Práctica 9: Simulación de las sobretensiones temporales en un Sistema Eléctrico de Potencia. Zavala González Eduardo
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Instituto Politécnico Politécnico Nacional, Distrito Federal, México.
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I.
INTRODUCCIÓN
En este reporte se presentan el sistema de transmisión a simular con una sobretensión temporal, en el cual se simularon las fallas de fase a tierra monofásica y una bifásica a tierra.
II.
OBJETIVO
Al término de la práctica el alumno: -
III.
Simulara las sobretensiones temporales ante una falla de fase a tierra y una falla bifásica a tierra en un Sistema Eléctrico de Potencia.
INTRODUCCIÓN NTRODUCCIÓN TEÓRICA
Sobretensiones por una falla de fase a tierra.
Una falla simple de fase a tierra provoca un aumento en la tensión al neutro en las fases sanas. En los sistemas con neutros aislados o aterrizados a través de una alta impedancia, puede provocar sobretensiones en las fases sanas hasta alcanzar valores similares a la
tensión entre fases. En los sistemas sólidamente aterrizados, no permite que las sobretensiones crezcan a valores de tensión de fase. El factor de falla a tierra k , se define como la relación del valor máximo de la tensión eficaz de fase a tierra durante la falla (en las fases sanas) U max max y del valor de la tensión de fase a tierra en condiciones normales de operación U .
Sobretensiones por pérdida súbita de carga o rechazo de carga.
En los sistemas comerciales de transmisión de energía, el ángulo formado por la tensiones en los extremos transmisor y receptor determinan el porcentaje de potencia activa que se transmite, mientras la diferencia existente entre ambas tensiones establece el porcentaje de potencia reactiva que fluye a través de la línea. Cuando una carga inductiva se desconecta súbitamente en el extremo receptor de la línea, la tensión de régimen del mismo sufre
un incremento, como consecuencia de un fenómeno transitorio que se le superpone. Este incremento de tensión afortunadamente de corta duración, pero da origen a sobretensiones temporales. Sobretensiones por efecto Ferranti.
Las líneas de transmisión de grandes longitudes sin compensación, producen elevadas tensiones en el lado de la carga. La tensión en el lado de la carga está dado por la siguiente ecuación:
Donde: V1= tensión de envio o del lado de la fuente l= longitud de la línea de transmisión β= constate de fase de la línea de transmisión
Sobretensiones por armónicas.
Las oscilaciones armónicas en los sistemas de potencia son producidas por los sistemas no lineales, las cuales la principal fuente es la saturación magnética de los transformadores y de los reactores de acoplamiento. La corriente de magnetización de esos componentes se incrementa rápidamente y con un alto porcentaje armónicos para tensiones por arriba de su valor nominal. Por lo tanto, la saturación de los transformadores inyecta gran cantidad de corrientes de armónica al sistema. Métodos para controlar la ST temporales.
Para la disminución de las sobretensiones temporales, se pueden utilizar los siguientes métodos: -
Sobretensiones por ferroresonancia.
La ferroresonancia se define como un fenómeno oscilatorio creado por la capacitancia del sistema, en conjunto con la inductancia no lineal de un elemento con núcleo magnético. Este podría ser un transformador de potencia, de medición o un reactor de compensación. Este fenómeno se observa por lo general en sistemas de alta tensión y casi nunca en sistemas de distribución de energía, ya que es precisamente la capacitancia de las líneas muy largas la que induce la ferroresonancia, siempre y cuando la inductancia del circuito asociado se encuentre en condiciones favorables para entrar en resonancia
-
Aterrizamiento de los neutros. Aterrizado efectivamente. por medio Aterrizado reactancias. Aterrizado por medio de resistencias. Aterrizado por medio de un TR de distribución y resistor. Aterrizado por un medio de un banco de tierras. Compensación paralelo a partir de reactores. Compensación serie a partir de capacitores Compensación serie-paralelo a base de compensadores estáticos. Apartarrayos de ZnO.[1]
IV.
DESARROLLO
Se comenzara a desarrollar cada uno de los tramos que se mencionan en la práctica, con sus respectivos parámetros. La red a modelar se muestra a continuación, aplicando una falla de fase a tierra y una falla bifásica en el nodo indicado. El diagrama del sistema de transmisión a simular, se presenta en la figura 1
Fig. 3 Configuración de la línea a simular en el ATP-Draw.
Para los primeros dos cables la configuración simulada es la que se presenta en la figura 4.
Fig. 1 Sistema de transmisión a simular en el ATP-Draw.
De donde se tiene, que los tramos 1, 3, 6, 7, 8, 9, son XLPE, además, los primeros dos son cables de doble circuito, mientras que los demás son de un solo circuito.
Fig. 4 Configuración de los cables XLPE, simulados en el ATP-Draw.
Para el caso de los otros cuatro tramos de cable XLPE, la configuración queda mostrada como se indica en la figura 5.
La configuración de los primeros dos cables es la que se presenta en la figura 2. Fig. 5 Configuración de los cables XLPE (cuatro últimos tramos), simulados en el ATP-Draw.
En el caso de las líneas de transmisión, la simulación se muestra en la figura 6. Fig. 2 Configuración de los Cables XLPE simular en el ATPDraw.
Para los tramos restantes, se tienen que son líneas aéreas, con un calibre de conductor de 1113 MCM. El arreglo que deben de tener estas líneas se muestra en la figura 3.
Fig. 6 Configuración de las líneas de transmisión, simuladas en el ATP-Draw.
V.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. Localice y analice los puntos de la red cortocircuitando una fase a tierra, de tal manera de obtener las condiciones más críticas. Posteriormente, realizar el mismo procedimiento para la falla bifásica a tierra. Se recomienda ajustar los tiempos de interrupción de los interruptores cuando la onda de tensión pase por el cero natural.
2. Registre los valores obtenidos de las simulaciones, dibujando el modelo, grafique sus curvas y calcule los valores en pu de las sobretensiones originadas para ambos tipos de falla. Llene la tabla 1, para las fallas de fase a tierra y bifásica a tierra: TABLA I SOBRETENSIONES POR LA DESCARGA ATMOSFERICA VISTA DESDE LAS SUBESTACIONES TIPO CLIENTE SIN LA INSTALACIÓN DEL APARTARRAYOS. caso A 1 B C A 2 B C A 3 B C A 4 B C A 5 B C A 6 B C
Tensión de referencia [kV cresta] 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794 187.794
Sobretensión [kV cresta]
Valor en pu
Falla 228.4 230.4 231.07 Falla 224.625 230.4 232.75 Falla Falla Falla 225.1 231.2 Falla Falla Falla 231.09 Falla
1.21 1.22 1.23 1.19 1.22 1.23 1.19 1.23 1.23 -
Los resultados se encuentran en los anexo A2-A7, donde se muestran las gráficas de dichas simulaciones, en la SE tipo cliente 2, y del 8 al 13, se tiene lo obtenido en la SE tipo cliente 1.
VI. -
CUESTIONARIO Describa las demás fuentes de generación de las sobretensiones temporales.
Sobretensiones por ondas errantes:
Se llaman así las ondas de tensión que se desplazan con gran velocidad a lo largo de los conductores. Estas ondas pueden provocar elevadas sobretensiones, unas veces porque su propia amplitud sea mayor que la tensión de servicio, otras veces porque el valor de su amplitud se incremente por reflexión o por cualquier otra causa. Generalmente, estas ondas tienen forma periódica, con crecimiento rápido hasta el valor de cresta, que después decrece lentamente. Veamos cómo se forman las ondas errantes. Cuando se aplica instantáneamente una tensión a un conductor, se produce una corriente de carga en dicho conductor; al mismo tiempo, progresa la tensión a lo largo del conductor, es decir, que en el conductor se origina una onda de tensión. Una onda de esta clase puede producirse, por ejemplo, a causa del efecto de un rayo descargado en la proximidad de la línea. Para el estudio simplificado de las ondas errantes se supone que, en toda la longitud del conductor, existen las mismas condiciones, es decir, que la capacidad y la inductividad está. Uniformemente repartida en toda su longitud. Un conductor en estas condiciones se denomina conductor homogéneo. Si
llamamos que, como cualquier otra impedancia, se medirá en ohmios. Generalmente LI y Cl se expresan en Henrios/km y Faradios/km, respectivamente, en cuyo caso, la impedancia característica Z estará expresada en ohmios/km. Sobretensiones por resonancias:
Otra causa de sobretensiones es la producción de oscilaciones forzadas, que acaba por producir resonancias. Estas resonancias resultan muy peligrosas en tramos de gran longitud de conductores y cables de alta tensión, así como en generadores cuyas curvas de tensión están deformadas por armónicos de orden superior. Pero es necesaria una reseña de las condiciones en que se produce este fenómeno, para entender mejor las características de las sobretensiones producidas.
capacitiva, si la frecuencia impuesta por el generador de corriente es igual a la frecuencia propia del circuito. Esta condición se denomina resonancia. Por otra parte, recordemos que la velocidad de propagación de la onda.Lo que quiere decir que la velocidad de propagación es absolutamente independiente de la corriente y de la tensión y que solamente está determinada por la inductividad y por la capacidad de la línea.
Vamos a poner un ejemplo de aplicación. Supongamos una línea aérea de las siguientes características:
Si conectamos en serie una resistencia óhmica, una inductancia y una capacidad, la tensión del circuito está expresada por: es decir, la velocidad de la luz. Para casos prácticos, los valores de la impedancia característica son los siguientes: Si en este circuito variamos la frecuencia f desde cero a un valor infinito, aumentará también el valor de la reactancia inductiva 2 π f L desde cero a infinito; por el contrario, el valor de la reactancia capacitiva A este valor se denomina frecuencia de resonancia, que coincide, con la frecuencia propia del circuito, es decir aquélla con la cual, el condensador se descargaría por el circuito si en éste no hubiera otra tensión que la del propio condensador. Por lo tanto, la reactancia inductiva equivale a la reactancia
Conductor simple. . . . . . Z.= 470 ohmios/Km. Conductor hueco. . . . . . Z = 440 ohmios/Km. Conductor en haces. . . Z = 330 ohmios/Km. Cable aislado. . . . . . . . Z = 30... 60 ohmios/Km y los de las velocidades de propagación se expresan a continuación: Línea aérea. . . . . . v = 300.000 Km/segundo Por lo tanto, la impedancia característica de una línea aérea es unas diez veces mayor que
la de un cable aislado y la velocidad de propagación es aproximadamente la mitad en un cable. Cuando se produce una onda errante por descarga de un rayo o por cualquiera otra causa, la onda de tensión de altura u se dirige regularmente hacia ambos extremos del conductor, bajando, por lo tanto. la altura de la onda de tensión al valor u/2. Resultan así dos corrientes, dirigidas también hacia los dos extremos del conductor, y que valen:
Además, hay que tener en cuenta que todo conductor eléctrico tiene una resistencia óhmica propia, la cual actúa amortiguando gradualmente la onda errante, tal como se expresa en la figura siguiente:
larga duración de estas sobretensiones, causaran daños a las instalaciones, equipos, etc. Al realizar las simulaciones, y hacer que la falla inicie cuando la onda pase por cero, se tiene mínimos aumentos de la tensión, pero que aun así son importantes y de cuidado, como estos se hizo en la SE tipo cliente 2, las variaciones que se obtuvieron más oscilaciones en la SE tipo cliente 1, donde dependiendo de la fase que tenía falla, era la fase que se disminuía radicalmente. Algo similar paso cuando la falla se encuentra en dos fases, visto desde la SE 1, donde las fases donde se tenía falla estas disminuían con respecto a la otra que quedo sana. En cuanto a los resultados, se presentaron sobretensiones por arriba del valor de la tensión entre fases, por lo que los valores por p.u. entre 1.19 y 1.23.
REFERENCIAS [1] Apuntes de TecATe 1, Capitulo 5. Sobretensiones Temporales.
VII.
CONCLUSIONES
Zavala González Eduardo. Lo visto en esta práctica es de suma importancia, ya que las sobretensiones temporales, son más riesgosa, ya que estas no desaparecen, sino hasta que se libere la falla. Por lo que se tiene que tener un buen método para el amortiguamiento de la misma, si se escoge un método y no es el adecuado, por la
ANEXOS
A1. Red Simulada en el ATP-Draw, para la simulación de las sobretensiones por maniobra.
A2. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 2, debida a la falla de la fase A, Caso 1.
A3. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 2, debida a la falla de la fase B, Caso 2.
A4. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 2, debida a la falla de la fase C, Caso 3.
A5. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 2, debida a la falla de la fase A y B, Caso 4.
A6. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 2, debida a la falla de la fase B y C, Caso 5.
A7. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 2, debida a la falla de la fase C y A, Caso 6.
A8. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 1, debida a la falla de la fase A, Caso 1.
A9. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 1, debida a la falla de la fase B, Caso 2.
A10. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 1, debida a la falla de la fase C, Caso 3.
A11. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 1, debida a la falla de la fase A y B, Caso 4.
A12. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 1, debida a la falla de la fase B y C, Caso 5.
A13. Sobretensión vista desde la SE tipo cliente 1, debida a la falla de la fase C y A, Caso 6.
