial a tierra y haciendo

=

que llamaremos coeficiente de

potencialentreconductoresi-j,obtenemos: =

…

Loscoeficientesanterioresdependendeladisposicióngeométricadelosconductores ylapermitividaddelmedio.Usandoelmétododelasimágenes(Gráfico23):

Gráfico 23: admitancia capacitiva, método de las imágenes

  Daniel Amat González

=

=

 ∙  ∙ 1

2

1 2

ln

ln

 

Página 38


Expresamoslasdistanciasentreconductoreseimágenesenfuncióndelaalturadelos conductoresrespectoalsuelo.

  ℎℎ⇒ ℎ ℎ  −ℎ − ℎ   ℎ ℎ  −ℎ − ℎ  ℎ ∙ℎ   ∙ ℎ   ∙  ℎ ∙ℎ = 2 =2

=

+

+

+

+

=

=

=

=

ε

1

2

1

ln

2

ln

1+

4

2

1+

4

 

Ahora, en virtud de los datos geométricos que tenemos y sabiendo que = lapermitividaddelvacíoes 0=8.8541×10-12 F/mylarelativadelaireεr=1,00058986

    ∙   ∙  ∙

∙ ∙ ∙ ⁄  ∙ ∙  ∙ ∙ ∙  ⁄  ∙ ∙  ∙ ∙ ∙  ⁄  ∙ ∙  ∙ ∙   ⁄ ∙   ∙   ∙ ∙ ∙   ⁄ ∙   ∙   ∙ ∙ ∙  ∙    ∙  ⁄ ∙        ∙  →    

=

=

=

=

=

=

2

2

2

2

1

8,8593 10 1

2

8,8593 10 1

2

8,8593 10

1

8,8593 10

1

8,8593 10

1

8,8593 10

ln

ln

2 8,59

0,00875

2 10,9

0,00875

= 140,495 10 km F

4 8,59 9,752

1+

ln

1+

ln

1+

136,21 = 37,33 38,31

= 136,216 10 km F

2 9,752 = 138,496 10 km F 0,00875

ln

=


ln



2,31

4 8,59 10,9 2,31

4 9,752 10,9 2,31

= 37,33 10 km F

= 38,31 10 km F

= 39,44 10 km F

=

37,33 138,49 39,44

=

38,31 39,44 140,49

10

km F

=

Página 39


− −  −− − − ∙ 8,32 1,73 = 1,78

1,73 8,21 1,83

1,78 1,83 8,12

nF km

Lacualseríalamatrizdeadmitanciasdefasesintransposiciónenlalínea. PararealizarlatrasposiciónnecesitamossurespectivamatrizR

      − −  −− − − ∙      ∗       0 = 1 0

0 0 1

1 0 0

0 = 0 1

=

=

1 3

8,215 1,782 1,782

=

         

[ +

+

1,782 8,215 1,782

1,782 1,782 8,215

1 0 0

0 0 0

]

nF

km

Quetieneunaestructuradeltipo,siendop principalym mutuo:

=

UsandoelteoremadeFortescue,tambiénconocidocomodecomponentessimétricas, llegaremos a la matriz de secuencias. Definimos en primer lugar la matriz de transformaciónT.

 

1 = 1 1

      ∙  ∙     1

1

=

1 2

+

=

DadalaEstructuraC*,elresultadoserá

=

+ 2

 √     −  3

2

=

=

Gráfico 24: capacitancias entre líneas y entre línea y tierra

 

4,651 = 0 0


0 9,997 0

∙

00 0 9,997

nF km

Página 40


Laadmitanciadelínea,desprecia Laadmitanciadelínea,despreciandolaconductanci ndolaconductanciaquedarácomo aquedarácomo

    − −   −− − −  ∙  μS  ∙  μS   =

=

2,5808 0,55 0,5598 98 0,5598

1,4612 0 = 0

=

0,5598 2,58 2,5808 08 0,55 0,5598 98

0 3,1407 0

0,5598 0,5598 2,58 2,5808 08

0 0 3,1407

km

km

Ω∙

ModelamoslalíneaenPSCADconunmodeloenfrecuencia,conlascaracterísticas geométricasvistasanteriormenteylaresist geométricasvistasan teriormenteylaresistenciadelsuelode enciadelsuelode100 m. Unavezdefinido,elprogramanosd Unavezdefinido,elprogramanosdevuelvelaTabla10 evuelvelaTabla10. .

Tabla 10: valores de la matriz de admitancia para la línea aérea generada por PSCAD

Podemosobservarquelasdiferenciasentreloscálc Podemosobservarquelasdiferenciasentreloscálculosanterioresylosrealizadosp ulosanterioresylosrealizadospor or PSCADsondeun1%oinferior,porloq PSCADsondeun1%oinferior,porloquevalidamoselm uevalidamoselmodelo. odelo.


Página 41


8.4.2 LINEAS SUBTERRÁNEAS 7

8.4.2.1 C ARACT ARA CT ERÍS ER ÍS TIC AS GENE GE NERAL RAL ES

Los Los cond conduct uctor ores es elegi elegido dos s son son de alum alumin inio io homo homogé géne neo, o, unipo unipola lare res s con con secc seccio ione nes s 2 2 normalizadasde150y240mm ,pudiendoemplearsecablede400mm enaquellos casosenqueseanecesario. Afindereforzarla Afin dereforzarla garantíadela calidaddeservicioeléctrico, enlaslíneas detensión nominal20kV,elconductorainstalarserá18/30kV.Laspantallasdeloscablesserán con conecta ectada das s a tier tierra ra en tod todos los los punt puntos os acce accesi sibl bles es a una una tom toma que que cump cumpla la las las con condici dicion ones es técn técnic icas as espe especi cifi fica cada das s en los los regl reglam amen ento tos s en vigo vigor. r. La resi resist sten enci cia a eléctr eléctrica ica de lapantall lapantalla a metáli metálicano cano debe debe supera superar r elvalorde 1,5872 1,5872 Ω/km a90ºC, temperaturadeservicio. Aislante: será Polietileno reticulado XLPE cuya temperatura de servicio es 90 ºC y capazdesoportar250ºCencorto capazdesoportar250ºCencortocircuitodurante circuitoduranteunmáximode5seg unmáximode5segundos. undos. Losconductor Losconductoresdeber esdeberánirsiempre ánirsiemprebajotubodepolie bajotubodepolietilen tilenode160mmode ode160mmode 200mm de diám diáme etro tro nom nominal. al. En circ circui uito tos s de una sola sola líne línea a con con cabl cables es unipo nipollares ares, , la disposiciónmásadecuadaencasodecablesunipolaresescolocarlos3conductores en triáng triángulo ulo (En contac contacto to mutuo mutuo de forma forma que sus centro centros s confi configur guren en un triáng triángulo ulo equilátero). AcontinuaciónpresentamosdelaTabla11alaTabla17unresumenconlosdatosdel AcontinuaciónpresentamosdelaTabla11alaTabla17unresume nconlosdatosdel cable cable comer comercia cial l de media media tensi tensión ón PRYSMI PRYSMIAN AN VOLTAL VOLTALEN ENE E 18/30 18/30 kV, kV, conduc conductor tor de aluminioapantal aluminioapantalladoconec ladoconectadoa tadoa tierraen tierraen losextremos,sin losextremos,sinarm armadur adura aycon yconcubi cubierta erta [37] XLPE

 7

Extrac Extracto to de las norma normativ tivas as de ENDESA ENDESA: : DND00 DND001, 1, DND02 DND021, 1, DMD00 DMD002 2 y Normas Normas Endesa Endesa,, 2 CapítuloV


Página 42


Tabla 12: Diámetro exterior del cable

Tabla 11: Diámetros del cable

Tabla 13: Reactancia del cable

Tabla 14: Resistencia del cable Tabla 15: Capacitancia del cable


Página 43


Tabla 17: Diámetro de la pantalla del cable

Tabla 16: Intensidad máxima admisible del cable

8.4.2.2 E LEC CI ÓN DEL CABLE Teniendoencuentalaintensidadnominalcalculadaenelepígrafe8.4.1.2,enel caso deunasolalíneasaliendodelasubestación,usaremosuncabledesección400mm 2, alser elmayor permitido enla norma, elcual soportauna intensidadde 415A. Los datosgeométricospresentadosenlastablasseránnecesariosparagenerarelmodelo enPSCAD.

8.4.2.3 D IS POS IC IÓ N GEOMÉTR IC A Lalíneaestaráformadapor unaternadecablesunipolares enterradosun metrobajo tubodediámetrointeriorcuatroveceseldiámetroexteriordeuncable.Ladisposición deloscablesseráentrébol,encontactoentreellos,formandosuscentrosuntriángulo equilátero.EstaconfiguraciónpodemosobservarlaenelGráfico25.


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Gráfico 25: Disposición geométrica de los cables

8.4.2.4 R ESI STE NC IA Y R EA CTANCI A Aunque el fabricante nos da unos valores medios aproximados de estos valores, realizaremosnuestropropiocálculoapartirdelasecuacionesdelaTabla18. Así, con los datos siguientes facilitados por del fabricante podremos calcularlos: resistencia del conductor R’ L, diámetro del conductor r L, diámetro de la pantalla r S , distanciaentreejes d (alestarentrébol,seráeldiámetrodelcable,2r L),laconstante depermeabilidadmagnéticadelvacíoµ 0,laresistenciaeléctricadelapantalla R’ Syla profundidadequivalentede penetración entierra δ ,queyacalculamosenelepígrafe 8.4.1.4 Tabla 18: Impedancia de secuencia directa y homopolar de los cables

Configuracióndel cable

8

Impedanciasdesecuenciadirectayhomopolar

Cablesincubierta metálicaopantalla

 8

Tabla7deUNE-EN60909-2:2010[5]


Página 45


Cableconcubierta metálica(pantalla)S puestaatierraen ambosextremos

Al ser nuestro cableapantallado,primero calcularemos Z’1yZ’0yacontinuaciónlas correccionesdelapantallametálica. ComovimosenlaTabla14,paralasecciónde400mm2la

′

=0,102Ω/km

  ∙ ′  ∙        ∙  ∙ ′   ∙     ′  Ω⁄   ∙      ∙  ∙ ∙    ∙    ∙   ∙  ∙  ∙    ∙   ∙ ′ ′ −  ∙  ∙   ∙  ∙  ∙    ′  Ω⁄ = 0,000102 +

100

= 0,000102 + 300

4

10

1

2

4

4

10

+

8

+ ln

0,0485

0,01155

4

100

10

2

4

100

=

+

0,0015872 +

300

4

10 2

1 4

= 0,2500 + 1,964

 Ω⁄ ∙  Ω⁄   ∙ 

= 0,1020 + 0,1058

+ 3 ln

931

0,01155 0,0485

km

0,0485 0,02023 = 0,1038 + 0,1059j 4 10 0,0485 100 ln 2 0,02023

10 8

=

0,0015872 + 300

ln

+

4

10 8

300

+

4

10 2

300

= 1,0341 + 0,7737

ln

km

931

km

0,02035 0,0485 4 10 931 ln 2 0,02035 0,0485 km

ComparamosconlaTabla13ylaTabla14,comprobandoquelosresultadosteóricos concuerdanconlosfacilitadosconelfabricante.


Página 46


8.4.2.5 A DMITANCI A CAPAC ITIVA Análogamente al cálculo de la admitancia capacitiva de la línea aérea se realiza la formulaciónparalíneasenterradas,conlasimplificacióndequeelcampoeléctricode cadacableestáconfinadoentreelconductorylapantallayal sercablesaislados,no existeacoplamientoentrefases.

                   ∙  →     ∙ ⎣⎦ ⎣        ⎦    ∙      ∙      ∙    ⁄  ∙   0

,

=

0 0

0 0

,

0 0

,

0 0

0 0

,

0 0

,

0

,

0 0

1

ln

2

0 0

0 0

,

,

=

0

,

2

,

,

0 0

0

,

;

,

=

,

=

1

ln

2

,

=

1

2

,

,

ln

,

2

2

SiendoHlaprofundidadalaquehasidoenterradalaterna, = 8,8541 10 F m y = 2,5lapermitividaddieléctrica delvacíoy larelativadel materialaislanteXLPE respectivamente y por último, rL’=0,01225 m el radio exterior del conductor, representadopord’enlaTabla11. Eliminamoslapantallas mediantelareduccióndeKron(yaqueestápuestaatierra)

 → ∗  −   ∙  ∙  −   ∗  ∙ ∙   → ∗ ∙  ∙  ∗  ∗  ∗            ∙  ∙    ∙ ∙  ∙ ∙   μF⁄ = 0

=

,

=

1

2

,

,

ln

Alserlostrescablesunipolaresiguales:

=

,

,

=

,

=

,

=

,

2

ln

,

=

yhaberdespreciadola

admitanciaconductivaG ,yapodemoshallarelvalordelaadmitancia: 0

=

0 0

0 0

0

=

Sustituyendo:

=

2

8,8541 10 0,02035 ln 0,01225

2,5

= 2,74 10

= 0,274

km

QuecoincideconlosdatosproporcionadosporelfabricanteenlaTabla15


Página 47


  =

   μS 

86,08 0 = 0

0 86,08 0

0 0 86,08

/km

ComparamostambiénconlosresultadosquearrojaPSCADalintroducirenelmodelo de cable enterrado los datos geométricos, resistividad y permitividad de conductor, pantallayaislante,arrojándonoselprogramalosdatosvistosenlaTabla19.

Tabla 19: Valores de la matriz de admitancia para la línea subterránea generada por PSCAD

Vemos que la diferencia entre los valores calculados a mano y los realizados por PSCADvaríanmenosdeun1%porloquevalidamoselmodelo.

8.5 CARGAS Lascondicionesmásseverasdecortocircuitoseproduciránconlaslíneasenvacío. Porcuestionesdemodeladoseimpondráunacargaequivalenteirrelevantealfinalde laslíneade1MW,loquesuponeun2.5%delaplenacargadeltransformador.

8.6 CONTINGENCIA EN LA RED ElfallotendráunascaracterísticasacordesalasNormasParticularesyCondiciones TécnicasydeSeguridaddeENDESA.[20] La duración máxima del fallo será de un segundo, la intensidad asignada de corta duraciónseráde16kA,eintensidaddedefectoatierraportransformadorsesituará entre300y1000Acomomáximo. Eldefectoseráenlafaseaypermanecerácomomonofásicoatierratodoeltiempo quedurelacontingencia.


Página 48


8.6.1 CÁLCULO TEÓRICO DE LA TENSIÓN E INTENSIDAD DE CORTOCIRCUITO Condicionesimpuestasporelfallofase-tierraenlafaseA:

                                   =

=0

=

Delascomponentessimétricasparalacorrienteylatensiónobtenemos: 1 1 = 1 3 1 =

=

1 1 = 1 3 1

+

+

1

= 3

1

=

1

=3

1 3

1

=3

=

Realizandolainterconexióndelassecuencias,comovemosenelGráfico26,hallamos laintensidaddecortocircuito:

Gráfico 26: Esquema del fallo fase-tierra

          ∙    =

=

=

+

+

+ 3

Delacualpodemosobtenerrápidamentelaintensidaddefase: =


3

+

+

+ 3

=

=0

Página 49


Lastensionesdesecuenciaseobtienende:

 − ∙      −  ∙  − ∙     ∙     −    −        −   −    =

=

=

Porlotanto,lastensionesdefasequedan: =

=

=

(

3

+

1) + +

(

1) + +

+ (

+

(

+

+ 3

)+3

+ 3

)+3

+ 3

EnelGráfico27hemosrepresentadoelesquemageneralizadoparalaredenestudio, teniendo en cuenta que “x” es el tanto por uno de la posición del fallo (cuyo punto denominamosAB)respectoaliniciodelalínea.

Gráfico 27: Esquema de secuencias de la red en fallo monofásico a tierra


Página 50


Esteesquemaseráválidoparacualquierfallomonofásicoatierraquesedeenla red enestudio.Ahora,realizaremosvariasoperacionesysimplificacionesparaadaptarel esquemaalassimulacionesquerealizaremosenlosepígrafes9.1.1y9.2.1



Lassimulacionesseharánsobreunasolalíneayeldefectoseproduciráalfinaldela línea, por lo que eliminaremos del esquema las líneas sanas y haremos = 1 . Además,incluimosya enelesquemaelmodeloenπdelalínea,enelqueyaseha despreciado la conductancia G que iría en paralelo con la capacitancia Yc . Esto lo hemosrepresentadoenelGráfico28.

   

A partir de este esquema ya estamos preparados para realizar la asociación de impedanciasyhallar Teniendo en cuenta que no hay máquinas rotativas de valores significativos conectadasalared,laimpedanciadesecuenciadirectaeinversadeloselementos quecomponenlaredserániguales, = .

 

Gráfico 28: esquema de secuencias de la red a simular

      →   =

//


+

2

Página 51


     →          →        →  =

+

//

2

=

=

+

//

2

=

//

+

2

EsinteresanteverenelGráfico29cómoquedaelesquemaenelcasoderégimende neutroaislado,enelquedesapareceelramalqueincluíalasimpedanciasdelapuesta atierrayeltransformadorzigzag.

Gráfico 29: esquema de la red a simular con régimen aislado


Página 52






Enestecaso,

ylaadmitancia



2estánenserie,yasuvezenparalelocon

2.Alserlaimpedanciacapacitivamuygrandeencomparaciónconlaimpedancia serie, esta puede ser despreciada, quedando la impedancia de la línea aproximadamenteigualalaimpedanciacapacitiva(Gráfico30).

Gráfico 30: Esquema en pi de una linea eléctrica

Realizamosparaestecasolaasociacióndeimpedancias:

 ≪  →         →              ∙ =

í

=

+

//

í

=

=

=

=

í

í

+

í

Introduciendo las expresiones de las impedancias en las ecuaciones del fallo obtendríamos directamente tanto las tensiones como las intensidades de fase y secuencia. Porsimplicidad,nosquedaremosconlasecuacionesdelcasoconrégimendeneutro aislado:

  ∙     ∙   − ∙   ∙     =

3

=

+ 2

+

+

í

=

3


í

+ 2

í

+

+

í

Página 53


 ∙     −  ∙   ∙ −   ∙   ⎝     ⎠  ∙         − ∙   ∙   ∙        ∙∙           ∙∙        −  ∙  −       ∙       −  ∙  −     ∙      í

=

=

+

1

3

í

í

+ 2

+

+

í

í

=

+

=

3

í

í

+ 2

+

+

í

Conocidaslasintensidadesytensionesdesecuencias,determinamoslasdefase: 3

=

3

í

+ 2

+

=

+

í

=0

3

=

3

(

1) +

=

3

(

+

+

1) +

+ 2

+

í

í

(

)+3

í

í

+ 2

=

3

í

+ 2

+

+

í

í

+

(

)+3

í

í

+

+

í

Envirtuddelastipologíasderedesvistasenelepígrafe8.4 ylosregímenesdeneutro vistosenelepígrafe7,estudiaremostresenconcreto:100%aérea,100%subterránea yredmixta. Aestos casos,selerealizaránvariacionesde laresistenciadefalta,puntodefaltaen lalínea (tanto por uno “x”),variacionesen lalongitud delas líneas (líneascortas de varioskilómetroshastalíneaslargasdemásdecienkilómetros)sustitucióndetramos aéreos por tramos de cable enterrado (ya que es la tendencia en zonas urbanas y semiurbanas),instantedelcortocircuito(distintospuntosdelperíododelaonda)yla resistividaddelterreno. Conestasvariaciones,analizaremossiestosparámetrostienenunarelaciónfuerteo débilconlosvaloresmáximosquealcanzalasobretensiónduranteelcortocircuito.


Página 54


9 SIMULACIONES 9.1 LINEA AÉREA Enesteepígraferealizaremoslosensayosenunaredcompuestaporunasubestación delaquesaleunaúnicalíneaaéreayseproduceundefectomonofásicoatierra.

9.1.1 PRIMER ENSAYO : RED FIJA, DISTINTAS PUESTAS A TIERRA Analizaremoslarespuestadelsistemacomparandolaformadeondadelastensiones enel puntode falloparalos distintos regímenesde neutro parauna red fija con las siguientescaracterísticas:  

  

Puntodedefecto:alfinaldelalínea Instanteenelqueseproduceeldefecto:alos0,3sde iniciarselasimulación. Lafasesanaseencuentraen1/6delperíodo Longituddelínea:20km Resistenciadefalta:5Ω Cargadelalínea:1MW

9.1.1.1 N EUT RO AISLADO

Gráfico 31: Esquema PSCAD de la red con línea aérea y neutro aislado

EnelGráfico32podemosobservarvariosfenómenosdeinterésqueapareceránen todaslassimulacionesyquedetallamosacontinuación: Enprimerlugar,unpicodetensiónmuyrápidodecarácternosenoidalqueseextingue rápidamente (del orden de la diezmilésima de segundo). En el epígrafe 9.5 lo analizaremosconmásdetenimiento.


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Gráfico 32: Forma de onda de la tensión. Línea aérea, neutro aislado

Ensegundolugar,lafaseenfaltacaeráanivelesmuybajosdetensión.Enelensayo delosepígrafes9.1.3y9.2.3,queversansobreladependenciadelasobretensióncon laresistenciadefalta,yaunquenoseanelobjetivodeestos,secompruebaqueesta caídadetensióndependeexclusivamentedela resistenciadefalta:esta serámayor, cuantomenorsealaresistencia.Enotraspalabras,paravaloresaltosderesistencia defalta,lacaídadetensiónenlafaseenlaqueseproduceeldefectoserámínima, manteniéndose cerca de los valores nominales, a la vez que se reducen las sobretensiones en las fases sanas y acercándose igualmente a valores nominales. Además,cuantomásnosalejemosdel puntodefalta, esdecir,nosacerquemosa la subestación, esta curva se parecerá más a la curva nominal que había antes de aparecerelfallo. Porúltimo,observamosquelacurvadetensiónenelpuntodedefecto,respectoala curvaenbarrasdelasubestación,sonidénticassalvoporunfactordeescala,loque implicaqueenvaloresunitariosambasgráficasseránidénticas;estosvaloresenp.u. sonlosquerealmentenosinteresanenestosensayos.Hayquetenerencuentaque estoocurrirásolocuandolaredestudiadacontengaunasolalínea. Esporestasrazonesqueapartirdeahoraysiemprequesecumplanlascondiciones enunciadas,lascurvasmostradasseránenelpuntode defecto.Entreotrasventajas, distinguiremosclaramentecuáles lafaseenlaqueocurreeldefectoycuálessonlas fasessanas. Analizando propiamente las curvas del Gráfico 32, Las sobretensiones en las fases sanas alcanzanun valor de 27,5 kV, mientras en la fase en falta la tensión cae en picadohastalos0,57kV.Lasobretensiónmáximaesde1,7p.u.Alnotenerpuestaa tierranopodemosmostrarlacorrientequecirculaporlapuestaatierra.Seobservaun claro desfase en las fases sanas reduciéndose esta, pasando a estar entre ellas solamentea60º


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Comparamoslosvaloresteóricoscalculadosconlasecuacionesvistasenel epígrafe 8.6.1conlosvaloresextraídosdelasimulación.

Teórico

Simulación

Ua=0,01kV

Ua=0’57kV

Ub=27,29kV

Ub=26’5kV

Uc=28,32kV Uc=27,5kV

9.1.1.2 N EUT RO RÍGI DO A TIERR A

Gráfico 33: Esquema PSCAD de la red con línea aérea y neutro rígido a tierra

Poniendo la red a tierraa través del transformador zigzag con la reactancia mínima que nos permite PSCADpara que esta sea lamáscercana posible alcaso ideal de puestatierrarígida,(0,005p.u.)obtenemoslasiguientecurvadetensiones. Cabe destacar del Gráfico 34 que en la curva de intensidad hay una pequeña componente unidireccional debida a la reactancia en zigzag que se extingue en un únicociclo. Las fases sanas se desfasan como en el caso anterior y pasan a estar a 60 º. La sobretensiónmáximaocurreenlafaseinicialmenteretrasada120ºylasobretensión máximaesde1,35p.u.


Página 57


Gráfico 34: Línea aérea, neutro rígido a tierra

Comparamoslosvaloresteóricoscalculadosconlasecuacionesvistasenel epígrafe 8.6.1conlosvaloresextraídosdelasimulación. Teórico

Simulación

Ua=4,34 kV

Ua=4,1 kV

Ub=21,86kV Ub=21,8kV Uc=17,56kV Uc=18,22kV Ia= 869.06A

Ia= 803 A

9.1.1.3 N EUT RO A TIER RA A TR AVÉ S DE RE SISTENCI A

Gráfico 35: Esquema PSCAD de la red con línea aérea y neutro a tierra a través de resistencia


Página 58


Lapuestaatierrasebasaenunaresistenciade20Ω,lacualserásuficienteeneste casoparalimitarlacorrientequecirculaporlapuestaatierrapordebajodelos500A.

Gráfico 36: Línea aérea, neutro a tierra a través de resistencia

Allimitarla intensidaddecortocircuito,se estánincrementandolastensionesrespecto alcaso depuestaa tierra rígida a cambio dereducir laintensidad que circulapor la puestaatierra.Lassobretensionesenlasfasessanasalcanzanvaloresde1,47p.u. (Gráfico36) Comparamoslosvaloresteóricoscalculadosconlasecuacionesvistasenel epígrafe 8.6.1conlosvaloresextraídosdelasimulación. Teórico

Simulación

Ua=2,39kV

Ua=2,65kV

Ub=22,35kV

Ub=21,5kV

Uc=24,20kV

Uc=23,77kV

Ia=478,28 A

Ia=445 A

Enelcasodequehubieramotoresconectadosdirectamentealareddemediatensión, la intensidad por la puesta a tierra tendríamos que limitarla entre 5 y 20 A como recomiendaSchneider [41]ensucuadernillotécnico,aumentandolaresistenciadela puestaatierra,loqueaumentaríasensiblementelassobretensiones.(Gráfico37) Este análisis seusa para obviar lainfluenciade los motoresde media tensión enla intensidad que circulará por la puesta a tierra, ya que aportarán intensidad al cortocircuito.


Página 59


Gráfico 37: Línea aérea, neutro a tierra a través de alta resistencia (limitadora de intensidad)

Laresistenciaatierraenelcasoconcretoquenosocupaseríadealmenosde750Ωy provocaría una sobretensión de 1,7 p.u. lo que nos lleva a una situación en sobretensionesmuysimilaralsistemaaislado,comovimosenelGráfico32.

9.1.1.4 N EUT RO A TIERRA A TR AVÉ S DE IN DUCT ANCI A

Gráfico 38: Esquema PSCAD de la red con línea aérea y neutro a tierra a través de inductancia

Enlapráctica,Schneiderconfiguraestapuestaatierralimitandolacorrienteatierraa un10%delacorrientededefectotrifásico.[41] Enelcircuitoenestudio,lacorrientede cortocircuitotrifásicoalcanza1,5kA,porloquelimitaremoslacorrienteatierraenel defectomonofásicoatierraa150A.Estoseconsigueconunainductanciade510mH.


Página 60


Gráfico 39: Línea aérea, neutro a tierra a través de inductancia

ComovemosenelGráfico39,laintensidadsemantienelimitadapordebajode150A. La colocación de la reactancia genera una componente unidireccional visible en la curvadeintensidad,queseextinguealospocosciclos(8-10ciclos).Enlacurvade tensionesvemoscomoeldesfasetemporalentrelasfasessanaspasaaserde60º. Lasobretensiónmáximaalcanzadaesde1.67p.u. Comparamoslosvaloresteóricoscalculadosconlasecuacionesvistasenel epígrafe 8.6.1conlosvaloresextraídosdelasimulación.

Teórico

Simulación

Ua=0,45kV

Ua=1,01kV

Ub=28,01kV Ub=26,85kV


Uc=27,15kV

Uc=26,96kV

Ia=89,96 A

Ia=86,30 A

Página 61


9.1.1.5 N EUT RO A TIE RRA A TR AVÉ S DE RE SISTENCI A E IN DU CTANC IA EN SER IE

Gráfico 40: Esquema PSCAD de la red con línea aérea y neutro a tierra a través de resistencia e inductancia en serie

 Ω  

Siguiendoelcriteriodemantenerlaintensidadporlapuestaatierrapordebajodelos 1000A,laimpedanciaacolocarseríaalmenos = 11,5 .Laconfiguracióntípicade estaimpedanciadepuestaatierraes = 3



 Ω

Despejando, = 11,05 + 3,68

Comolafrecuenciaes50Hz,lainductanciatendrá10,05mH.

Gráfico 41: Línea aérea, neutro a tierra a través de resistencia e inductancia en serie


Página 62


Observamos en el Gráfico 41 que presenta unas características similares a los regímenesdeneutroatravésderesistenciayatravésdereactancia.Tieneunasbajas sobretensionescomoelresistivo,devalorescasiidénticosparaambasfasescomoen elreactante.Lasobretensiónmáximaesde1,37p.u. Comparamoslosvaloresteóricoscalculadosconlasecuacionesvistasenel epígrafe 8.6.1conlosvaloresextraídosdelasimulación. Teórico

Simulación

Ua=2,83kV

Ua=2,76kV

Ub=22,27kV Ub=22,07kV Uc=22,14kV

Uc=22,08kV

Ia=565,67 A

Ia=498 A

9.1.1.6 N EUT RO A TIERRA A TR AVÉ S DE SI STE MA RES ON ANTE

Gráfico 42: Esquema PSCAD de la red con línea aérea y neutro a tierra a través de inductancia sintonizada

Lainductanciaacolocarserátalquelacorrientequegenereseasimilaralacorriente capacitiva de la línea, para que se compensen. Calculamos la inductancia cuya corrienteseríaidénticaalacorrientecapacitivadelsistema:

  ∙  ∙  ∙ ∙  ∙  ∙∙ ∙  ∙ ∙  ∙ =

=

í

1

3

= 20 10 =

í

1,478 10

20 = 0,59 A

1

3 100

1,478 10

20

= 35,87 H

El valor de la inductancia es muy grande, ya que la corriente capacitiva es muy pequeña.


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Introduciendoestainductanciacomopuestaa tierra,lo quesuponeunasintonización del100%,obtenemosunaintensidadporlapuestaa tierramáximade2,5A;unavez extinguidalacorrienteunidireccional,elmáximoesde1,25A.Estosedebeaquela impedanciaequivalenteesde11,268jkΩ

Gráfico 43: Línea aérea, neutro a tierra a través de inductancia sintonizada

Observamos en el Gráfico43 que el comportamiento delas curvas de tensiones es similaraunsistemaaislado,yaquelareactanciacolocadaesdemasiadogrande.El valormáximodesobretensiónesde1,7p.u. LabobinaPetersenconresistenciaenparalelonoarrojaresultadosrelevantes,yaque contodolodichohastaelmomento,lapuestaatierraresponderíadeformasimilara unaredresistiva. Comparamoslosvaloresteóricoscalculadosconlasecuacionesvistasenel epígrafe 8.6.1conlosvaloresextraídosdelasimulación.


Teórico

Simulación

Ua=0,0081kV

Ua=0,56kV

Ub=28,28kV

Ub=26,51kV

Uc=28,30kV

Uc=27,5kV

Ia=1,62 A

Ia=2,5 A

Página 64


9.1.2 SEGUNDO ENSAYO : DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA LONGITUD DE LA LÍNEA AÉREA Dejando los demás parámetros dela línea fijos, modificamos la longitud de la línea para conocer si es un parámetro importante para el valor de las sobretensiones. Comparamos en el Gráfico 44 las curvas generadas con cada régimen de neutro, teniendoencuentaquemantenemosfijoslosvaloresdelaresistenciayreactanciaen sus respectivos regímenes, exceptuando en el sistema resonante, en el cual mantenemosfijalasintonizacióndelabobinaconlacapacitanciadelared.       

Puntodedefecto:alfinaldelalínea Longituddelínea:1,3,5,10,15,20,30,50,100,150km. Resistenciadefalta:5Ω Resistenciapuestaatierra:20Ω Inductanciapuestaatierra:740mH Resistencia-inductanciaserie: = 11,05 + 3,68 BobinaPetersen:Variableentre681,15y4,54H(sintonización95%)



 Ω

Gráfico 44: línea aérea, dependencia con la longitud de la línea

Existeunaclaradependenciadelassobretensionesconlalongituddelalínea.Vemos quelapuestaatierraatravésdelaresistenciade20 Ωylapuestaatierraatravésde resistencia e inductancia en serie reducen las sobretensiones considerablemente al aumentarlalongituddelalíneahastalos50km.Cabedestacarqueambastendrían valoresmuysimilaressisuimpedanciaequivalentetuvieraelmismomódulo.Espor ello, que la sobretensión en el régimen de neutro con resistencia tiene una mayor sobretensión,yaquelimitamáslaintensidadquecirculaporlapuestaatierra. Enlosdemásregímeneslainfluenciaesmuchomenor,siendoundescensolinealy pocopronunciado.Enelcasoconcretodelapuestaatierrarígida,lassobretensiones crecenencortaslongitudesdelíneaparaluegoseguirlatendenciageneral.


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9.1.3 TERCER ENSAYO : DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA RESISTENCIA DE FALTA A TIERRA Dejandolosdemásparámetrosdelalíneafijos,modificamoslaresistenciadefalta. En el 73% de los casos, el circuito a tierra se cierra a través de algo con una resistenciaequivalentemenora100 Ω.Paracubrirel96%delacasuísticatotal [43], realizamoslosensayosconresistenciasdehasta1500Ω.       

Puntodedefecto:alfinaldelalínea Longituddelínea:20km Resistenciadefalta:0,5,10,20,40,75,100,200,500,800,1500Ω Resistenciapuestaatierra:20Ω Inductanciapuestaatierra:740mH Resistencia-inductanciaserie: = 11,05 + 3,68 BobinaPetersen:34.07H(sintonización95%)



 Ω

Gráfico 45: línea aérea, dependencia con la resistencia de falta

EnelGráfico45vemosqueelcomportamientoeshiperbólicoy similarparatodoslos tipos de puesta a tierra, siendo los regímenes rígido, con resistencia y resistenciainductancialosquemenoressobretensionespresentanparalaredestudiada. En los primeros 100 Ω vemos una caída muy rápida del valor de la sobretensión máxima, por lo que en un cortocircuito fortuito en una misma instalación, la sobretensiónmáximapuedevariarfácilmentedeun cortocircuitoaotrohasta0,2p.u. porlacasuísticacomentada.


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9.1.4 CUARTO ENSAYO : DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON EL PUNTO DE FALTA Dejando los demás parámetros de la líneafijos, modificamos el punto de falta. Con este ensayo nos planteamos en qué punto de la línea sería más crítico que se produjeralafaltaalgenerarnoslafaltamayoressobretensionessobrelalínea.       

Puntodedefecto:x=0,10,15,25,33,50,66,75,90,100%delalongitudtotal. Longituddelalínea:100km Resistenciadefalta:5Ω Resistenciapuestaatierra:20Ω Inductanciapuestaatierra:740mH Resistencia-inductanciaserie: = 11,05 + 3,68 BobinaPetersen:6.81H(sintonización95%)



 Ω

Gráfico 46: línea aérea, dependencia con el punto de falta

EnelGráfico46vemosquetantoconrégimendeneutroaisladocomoresonante,la dependencia es mínima. En los resistivos y reactantes vemos una dependencia ligeramenteparabólica,conundescensomáspronunciadoalprincipiodelalínea.Sin embargoenunsistemarígido,larespuestatieneuncomportamientocasilogarítmico; si el fallo se produce entre el principio y el 10% de la longitud total de la línea, la sobretensiónvaríasensiblementedesde1,05a1,3p.u.pasandoluegoaseguiruna tendenciacasihorizontal,manteniéndoseenvalorescercanosa1.35p.u. Como norma general, la red tendrá sobretensiones mayores si se produce el cortocircuitoalprincipiodelalíneaquealfinaldelamisma.


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9.1.5 QUINTO ENSAYO : DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO Estudiamosenestecasocomoafectaeltipodeterrenoenelqueestánasentadoslos postesdelalínea;talescomovegetal,arcilloso,arenosoorocosoycómoafectaalas sobretensionesdelared.Paraellomodificaremossuvalorenelmodeladodelalínea.        

Puntodedefecto:alfinaldelalínea Longituddelalínea:20km Resistenciadefalta:5Ω Resistenciapuestaatierra:20Ω Inductanciapuestaatierra:740mH Resistencia-inductanciaserie: = 11,05 + 3,68 BobinaPetersen:34.08H(sintonización95%) Resistividaddelterreno:5,10,50,100,200,1000,10000Ω m



 Ω



Gráfico 47: línea aérea, dependencia con la resistividad del terreno

EnelGráfico47,vemosenescalalogarítmica que ladependencia deltipodeterreno enlassobretensionesesinexistenteomuybaja,exceptoenlossistemasrígidosenlos quelasobretensiónseincrementalinealmentede1.3a1.4p.u.porloquepodemos afirmarqueengenerallassobretensionesnodependendeltipodeterrenosobreel queasientanlaslíneasaéreas,osuinfluenciaesdespreciable.


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9.2 LINEA SUBTERRÁNEA Enesteepígraferealizaremoslosensayosenunaredcompuestaporunasubestación de la que sale una única línea subterránea y se produce un defecto monofásico a tierra.

9.2.1 PRIMER ENSAYO : RED FIJA, DISTINTOS REGÍMENES DE NEUTRO Analizaremoslarespuestadelsistemacomparandolaformadeondadelastensiones enel puntode falloparalos distintosregímenesde neutro parauna red fija conlas siguientescaracterísticas:  

  

Puntodedefecto:alfinaldelalínea Instanteenelqueseproduceeldefecto:alos0,3sdeiniciarselasimulación Lafasesanaseencuentraen1/6delperíodo Longituddelínea:20km Resistenciadefalta:5Ω Cargadelalínea:1MW

9.2.1.1 N EUT RO AISLADO

Gráfico 48: Esquema PSCAD de la red con línea subterránea y neutro aislado.

Lasobretensiónmáximaenlasfasessanasalcanzaunvalorde25,8kV,mientrasen lafaseenfaltalatensióncaepordebajode1kV.Lasobretensiónmáximaesde1,65 p.u. (Gráfico49).Las fasessanas reducen el desfase entreellas a 60º. Alno tener puestaatierranopodemosmostrarlacorrientequecirculaporlapuestaatierra.

Gráfico 49: Curva de tensión. Línea subterránea y neutro aislado


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Simulación

Ua=0,43

Ua=0,63 kV

Ub=25,2kV Ub=23,92kV Uc=27,39kV

Uc=25,8kV

9.2.1.2 N EUT RO RÍGI DO A TIERR A RÍGIDA

Gráfico 50: Esquema PSCAD de la red con línea subterránea y neutro rígido a tierra.

PoniendolaredatierraatravésdeltransformadorZigzagconlareactanciamínima quenospermitePSCADparaqueestasealamáscercanaalcasoidealdepuesta tierrarígida,(0,005p.u.)obtenemoslasiguientecurvadetensiones.

Gráfico 51: Línea subterránea y neutro rígido a tierra


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ComovemosenelGráfico51,lascurvasdetensióndelasfasessanassemantienen muy cercanas a sus valores nominales, tanto en módulo como en fase. La sobretensión máxima obtenida en las fases sanas es de 1,005 p.u. siendo el caso estudiadoconlasmenoressobretensiones;sinembargo,lasintensidadessobrepasan los 600 A, un valor muy alto comparado con el resto de regímenes de neutros que veremosacontinuación. Comparamoslosvaloresteóricoscalculadosconlasecuacionesvistasenel epígrafe 8.6.1conlosvaloresextraídosdelasimulación. Teórico

Simulación

Ua=3,12kV

Ua=3,20kV

Ub=16,21kV Ub=15,68kV Uc=16,75kV

Uc=15,49kV

Ia=625,53 A

Ia=610 A

9.2.1.3 N EUT RO A TIERRA A TR AVÉ S DE RESISTENCI A

Gráfico 52: Esquema PSCAD de la red. Línea subterránea y neutro a tierra a través de resistencia.

Lapuesta a tierra consisteen una resistenciade 40 Ω que limitará la corrienteque circulaporlapuestaatierradenuestraredpordebajodelos300A. Allimitarla intensidaddecortocircuito,se estánincrementandolastensionesrespecto alcasodepuestaatierrarígida.Seproduceundesfaseperceptibleenlasfasessanas quepasanaestara60º,comovemosenelGráfico53.Lasobretensiónmáximaesde 1,5p.u.


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Gráfico 53:Línea subterránea y neutro a tierra a través de resistencia


Simulación

Ua=1,26kV

Ua=7,8kV

Ub=22,22kV

Ub=21,9kV

Uc=23,82kV Uc=23,4kV Ia=253,18A Ia=225,65A Enelcasodequehubieramotoresconectadosdirectamentealareddemediatensión, la intensidad por la puesta a tierra tendríamos que limitarla entre 5 y 20 A como recomiendaSchneider.[41]EnelGráfico54,laresistenciausadaesde850Ωyprovoca unasobretensiónde1,63p.u.loquenosllevaaunasituaciónensobretensionesmuy similaralsistemaaislado,comovimosenelGráfico49.

Gráfico 54: Línea subterránea y puesta a tierra a través de alta resistencia


Página 72


9.2.1.4 N EUT RO A TIERRA A TR AVÉ S DE IN DUCT ANCI A

Gráfico 55: Esquema PSCAD de la red con línea subterránea y neutro a tierra a través de inductancia.

Enlaprácticaselimitalacorrienteatierraaun10%delacorrientededefectotrifásico [41] Enelcircuitode estudio,lacorrientedecortocircuitotrifásicoalcanza740A,porlo quelimitaremoslacorrienteatierraeneldefectomonofásicoatierraa74A.Estose consigueconunainductanciade1H. La colocación de la reactancia genera una componente unidireccional visible en la curvadeintensidaddelGráfico56,queduraaproximadamentediezciclos.Enlacurva de tensiones vemos comoel desfase temporal entre las fases sanas pasaa ser de 60º.Lasobretensiónmáximaesde1,64p.u.

Gráfico 56: Línea subterránea y neutro a tierra a través de inductancia


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Simulación

Ua=0,16kV

Ua=0,598kV

Ub=27,89kV Ub=24,84kV Uc=28,74kV

Uc=25,66kV

Ia=32,25 A

Ia=43,7 A

9.2.1.5 N EUT RO A TIE RRA A TR AVÉ S DE RE SISTENCI A E IN DU CTANC IA EN SER IE

Gráfico 57: Esquema PSCAD de la red con línea aérea y neutro a tierra a través de resistencia e inductancia en serie

 Ω  

Siguiendoelcriteriodemantenerlaintensidadporlapuestaatierrapordebajodelos 1000A,laimpedanciaacolocarseríaalmenos = 11,5 .Laconfiguracióntípicade estaimpedanciadepuestaatierraes = 3



 Ω

Despejando, = 11,05 + 3,68

Comolafrecuenciaes50Hz,labobinatendrá10,05mH. Observamos que presenta características de los regímenes de neutro a través de resistenciayatravésdereactancia.Tieneunasbajassobretensionescomoelresistivo y de valores similares para ambas fases como en el reactante como vemos en el Gráfico58.Lasobretensiónmáximaesde1,2p.u.


Página 74


Gráfico 58: Línea subterránea y neutro a tierra a través de resistencia e inductancia en serie


Simulación

Ua=2,15kV

Ua=2,33kV

Ub=19,77kV Ub=18,93kV Uc=19,26kV

Uc=18,5kV

Ia=431,37A

Ia=418,9A

9.2.1.6 N EUT RO A TIERRA A TR AVÉ S DE SI STE MA RES ON ANTE

Gráfico 59: Esquema PSCAD de la red con línea subterránea y neutro a tierra a través de sistema resonante


Página 75


Lainductanciaacolocarserátalquelacorrientequegenereseasimilaralacorriente capacitiva de la línea para que se compensen. Calculamos la inductancia cuya corrienteseríaidénticaalacorrientecapacitivadelsistema:

  ∙  ∙  ∙ ∙  ∙  ∙  ∙  ∙  ∙ ∙  ∙ =

=

= 20 10

í

1

3

=

í

8,693 10

20 = 34,77 A

1

3 100

8,693 10

20

= 0,61 H

Introduciendo esta inductancia como puesta a tierra, sin la resistencia en paralelo mostradaenel Gráfico59porahora,supondríauna sintonizacióndel100%. Eneste caso la intensidad máxima por la puesta a tierra es de 114 A, la cual una vez extinguidalacomponenteunidireccional,quedaen71A(Gráfico60)

Gráfico 60: Curva de intensidad a través de la bobina sintonizada. Línea subterránea

La curva de tensión (Gráfico 61) tiene un aspecto similar a las anteriores: desfase entrelasfasessanasde60º,sobretensiónmáximade1,65p.u.

Gráfico 61: Línea subterránea, neutro a tierra a través de bobina sintonizada

Lainductanciaqueseutilizaenlapuestaatierra,estáorientadaaquecirculeporella una intensidad entre 6 y 60 A, por lo que realizaremos un divisor de intensidad colocando una resistencia en paralelo a la bobina de 12Ω, consiguiendo reducir la intensidadavaloresdentrodeunrangoaceptable,comoapreciamosenelGráfico62.


Página 76


Gráfico 62: Curva de intensidad a través de la bobina Petersen

Gráfico 63: Línea subterránea y puesta a tierra a través de bobina Petersen

A cambiodeaumentarla corrientetotal por lapuestaa tierra,sehan reducido hasta 1.19 p.u. la sobretensión máxima siendo una solución equilibrada entre corriente a tierracontroladaysobretensionesreducidas.(Gráfico63) Comparamoslosvaloresteóricoscalculadosconlasecuacionesvistasenel epígrafe 8.6.1conlosvaloresextraídosdelasimulación.

Teórico

Simulación

Ua=2,14kV

Ua=2,22kV

Ub=19,17kV Ub=18,16kV


Uc=19,97kV

Uc=18,68kV

Ia=428,95 A

Ia=396 A

Página 77


9.2.2 SEGUNDO ENSAYO : DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA LONGITUD DE LA LÍNEA ENTERRADA Dejandolosdemásparámetrosde lalíneafijos,modificamoslalongitudtotalde línea paraconocersi esteesun parámetroqueafectasensiblementealas sobretensiones enlíneasenterradas. Compararemos enel Gráfico65 lascurvasresultantes decada régimen de neutro, teniendo en cuenta que mantenemos fijos los valores de la resistencia y reactancia de puesta a tierra, exceptuando en el sistema resonante, dondemantenemosfijalasintonizacióndelabobinaconlacapacitanciadelared. Enlapreparacióndeesteensayo,comprobamosquelacaídadetensiónenelpunto de defecto encondiciones de funcionamiento al aumentar la longitud de la línea es muygrandeypocorealista,porloqueenesteensayo,limitaremoslalongitudmáxima de la líneaa 30kilómetros. Tambiénnos encontramos enestas condicionesque se produceunaresonanciaentrelainductanciadeltransformadorylacapacitanciadela líneaa50Hz,silalongituddelíneaespequeña(entre1y3kilómetros)yestatrabaja

 ≈ √ 

casienvacío(laresistenciaseadespreciable)yaquesecumple

.Parala

realización de este ensayo, aumentar la carga a 2 MW es suficiente para que la resonancia se aleje de los 50 Hz. En el Gráfico 64 vemos estos dos fenómenos a evitar,quesonindependientesdequeseproduzcaonounafaltaenlared.

Gráfico 64: Caída excesiva de tensión en línea de 100 km y resonancia en línea de 3 km


Página 78


      

Puntodedefecto:alfinaldelalínea Longituddelínea:1,3,5,7,10,12,15,20,25,30km. Resistenciadefalta:5Ω Resistenciapuestaatierra:40Ω Inductanciapuestaatierra:1070mH Resistencia-inductanciaserie:Z = 11,05 + j3,68 BobinaPetersen:Variableentre11,59y0,386H(sintonización95%)

Ω

Gráfico 65: línea subterránea, dependencia con la longitud de línea

Enelcasodelíneasubterránea,observamosenelGráfico65unarelaciónclaramente parabólica,cuyodescensoesmásacusadoencortaslongitudesdelínea,exceptoen régimendeneutroatierraatravésdereactancia,cuyodescensoesmásnotoriopara mayores longitudes. Referenciado desde el cero en el gráfico, podríamos decir que todassonparábolasconvexasexceptolapuestaatierraatravésdereactancia.Cabe destacar además, que comparado con este mismo ensayo en línea aérea (epígrafe 9.1.2),elrégimendeneutrorígidoatierraestavezsecomportadeigualformaalos demásregímenes.Losmejoresresultadosensobretensionesloshaalcanzadotantoel sistema resonante como la resistencia-inductancia serie, ya que su impedancia equivalenteenambasestácercanaalos11Ω.


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9.2.3 TERCER ENSAYO : DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA RESISTENCIA DE FALTA A TIERRA Dejandolosdemásparámetrosdelalíneafijos,modificamoslaresistenciadefalta. En el 73% de los casos, el defecto a tierra se produce a través de algo con una resistenciaequivalentemenora100 Ω.Paracubrirel96%delacasuísticatotal [43], realizamoslosensayosconresistenciasdehasta1500Ω       

Puntodedefecto:alfinaldelalínea Longituddelínea:20km Resistenciadefalta:0,5,10,20,40,75,100,200,500,800,1500Ω Resistenciapuestaatierra:40Ω Inductanciapuestaatierra:1.07H Resistencia-inductanciaserie:Z = 11,05 + j3,68 BobinaPetersen:580mH(sintonización95%);resistenciaenparalelo:12Ω

Ω

Gráfico 66: línea subterránea, dependencia con la resistencia de falta

Igual que vimos en el epígrafe 9.1.3, en líneas subterráneas también tiene un comportamientohiperbólicorespectoalaresistenciadefalta. EnelGráfico66seobservacomoenlosprimeros100Ωhayunacaídamuyrápidadel valorde lasobretensiónmáxima,porloqueenuncortocircuitofortuitoenunamisma instalación,la sobretensiónmáximapuedevariar fácilmentedeuncortocircuitoaotro hasta0,3p.u.porlacasuísticapreviamentecomentada.


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9.2.4 CUARTO ENSAYO : DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON EL PUNTO DE FALTA Dejando los demás parámetros de la líneafijos, modificamos el punto de falta. Con este ensayo nos planteamos en qué punto de la línea sería más crítico que se produjeralafalta,poraparecermayoressobretensiones.       

Puntodedefecto:x=0,10,15,25,33,50,66,75,90,100%delalongitudtotal. Longituddelalínea:50km Resistenciadefalta:5Ω Resistenciapuestaatierra:40Ω Inductanciapuestaatierra:1070mH Resistencia-inductanciaserie:Z = 11,05 + j3,68 BobinaPetersen:232mH(sintonización95%)yresistenciaparalelo9Ω

Ω

Gráfico 67: línea subterránea, dependencia con el punto de falta

Igualqueenelcasodelíneasaéreasvistoenelepígrafe9.1.4,lassobretensionesson máscríticassilafaltaseproduceenelcomienzodelalínea. Podemosobservartrescomportamientosdistintos: 





Losregímenesaisladosyreactantestienenuncomportamientoparabólicomuy cercano al lineal, con una bajada poco importante del valor máximo de sobretensióncuandonosvamosacercandoalfinaldelalínea. Elrégimenrígidonopresentaapenassobretensionesencualquierpuntodela línea. Losdemás(resistencia,resistencia-inductanciaserie,resonante)presentanun comportamientoparabólicoconcaídadetensiónmássignificativaenelprimer tramodelínea.


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9.2.5 QUINTO ENSAYO : DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIÓN CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO Estudiamosen este casocomoafectael tipo de terreno enel que estáenterrado el cable; tales como vegetal, arcilloso, arenoso o rocoso y cómo afecta a las sobretensionesdelared.Paraellomodificaremossuvalorenelmodeladodelalínea.        

Puntodedefecto:alfinaldelalínea Longituddelalínea:20km Resistenciadefalta:5Ω Resistenciapuestaatierra:20Ω Inductanciapuestaatierra:740mH Resistencia-inductanciaserie:Z = 11,05 + j3,68 BobinaPetersen:34.08H(sintonización95%) Resistividaddelterreno:5,10,50,100,200,1000,10000Ω m

Ω



Gráfico 68: línea subterránea, dependencia con la resistividad del terreno

ObservamosenelGráfico68quenoexisteningúntipoderelaciónentrelaresistividad delterrenoylassobretensionesenlaredsubterránea.Esalgorazonable,teniendoen cuentaelapantallamiento,aislamientoypuestabajotubodeloscables.


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9.3 I NFLUENCIA DE UN CORTOCIRCUITO EN LAS SOBRETENSIONES DE LAS DEMÁS LÍNEAS En este ensayocomprobaremos el impacto que tieneen las sobretensiones de una línea,uncortocircuitoenotralíneadistintadelamismared.Paraasegurarunamayor claridadenlosresultados,laredlaformarándoslíneas:unaaéreayotraenterrada. Losgráficosdeesteepígrafesecorrespondenconelrégimendeneutropuestoatierra atravésderesistencia.      

Longitudlíneaaérea:50km Longitudlíneasubterránea:50km Resistenciadefalta:5Ω Resistenciadepuestaatierra:20Ω Resistencia-inductanciaserie:Z = 11,05 + j3,68 Sistemaresonante:228mH,resistenciaparalelo10Ω

Ω

En las primeras simulaciones comprobamos que si el cortocircuito se produce al principio de alguna de las líneas, las curvas de tensiones en ambas líneas son similares,sinimportarsieldefectoocurrióenlalíneaaéreaosubterránea.(Gráfico69)

Gráfico 69: Curva de tensiones en las líneas de la red. Fallo al principio de la línea

Porelcontrario,sieldefectoocurrealfinaldelalínea,lassobretensionesvariaránen elsistemadependiendodeencuáldeellasaparezcaelfallo. Siel defectoocurreal finalde lalínea aérea, la curvade tensióntiene laformaque vemosenelGráfico70ysiocurrealfinaldelalíneasubterránealacurvadetensiones tienelaformaquevemosenelGráfico71.


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Gráfico 70: Curva de tensiones en las líneas de la red. Fallo al final de la línea aérea

Gráfico 71: Curva de tensiones en las líneas de la red. Fallo al final de la línea subterránea

Apartirdelosresultadosdeestassimulaciones,generamoslasiguientehipótesis: En una red con varias líneas, el cortocircuito en la línea con la menor admitancia capacitiva,generarálasmayoressobretensionesenlaslíneassanas. Comprobamoslahipótesisconlosdistintosregímenesdeneutroylíneascondistintas admitanciasllegandoalaconclusióndequelahipótesisescorrecta.Elrégimende neutro influye de forma análoga a los ensayos anteriores, no aportando nueva información.


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9.4 SUSTITUCIÓN PAULATINA DE TRAMOS DE LÍNEAS AÉREAS POR TRAMOS DE CABLE ENTERRADO Uncasoprácticoyhabitualconelcrecimientodelaszonasurbanaseselenterradode losúltimostramosdelaslíneasaéreasdemediatensiónyaexistentes.Esinteresante ver cómo responden las sobretensiones en el caso de cortocircuito en estas circunstancias. Para ello vamos a simular una línea eléctrica de longitud fija con los distintos regímenes deneutro enla que, empezando desdeel finalde la línea, se sustituyen tramosdelíneaaéreaporsubterránea.Reflejaremosesteprocesoconelporcentaje totaldelalíneaquepasaasercableenterrado. Configuracióndelalínea: 

       

Longitud de cable enterrado: 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 % sobreeltotaldelalínea Longitudtotal:50km Resistenciadefalta:5Ω Puntodedefecto:alfinaldelalínea,alos0,3sdeiniciarselasimulación Cargadelalínea:1MW Resistenciapuestaatierra:40Ω Inductanciapuestaatierra: 1070mH Resistencia-inductanciaserie:Z = 11,05 + j3,68 BobinaPetersen:Variableentre8.64Ha257mH(sintonizaciónal95%)con resistenciaparalelode10Ω

Ω

Gráfico 72: dependencia de la sobretensión con la proporción de línea enterrada sobre el total de la misma


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Como podemos ver en el Gráfico 72, la sustitución de tramos de línea aérea por tramosenterradosnoinfluyenegativamenteenlassobretensionesmáximassinotodo locontrario,entérminosgeneraleslassobretensionessereducenen0,1p.u. Sinembargoenregímenesdeneutroaisladooreactantelassobretensionesseven afectadasmínimamente,manteniéndoselatensióncercade1.7p.u.

9.5 TRANSITORIO RÁPIDO Enlosensayosanterioreshemosvistocomoaparecíaunpico detensióninstantáneo nadamásproducirseelcortocircuito.Enlascondicionesanterioressuvalornotenía comparaciónconelmáximodelaondasenoidal,peroenotrascondicionessuvalor puedeigualarlooinclusosuperarlo,porloquemerecelapenaestudiarlo. Modificandoparámetrosdelared,encontramosquelaformadeltransitorioy suvalor es dependiente de muchos de ellos, como el régimen de neutro, la potencia del transformador,siesunalíneaaéreaocableenterrado,lalongituddelamisma,etc. Pero estudiando cada parámetro por separado, no encontramos una dependencia claraynotoriasalvoconelinstanteenelqueseproduceenelcortocircuitorespectoal períododelaonda,porloquelededicaremoselsiguienteapartado. Delosdemásparámetros,solodestacaremosqueencasosmuyextremos,comouna combinación de cortas longitudes de líneas enterradas, el instante de tiempo más desfavorabledeiniciodelcortocircuito,bajaresistenciadefaltaylíneadescargada,se puedenobtenertransitorioscomoeldelGráfico73,enelqueeltransitoriorápidotiene unvalordestacado.

Gráfico 73: transitorio rápido prominente


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9.5.1 DEPENDENCIA CON EL INSTANTE EN EL QUE SE PRODUCE EL CORTOCIRCUITO Losdatosquerepresentaremosacontinuaciónestaránreferidosaunalíneaenterrada conlassiguientescaracterísticas:    

Régimendeneutro:puestaatierraatravésderesistenciade20Ω Longituddelínea:20km Cargaalimentadaalfinaldelínea:1MW Resistenciadefalta:5Ω

Sabiendo que la frecuencia eléctrica es de 50 Hz, el período T será de 0,02 s. Dividiremoselperíodoenochotramosigualesyanalizaremosloqueocurrecuandoel defectoseproducemientraslatensióndelafaseenfaltaestáenalgunodelospuntos significativosquevemosenelGráfico74.

Gráfico 74: forma de onda de tensión normalizada



1



1

1

3

8T

8T




4T



2 T

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

5

8T



7

8T



3

4T

T

Gráfico 75: transitorio rápido para distintos instantes del ciclo de la fase en falta

ComovemosenelGráfico75,cuandoeldefectoseproduceenlosinstantesToT/2 delafaseenfalta,coincidiendoporsupasoporcero,noapareceeltransitoriorápido, soloseapreciaeldesfasedelasfasessanas. Sin embargo, el transitorio rápido cobrará importancia si el instante en el que se produceeldefectoesa3/8y7/8deTdelafaseenfalta. Verificandoinstantescercanosaestosdospuntos,comprobamosqueelvalormáximo sedaen2/6y5/6deT.Enesosinstantes,lafasesanaadelantada120ºrespectoala fase en falta seencuentra en60º o 240º,acercándose a su máximo valorabsoluto, comovemosenelGráfico76

Gráfico 76: transitorio rápido. Instantes que generan mayor sobretensión

Aunquelatensiónalcanzadaduranteeltransitoriorápidosobrepasalevementealvalor delasenoidaldelcortocircuito,nocambialatensiónmáximaalcanzadaenmásdeun 1%.


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10 CONCLUSIONES Elestudiodelassobretensionesaunquenecesario,noessuficienteparaunatomade decisiones sobre quétipo derégimende neutro vamosa instalaren nuestra red de media tensión. Esto es así por factores que no se han tenido en cuenta en la realizacióndeesteestudio,comoporejemplo,lacadavezmásextendidageneración distribuida, los flujos de potencia y la regulación de tensión que podrían llegar a cambiarnos el carácter inductivo o capacitivo de las líneas de forma notable; las protecciones que se instalarían en la línea, yaque cada tipo deprotección funciona correctamenteenunascondicionesdeterminadasylasyainstaladaspodríannoser compatiblesconelnuevorégimendeneutroynodetectarlasfaltascorrectamente,etc. Teniendoencuentaestoycentrándonosúnicamenteentenerlassobretensionesbajo controlatravésdenuestrorégimendeneutro,podemosafirmarlosiguiente: Lossistemasconneutroaisladotienensiemprelassobretensionesmásaltas.Cuanta mayor sea la admitancia capacitiva equivalente de la red, menores serán estas sobretensiones. Lossistemasconneutrorígidoa tierra,comoyaesperábamos,sonlosqueproducen las menores sobretensiones, a cambio de unas intensidades por la puesta a tierra inadmisibles,quepodrían serigualdecatastróficasqueunasaltassobretensiones.A parte,comocomentamosenteoría,surealizaciónprácticaescomplicada,másaúnsi usamosuntransformadordepuestaatierra,cuyaimpedancianoesdespreciable. Todos los regímenes en los que se ponga el neutro a tierra a través de una impedancia,tendránvalores máximosde sobretensiónsimilaressiempre y cuandoel módulo de esta impedancia tenga el mismo valor. Si hubiéramos comparado el régimendeneutropuestoatierraatravésderesistenciaconunvalorde11,5Ωenvez de 20 Ω, comprobaríamos que la curva resultante en los ensayos en los que comparamoslarespuestadelosregímenesdeneutro,coincidiríaconladepuestaa tierraatravésderesistencia-inductanciaserieenlamayoríadeloscasos. Lossistemasconneutroatierraatravésderesistencia,engeneralsonlosquemejor han respondido a cualquier tipología de línea y a los posibles cambios en la red. Ademásesun sistema relativamente sencilloy baratode instalar,porlo quees muy recomendablepararedesdemediatensión. Los sistemas con neutro a tierra a través de inductancia, aunque con valores razonables de reactancia se controla la intensidad por la puesta a tierra, las sobretensiones en comparación con otros regímenes son mayores. Además, cuanto mayor sea el carácter inductivo de la impedancia equivalente del defecto a tierra, mayorserálacomponenteunidireccionalqueaparecetantoenlastensionescomoen la corriente por la puesta a tierra, por lo que las tensiones e intensidades de pico máximasseríanmásaltasdeloquecabríaesperar. Aparte de las ventajas de la bobina Petersen en sinergia con ciertas protecciones, hemos comprobado que merece la pena instalarla siempre y cuando la corriente


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capacitiva del sistema sea destacable, ya que si la corriente es despreciable, la impedancia equivalente de la bobina sintonizada es tan grande que el sistema se comporta como un régimen aislado si no tiene resistencia en paralelo, y como una puestaatierraatravésderesistenciasiseencuentraesta.Porelloenredesconsolo líneas aéreas de corta longitud no recomendamos su uso. Ocurre todo lo contrario cuandohaygrandestramosdelíneasubterránea,yaquelabobinatieneunosvalores aceptables, las sobretensiones máximas son bajas y como hemos visto en los ensayos,surespuestaacambiosenlaredesinclusomejorqueelneutroatravésde resistencia. Sobrelosposiblescambiosoampliacionesenlared,observamosquelasustitución portramosdecableenterradoolainstalacióndenuevaslíneasquedependandela subestación,noafectannegativamentealassobretensionessinotodolocontrario,ya quelassobretensionesmáximasdisminuyenligeramente. Porúltimocabedestacarelcaso,enelquedeunasubestaciónsalganlíneasconuna composiciónylongitudmuyheterogénea,locualprovocaríaquelassobretensionesde un defecto a otro cambiensignificativamente, sin importar el régimen de neutro que tenganuestrainstalación.Enesecaso,lasituaciónmáscríticaparalassobretensiones seráuncortocircuitoalfinaldelalíneaconmenoradmitanciacapacitiva.Esporello queseríarecomendableunacomposiciónlomáshomogéneaposibledelaslíneasque sealimentendelamismasubestación. Comoposiblesvíasde continuareldesarrollodeesteestudio,seríadeinterésaplicar estosconocimientosaredesexistentesenlareddemediatensiónyrepetirelanálisis. Unasegundaopción,seríaunaampliacióndehorizonteenlosensayos,incluyendolos tipos de protecciones existentes y la interacción, es decir, su sinergia positiva o negativaconlosregímenesdeneutro.Unaterceravíaconsistiríaenusarunprograma más potente en el cual pudiéramos simular de forma sencilla y al mismo tiempo condiciones de flujos de potencia, control de tensiones y frecuencia, inclusión de grandes motores y generación distribuida. Un programa candidato que en principio admitiríaesteestudiomásamplioeslaaplicaciónETAP™


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Estudio Sobretensiones Cortocircuito MT

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