INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ADOLFO LÓPEZ MATEOS
PRÁCTICAS DE LABORATORIO TÉCNICA DE LAS ALTAS TENSIONES I
ELABORÓ
M. en. C. BALDOMERO GUEVARA CORTÉS MÉXICO, D.F.
ENERO 2011
Prácticas de Laboratorio Técnica AT I
2011
PROLOGO La presente elaboración de las prácticas de la asignatura de Técnica de las Altas Tensiones I se realizó junto con los apuntes y tiene la finalidad de proporcionarle al estudiante de la carrera de Ingeniería Eléctrica, un material de guía para que se cumplan los objetivos de dicha asignatura, el cual es el siguiente: “El alumno analizará el origen, estudio y atenuación de las sobretensiones que se presentan en un sistema eléctrico de potencia, con el fin de garantizar buen diseño en los equipos eléctricos y control adecuado del Sistema Eléctrico de Potencia”.
El contenido de estas prácticas está dividido en dos partes principales: a) Conocimiento del laboratorio de Alta Tensión, ubicada en los Laboratorios Pesados 2 de la ESIME Zacatenco. Las prácticas que corresponde a esta parte son desde la 1 a la 4, incluyendo un proyecto de investigación de transmisión de CD en Alta Tensión, que no es común en nuestro país. b) Simulación de fenómenos transitorios utilizando el paquete computacional ATP-Draw de licencia libre. Esta parte corresponde las prácticas 5 a la 10, incluyendo un proyecto que abarca el estudio de diversos disturbios transitorios en un Sistema Eléctrico de Potencia.
M. en C. Baldomero Guevara Cortés Profesor de la Academia de Potencia Enero 2011
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Prácticas de Laboratorio Técnica AT I
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LABORATORIO DE TÉCNICA DE LAS ALTAS TENSIONES I
PRÁCTICA 5 Introducción al manejo del ATP-Draw 5.1
Objetivo
Al término de la práctica el alumno: • •
5.2
Manejará el paquete computacional ATP-Draw para la solución de circuitos eléctricos en estado estable y transitorio. Interpretará los resultados obtenidos del paquete computacional ATP-Draw a circuitos eléctricos propuestos por los alumnos.
Introducción teórica.
El ATP (Alternative Transients Program) fue originalmente diseñado para el cálculo de procesos transitorios en sistemas eléctricos de potencia. Durante los últimos años se han desarrollado varios programas de apoyo con los que se puede diseñar un paquete de simulación muy flexible y potente, cuyas prestaciones son actualizadas regularmente. Una simulación con el ATP se realiza generalmente en tres pasos, para cada uno de los cuales existen en la actualidad varios programas, o distintas versiones de un mismo programa: ATPDraw, para creación y edición de archivos de entrada • TPBIG [1], para simular redes eléctricas en el dominio del tiempo y de la frecuencia • PCPLOT, TPPLOT, GTPPLOT o PLOTXY, para procesar los resultados de una simulación. •
ATPDraw es un preprocesador interactivo en entorno Windows que actúa como núcleo central del paquete completo, ya que los usuarios pueden controlar la ejecución de cualquier programa integrado en el paquete desde ATPDraw. Este preprocesador dispone de modelos para los principales componentes de una red de potencia, y permite que un usuario pueda añadir sus propios modelos desarrollados a partir de varias opciones disponibles en el paquete, como Data Base Module o el lenguaje de programación MODELS. Las prestaciones de los distintos programas son regularmente actualizadas y corregidas. Varias de las prestaciones recientemente implementadas permiten ampliar el campo de aplicaciones del paquete, que se convierte en una herramienta muy adecuada para estudios en los que hasta ahora no se había aplicado, por ejemplo propagación de armónicos, análisis de sensibilidad, o ciertos análisis estadísticos. En la realización de este trabajo se ha diseñado un paquete formado por tres programas: ATPDraw, TPBIG, y TOP (The Output Processor). ATPDraw es un editor gráfico que funciona en entorno Windows y dispone de una lista muy completa de los componentes necesarios para representar un sistema eléctrico en código ATP.
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El usuario captura los iconos de los elementos que forman el sistema en estudio y especifica los parámetros de cada uno. La pantalla principal del programa presenta un aspecto similar al de la figura 5.1. La barra de menús dispone de ocho opciones principales: File, Edit, View, ATP, Objects, Tools, Windows y Help, aunque inicialmente solo aparecerán seis, ya que las opciones Edit y ATP solo estarán disponibles después de escoger entre editar un circuito nuevo o abrir uno ya existente. Los menús se despliegan colocando el puntero del ratón sobre el nombre de la opción principal y pulsando el botón izquierdo. Las opciones de los submenús se elegirán de la misma manera. La figura 5.2 muestra la pantalla de ATPDraw con el menú adicional de selección de componentes desplegado. El procedimiento completo, desde la creación del diagrama de la red hasta la visualización de los resultados de una simulación se puede resumir de la siguiente forma: 1) El primer paso será la creación del diagrama de la red, si se trata de un caso nuevo, o la modificación del diagrama existente, si este ya fue creado anteriormente. En ambos casos será necesario realizar varias operaciones: • Para añadir un componente al diagrama de la red, bastará con pulsar el botón derecho del ratón en cualquier punto de la pantalla donde se edita el circuito; aparecerá un menú desplegable con la lista de tipos de componentes (Ramas, Interruptores, Fuentes, etc.), ver figura 5.2, una vez elegido el componente que se quiere añadir aparece el icono correspondiente en la pantalla de edición. • Para desplazar un icono basta poner el puntero del ratón sobre el icono y mantener pulsado el botón izquierdo; para dejarlo en la nueva ubicación, basta con dejar de pulsar el botón. • Para especificar, cambiar o corregir los datos de un componente es necesario colocar el puntero del ratón sobre el icono y pulsar el botón derecho, aparecerá la pantalla de datos correspondiente al tipo al que pertenece el componente. • Si un icono se selecciona pulsando el botón derecho del ratón, se consigue que gire un ángulo de 90 grados en el sentido contrario al de las agujas del reloj. 2) Una vez que se ha editado el diagrama de la red que se desea analizar, se introducen los parámetros propios de la simulación (paso de integración, tiempo final de simulación, unidades de los parámetros de entrada). 3) A continuación se debe solicitar la creación del archivo de entrada, para lo que se empleará la opción Make File del menú ATP. El archivo generado tiene el mismo nombre que el archivo de la red pero con la extensión .atp, y se puede leer mediante cualquier procesador de texto, ya que se trata de un fichero de texto. 4) Una vez creado el archivo de entrada, se puede ejecutar la simulación con la opción escogida por el usuario y que se encontrará en la lista de archivos por lotes (Batch Jobs) dentro del menú ATP. 5) Si la ejecución se realiza correctamente, se pueden visualizar los resultados mediante la opción escogida por el usuario, y que también se encuentra en la lista de archivos por lotes que hay en el menú ATP. INVESTIGACIÓN: El alumno investigará en detallar las operaciones básicas en el uso del programa ATP-Draw, como crear un nuevo proyecto, las fuentes principales, inserción de ramas, medidores y el desplegado de los resultados.
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Figura 5.1 Ventana principal de ATPDraw.
Figura 5.2. Menú de selección de componentes en ATPDraw.
5.3 1.
+ Vc(t) _
Desarrollo Se simularán los siguientes circuitos en el ATP-Draw.
15 microfd
iL(t)
5mH
632.5 ohms
El interruptor se cierra en 0.01 s. V C (0) = 5 V Simular: V C (t) e i L (t)
Figura 5.3 Circuito RLC a simular en el ATP-Draw.
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1.5811 0hms 1 2
+ Vc(t) _
U 15senwt
iL(t)
5 microfd
El interruptor 2 abre en 0.02 s. El interruptor 1 se cierra en 0.022 s. El valor de rizo de la fuente U es de 10 V con duración de 0.05 s; tiempo inicial y final de 0 y 1 s respectivamente. V C (0) = 1V Simular: V C (t) e i L (t)
5mH
Figura 5.4 Circuito RLC a simular en el ATP-Draw
440senwt
0.5 + j5 ohms
CARGA TRIFÁSICA BALANCEADA EN ESTRELLA 5 + J25 ohms
Figura 5.5 Circuito trifásico en estado permanente a simular en el ATP-Draw.
La carga trifásica está conectada en estrella aterrizada. Simular la tensión que se obtiene entre terminales de la carga y su corriente por fase y en el neutro.
5.4
Análisis de resultados
1.
Reportar el modelo eléctrico, el modelo y sus curvas de respuesta de los ejercicios anteriores.
2.
Realizar 5 ejemplos con su comprobación “a mano” por parte del alumno (dos en estado estable y dos en estado transitorio). Compruébelo con el ATP-Draw comparando sus curvas de respuesta.
5.5 1.
5.6
Cuestionario El paquete computacional ATP-Draw aplica la regla trapezoidal de integración. Explique el método numérico y realice un ejemplo.
Referencias
•
L. Prikler, H. K. Hoidalen, “User’s Manual ATP for Windows 9x/NT/2000/XP/Vista/Windows 7 version 5.6”, November 2009.
•
Libros de circuitos eléctricos consultados por el alumno.
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PRÁCTICA 6 Modelado de la línea de transmisión y del cable de potencia en el ATP-Draw 6.1
Objetivo
Al término de la práctica el alumno: •
Modelará la línea de transmisión y los cables de potencia empleando los modelos PI y parámetros distribuidos.
6.2
Introducción teórica.
6.2.1
Representación de las líneas aéreas
Las ecuaciones generales que relacionan la tensión y corriente de líneas de transmisión establecen que sus parámetros (resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia) se distribuyen uniformemente a lo largo de dicha línea. Se tienen tres tipos de modelos para representar la línea de transmisión: •
Modelo de línea corta: líneas de 60 Hz con longitudes menores a 80 km. Es un modelo de parámetros concentrados.
•
Modelo de línea media: líneas de longitudes entre 80 a 240 km. Son los modelos PI empleados en la simulación en el ATP-Draw. Es un modelo de parámetros concentrados.
•
Modelo de línea larga: líneas con longitudes superiores a los 240 km. Modelo de Bergeron en la simulación del ATP-Draw. Es un modelo de parámetros distribuidos.
Normalmente las líneas de transmisión operan con cargas trifásicas balanceadas, aunque la línea no tenga un arreglo simétrico y no estén transpuestas, el desbalanceo es insignificante y por lo tanto las fases están balanceadas. INVESTIGACIÓN: El alumno investigará en detallar las operaciones básicas en el uso del programa ATP-Draw en la creación del modelado de las líneas de transmisión y cables de potencia. Deberá de profundizar en qué consisten los modelos de las líneas de transmisión (corta, media y larga).
6.3
Desarrollo
1.
El profesor les explicará brevemente la introducción de datos para modelar líneas aéreas en el paquete computacional y determinar sus valores característicos.
2.
Modelar las siguientes líneas y cables de potencia. 7
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a)
2.3
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2.3 2.3
4.1
Figura 6.1 Arreglo de las líneas aéreas
4.1 30
Acot. en [m]
Datos: Conductor de fase X L = 0.2802 Ω /km R = 0.1696 Ω /km r ext = 1.16 cm
Hilo de guarda X L = 0.9942 Ω /km R = 5.7168 Ω /km r ext = 0.55 cm
Longitud del cable de 1 km y la resistividad del terreno de 100 Ω m
Donde: r ext = radio exterior del conductor. b) b c
a
b c
a
b c
a
Figura 6.2 Arreglo de los cables subterráneos
Datos: Dimensiones del cable La permitividad relativa del Están enterrados a una a = 0.00597 m aislamiento XLPE es de 2.4 y profundidad de 2 m, la la del forro de PVC es de 6.0. b = 0.01234 m resistividad del terreno es c = 0.01337 m La resistividad del cobre r ext = 0.015 m de 100 Ω m y la longitud junto con la pantalla de Separación entre cables de del cable es de 400 m. plomo es de 1.8 E -8 Ω m. 30 cm
6.4 1.
Análisis de resultados Analice los valores obtenidos en las simulaciones anteriores, reportando los parámetros de las líneas y cables de potencia, tales como la impedancia equivalente, impedancia característica, impedancia de secuencia positiva y cero, velocidad de propagación de la onda y constante de atenuación para sus diferentes modelos.
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2.
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Realizar los siguientes ejercicios, reportando sus parámetros antes analizados.
a) 20 9
20
20
Figura 6.3 Arreglo de las líneas aéreas.
Datos: Hilo de guarda Conductor de fase Longitud de la línea de X L = 0.9942 Ω /km Calibre 1113 MCM, 400 kV. 24.14 km y la resistividad R = 5.7168 Ω /km Grupo de conductores con del terreno de 40 Ω m r ext = 0.55 cm disposición equilátera de 30 cm. Distancia de los conductores al piso de 40 m. Acotación de las distancias en [m]. b) Cable trifásico tipo XLPE de 1600 mm2, 230 kV, un circuito, 60 Hz. Su tramo es de 500 m, están enterrados a una profundidad de 1.5 m y tienen una disposición equilátera entre los cables.
b c
a
b
b c
a
c
a
Figura 6.4 Arreglo de los cables subterráneos.
6.5 1.
Cuestionario Para la obtención de las impedancias de secuencia positiva y cero en líneas y cables, se requiere de la matriz de impedancia [Z] del arreglo, el cual se obtiene al utilizar el ATP en el modelado de las líneas o
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cables. Es importante mencionar que el modelado se debe de realizar en el modo de parámetros concentrados (modelo PI). La ecuación a emplear para el cálculo de las impedancias de secuencia positiva y cero, es la que se muestra a continuación [2]: 0 0 Z 0 0 0 Z p + 2 Z m 0 Z 0 = 0 0 Z Z − p m 1 0 0 Z 2 Z p − Z m 0 0
(6.1)
Donde Z p = Impedancia propia ( R p + jX p), en la diagonal principal de la matriz [Z]. Z m = Impedancia mutua ( Rm + jX m), fuera de la diagonal principal de la matriz [Z]. Z 0 , Z 1 y Z 2 = Impedancias de secuencia cero, positiva y negativa del arreglo. Demuestre la ecuación 6.1
6.6
Conclusiones
Interprete sus conclusiones en forma individual.
6.7
Referencias
•
L. Prikler, H. K. Hoidalen, “User’s Manual ATP for Windows 9x/NT/2000/XP/Vista/Windows 7 version 5.6”, November 2009.
•
J. Duncan Glover, M. S. Sarma, “Sistemas de Potencia, Análisis y Diseño”, Edit. Thomson, 3ra Edition, 2003.
•
“Electrical Transmission and Distribution Reference Book ”, Westinghouse, 1982.
6.8
Anexo de tablas de calibres de cables XLPE y conductores ACSR Tabla 6.1 Características físicas y eléctricas de los cables de potencia con aislamiento XLPE.
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Tabla 6.2 Características físicas
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eléctricas de los cables de aluminio reforzados con alma de acero ACSR.
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