UNIDAD 4: ANÁLISIS DE FALLAS
CATEDRATICO: ING. CUEVAS JIMÉNEZ JOSÉ MANUEL
PRESENTA: CABRERA SÁNCHEZ ABDIELL
ESPECIALIDAD: INGENIERÍA ELÉCTRICA.
SEMESTRE: 7 GRUPO: K
H. CIUDAD DE JUCHITÁN DE ZARAGOZA OAXACA.
Carretera Panamericana Km. 821, C.P. 70000, Hca.Cd. de Juchitán de Zaragoza, Oax. Conmutador: (971) 7111042, 71 12559, Fax ext. 101 www.itistmo.edu.mx ee-mail: dirección@iti direcció
[email protected] stmo.edu.mx dir_itistmo@dg est.gob.m est.gob.mxx
CONTENIDO LISTA DE FIGURAS FIGURAS .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... 3 ACRÓNIMOS ACRÓNIMOS ..................................................................................................................................... 4 INTRODUCCIÓ INTRODUCCIÓN N ............................................................................................................................... 5 4.1NATURALEZA Y CONSIDERACIONES BASICAS DE FALLAS .............................................. 6 4.1.1DEFINICIÓN DEL PERIODO SUBTRANSITORIO, TRANSITORIO Y RÉGIMEN PERMANENTE..................................................................................................................................10 4.1.2 CORRIENTES SUBTRANSITORIA, TRANSITORIA Y EN RÉGIMEN PERMANENTE. .....14 4.1.3 CAPACIDAD MOMENTÁNEA E INTERRUPTIVA DE LOS INTERRUPTORES. ................17 4.1.4 CAPACIDAD DE CORTO CIRCUITO O NIVEL DE FALLA. ................................................20 4.1.5 CÁLCULO CÁLCULO DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO. TRIFÁSICO.....................................................................22 4.2 COMPONENTES COMPONENTES SIMÉTRICAS SIMÉTRICAS .................................................................................................25 CONCLUSIONES CONCLUSIONES ..............................................................................................................................26 REFERENCIAS..................................................................................................................................27
LISTA DE FIGURAS Figura 1: Circuito Básico en el Análisis de Fallas ................................................................................. 8 Figura 2: Determinación de las corrientes de falla ................................................................................ 9 Figura 3: Diagrama de los periodos transitorio, subtransitorio .............................................................10 Figura 4: Onda asimétrica de corriente de cortocircuito cuando el valor inicia de E es igual a 0...........10 Figura 5: Diagrama de la Corriente Transitoria ....................................................................................14 Figura 6: Diagrama de la Corriente Subtransitoria ...............................................................................14 Figura 7: Diagrama de la Corriente en Régimen Permanente ...............................................................15 Figura 8: Tensiones Producidas en un Corto Circuito ..........................................................................18 Figura 9: Defecto Trifásico .................................................................................................................22 Figura 10: circuito equivalente de un cortocircuito trifásico simétrico. ................................................23
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ACRÓNIMOS SÍMBOLO
DESCRIPCIÓN
Xs
Reactancia Síncrona
E I SEP Fem Ic CCC
Fuerza Electromotriz (Valor Máximo). Intensidad De Corriente Instantánea. Sistema Eléctrico De Potencia Fuerza Electromotriz Componente Continúa De La Intensidad De Corriente Instantánea. Reactancia En % De Máquinas Giratorias. Capacidad De Corto Circuito
U IF Zcc BZ ZF t
Tensión Compuesta En La Red. Vector De Corrientes Impedancia De La Red Sobre Efecto Trifásico. Matriz De Impedancia Impedancia De Falla Tiempo Mínimo De Cortocircuito.
T
Matriz De Transformación
La
Componente Alterna Senoidal De La Intensidad De Corriente Instantánea. Operación Hermitiana
X”.
MH
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INTRODUCCIÓN Aunque los sistemas sean diseñados tomando en cuenta las normas para tal efecto, un sistema 100% infalible es imposible de diseñar y construir, pues además de la imposibilidad natural para obtener un producto perfecto, tampoco es adecuado hacerlo, desde el punto de vista económico, por lo que cualquier sistema eléctrico está expuesto a las contingencias asociadas con las fallas en su operación. Además, el envejecimiento natural de los componentes de dichos sistemas, es una de las causas naturales de la presencia de fallas en los sistemas. Por otro lado, existen fenómenos de carácter aleatorio y debido a la naturaleza, que también son causa muy frecuente de dichos problemas.
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4.1NATURALEZA Y CONSIDERACIONES BASICAS DE FALLAS El estudio de fallas es una de las partes más importantes del análisis de SEP, cuyo problema consiste en determinar las tensiones y corrientes en barra durante diferentes tipos de fallas.
•
Las informaciones de los estudios de falla son usadas para seleccionar y configurar los relés, así como seleccionar los disyuntores
•
La magnitud de la If dependen de las impedancias de los Gen+Trafos+lineas,etc.
La reactancia de los generadores bajo condiciones de cortocircuito no permanece constante, dividiéndose en tres periodos, periodo subtransitorio, periodo transitorio, y periodo de estado estacionario.
La ocurrencia de fallas en un sistema es de naturaleza aleatoria, y su estudio requiere de bases só lidas para la definición del problema y la explotación de resultados. El momento de ocurrencia de la falla, el tipo de falla, el lugar donde ocurre, las fases involucradas y la evolución del tipo de falla son algunas características que debe considerar un buen esquema de detección de fallas y coordinación de protecciones. La experiencia ha demostrado que entre el 70% y 80% de las fallas en líneas, son fallas monofásicas a tierra, la cual se origina en el flameo del aislamiento de línea a la torre y a tierra. Aproximadamente en el 5% de las fallas intervienen las tres fases y, estas pueden ser llamadas fallas trifásicas.
Las fallas son conexiones no planeadas que perturban el equilibrio del sistema. Con el disturbio se inicia un proceso dinámico y la reacción de elementos y controles. La falla tiene un efecto variable a lo largo del tiempo, teniendo los mayores valores de corriente en los primeros ciclos. Aquí se debe señalar que el estudio de fallas convencional se lleva a cabo considerando sólo un instante en el tiempo, como si se tomara una fotografía de la respuesta dinámica del sistema en un momento dado.
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La mayoría de las fallas que ocurren en los sistemas eléctricos, son fallas que consisten en corto circuitos asimétricos, fallas asimétricas a través de impedancias o de conductores abiertos, aquí es donde radica la importancia de la metodología de solución que se maneja en el estudio de fallas. Las componentes simétricas son usadas en el análisis de fallas para determinar las corrientes y voltajes en todas las partes del sistema, después de que ha ocurrido la falla. La condición para aplicar las redes de secuencia de las componentes simétricas es que la red trifásica sea balanceada. Mediante la transformación de componentes simétricas es posible convertir un sistema trifásico acoplado en tres redes de secuencia desacopladas, lo cual se logra mediante la diagonalización de las matrices que representan las impedancias o admitancias de los elementos del sistema.
ANÁLISIS DE FALLAS EN SISTEMAS DESBALANCEADOS. Como se ha mencionado, el sistema eléctrico de distribución no es balanceado en su totalidad, aunado a esto puede ser que la red no sea de configuración trifásica, por lo tanto, es indispensable formular una metodología de solución para sistemas con estas características.
En el análisis convencional para los sistemas eléctricos de potencia se considera que todos los elementos que lo forman son balanceados, por lo cual al utilizar la transformación de componentes simétricas las redes de secuencia quedan desacopladas. Además, como los voltajes internos de los generadores síncronos son balanceados, sólo el voltaje de secuencia positiva es distinto de cero. En la práctica algunos elementos del sistema son balanceados, como es el caso de los generadores y de los transformadores, sin embargo, existen otros elementos del sistema que provocan desbalances, tal es el caso de: •
Cargas desbalanceadas.
•
Líneas de transmisión sin transposición.
•
Bancos trifásicos compuestos por unidades monofásicas distintas y/o con cambiadores de tap independientes para cada fase.
•
Apertura / cierre monopolar.
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En el análisis de los sistemas de potencia desbalanceados las transformaciones matemáticas, como las componentes simétricas, no ofrecen ventaja alguna. Esto se debe a que una matriz de transformación que diagonaliza la matriz de impedancias/admitancias de un elemento, generalmente no-diagonalizará la matriz de impedancias/admitancia de otros elementos. Por esta razón el análisis de los sistemas eléctricos desbalanceados es más conveniente llevarlos a cabo directamente en componentes de fase abc. Las fallas pueden ser modeladas mediante elementos pasivos de valor apropiado, los cuales se incorporan en las matrices nodales usadas en el análisis del sistema. Esto significa que para cada falla en el sistema se tendrá una matriz diferente y que un estudio para fallas en diversos puntos de la red, con una falla a la vez, se deberá repetir el proceso de solución. Lo anterior sugiere que un análisis de fallas debe estar basado en un procedimiento que aproveche las características de las matrices del sistema y de la falla, a fin de resolver diferentes casos de estudio.
La ocurrencia de una falla en un sistema es equivalente a conectar una impedancia de falla Zf, la cual inyecta al sistema una corriente de falla Ik = -If, como se ilustra en la Figura 1. Desde el punto de vista de la respuesta o cambios de tensión de la red, lo importante es la inyección de la corriente Ik en el punto de falla. Si el valor de corriente de falla Ik es conocido, el comportamiento del sistema puede ser evaluado, sin necesidad de modificar la matriz del sistema con el valor de la impedancia de falla. De esta forma los voltajes nodales, una vez que se presenta la falla, pueden ser conocidos superponiendo efectos. Las ecuaciones que representa las condiciones del sistema están dadas en:
Figura 1: Circuito Básico en el Análisis de Fallas
• • • •
= - = = ℎ + ℎ =
Ecuación 1 Ecuación 2 Ecuación 3 Ecuación 4
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Donde podemos ver que:
•
es el Voltaje en el nodo k.
•
es el Voltaje a través de impedancia de falla.
•
ℎ es el Voltaje nodal de prefalla, puede ser del estudio de flujos.
•
ℎ es la Impedancia equivalente del sistema visto desde el nodo de falla.
•
es el Vector de corrientes de falla.
•
es la Impedancia de falla
Por lo expuesto se tiene que el problema básico en un estudio de fallas es la determinación de la corriente de falla If, la cual se puede obtener mediante el principio de superposición y usando el equivalente de Thévenin del sistema, visto desde los puntos de falla. Es importante observar que la impedancia del sistema Zn, no es afectada por la impedancia de falla. En la Figura 2 se muestra la relación entre la corriente y el voltaje en el nodo de falla.
Figura 2: Determinación de las corrientes de falla
La falla puede involucrar más de un nodo, como se muestra en la Figura 2, y para determinar la corriente de falla, los nodos de la red eléctrica en los puntos de falla a (se unen a los nodos de la red de falla (p), con lo cual los voltajes nodales son iguales (2). La corriente inyectada es de la misma magnitud, pero con sentido opuesto a la corriente de falla.
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4.1.1DEFINICIÓN DEL PERIODO SUBTRANSITORIO, TRANSITORIO Y RÉGIMEN PERMANENTE. PERÍODO SUBTRANSITORIO: 1 a 10 ciclos. Intensidad más elevada (Corriente de choque). Esfuerzos electrodinámicos en los elementos. Intensidad subtransitoria PERÍODO TRANSITORIO:1 a 2 seg. Esfuerzos térmicos. Actuación de los elementos de protección. I’cc:
INTENSIDAD TRANSITORIA RÉGIMEN PERMANENTE: Esfuerzos térmicos en los elementos. No debería alcanzarse nunca. Figura 3: Diagrama de los periodos transitorio, subtransitorio
Onda Asimétrica de Cortocircuito: Dependiendo del instante del fallo, aparece una componente de continua durante el período subtransitorio: Figura 4: Onda asimétrica de corriente de cortocircuito cuando el valor inicia de E es igual a 0.
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EL PERÍODO SUBTRANSITORIO: Es el más severo en los valores de las magnitudes de corrientes, tiene una duración muy corta, no mayor a varios ciclos, pero los efectos de las magnitudes de corrientes en este periodo pueden ser devastadores. Un instante después de ocurrida una falla se tiene un estado subtransitorio, el cual se caracteriza porque el rotor pierde o gana un poco de velocidad y por ende tiende a salir de sincronismo. El primer efecto que se observa en ambos ejes es la inducción de tensión en los devanados de amortiguamiento o jaula de ardilla, ya que existe una velocidad relativa entre las barras del devanado y el campo giratorio de la armadura según la ecuación (5) E = (V × B) • l
Ecuación 5
Debido a esta tensión, circula una corriente por el devanado de amortiguamiento y se crea un flujo en sentido opuesto cumpliendo con el teorema del flujo ligado constante [1]; estas corrientes también dan origen a un par de amortiguamiento, el cual lleva el rotor de nuevo a la velocidad sincrónica, poniendo fin al estado subtransitorio. La componente de la corriente continua del devanado de amortiguamiento decae con una constante de tiempo del bobinado de amortiguamiento llamada la constante de tiempo de cortocircuito subtransitoria de eje directo τ’’d. Debido a la magnitud de la resistencia del bobinado de campo y del devanado de amortiguamiento se tiene que τ’’d << τ’ d , por lo tanto la componente cc de la corriente del
bobinado de amortiguamiento decae con mayor rapidez que la componente cc de la corriente de campo. De la relación entre flujo y la reactancia establecida anteriormente y teniendo en cuenta las figuras 1 y 3 se puede concluir que χ’’d es muy pequeña respecto a χd . En el período subtransitorio se tiene una distribución de flujo muy parecida en el eje directo y el eje de cuadratura, con un poco más de reluctancia en este último; esto hace que la reactancia χ’’q sea un poco mayor que χ’’d pero en la práctica se puede afirmar que χ’’d ≈ χ’’q .
Por todo lo anterior, la componente ac de la armadura es de forma sinusoidal con dos envolventes; la primera envolvente de estado subtransitorio con una constante de tiempo τ’’d , la segunda envolvente de estado transitorio que se amortigua con una constante de tiempo τ’ d y posterior a ésta se encuentra una
corriente duradera de cortocircuito. 11
El periodo sub transitorio es el periodo inicial de la corriente de corto circuito. En este periodo contribuyen las bobinas del estator, bobinado del campo y el circuito de amortiguamiento ubicado en la parte móvil de la máquina (jaula ubicada en la cabeza del polo del rotor). Apenas exista deslizamiento en este bobinado comenzará una circulación de corriente por su jaula seccionada la misma que producirá un flujo adicional impidiendo mayores oscilaciones del rotor principal. Por tanto, el bobinado de amortiguamiento es importante para aumentar la estabilidad de los sistemas eléctricos. En ausencia del bobinado de amortiguamiento no existiría el periodo subtransitorio. Cuando la máquina trabaja en periodo permanente el bobinado de amortiguamiento es como si no existiera, no desarrolla ningún trabajo.
EL PERÍODO TRANSITORIO: Corresponde al comportamiento de la corriente desde varios ciclos luego del cortocircuito hasta que se alcanza el régimen permanente, los valores de las corrientes son más severos que las de régimen permanente. Se define como período transitorio o de transición el intervalo durante el cual el vehículo pasa de la situación de equilibrio de marcha rectilínea a la hipotéticamente equilibrada de la curva y viceversa. El comportamiento en el período transitorio es un aspecto fundamental de la manejabilidad de un vehículo: influye en la facilidad de conducción en los recorridos mixtos, en las chicanes o cuando se requieren variaciones continuas y rápidas del asentamiento del vehículo. Durante el período transitorio inicial se produce la sobrecarga progresiva de las ruedas exteriores a la curva con una fuerza vertical substraída a los neumáticos interiores (*transferencia de cargas). Los neumáticos aumentan su deriva (desde cero) hasta alcanzar las condiciones de equilibrio. En el período transitorio final se producen los fenómenos opuestos. Las mejores condiciones de conducción se obtienen cuando durante los períodos transitorios inicial y final, es decir, a la entrada y a la salida de la curva, el vehículo mantiene un comportamiento progresivo; en la práctica, las variaciones de asentamiento causadas por el principio y el final del balanceo deben resultar perceptibles por el conductor, pero no han de requerir maniobras de corrección a determinadas velocidades o incrementar ciertos fenómenos de inestabilidad. Los factores principales que determinan el comportamiento del vehículo durante los períodos transitorios son el momento polar de inercia y la batalla. Durante el período transitorio inicial el vehículo comienza a girar sobre sí mismo y cuanto más grande es el momento de inercia, mayor será el par 12
necesario para hacerlo virar; durante el período transitorio final se produce el fenómeno inverso, es decir, se requiere un par contrario para parar el bandazo del vehículo. El comportamiento en los períodos transitorios, a igualdad de momento de inercia, mejora (trazado más rápido con menores desviaciones) aumentando la batalla, o bien, a igualdad de batalla, disminuyendo el momento de inercia, puesto que el par que debe vencer la inercia equivale al producto de la diferencia entre los agarres de los ejes por la batalla. Los vehículos con las ruedas delanteras directrices, durante el período transitorio inicial se desvían con una rotación lateral alrededor de un punto próximo a las ruedas traseras. El par necesario para que gire el vehículo es suministrado por las ruedas delanteras; sin embargo, durante el período transitorio final, dado que el eje delantero es el primero en reanudar la marcha rectilínea, el eje de rotación se desplaza hacia delante y, como consecuencia, las ruedas traseras deben soportar el bandazo. Estas 2 circunstancias hacen que durante la entrada en la curva se manifieste una tendencia al subviraje, y en la salida, por el contrario, al sobreviraje.
EL RÉGIMEN PERMANENTE: Corresponde a las magnitudes de la corriente una vez que ha transcurrido mucho tiempo luego del cortocircuito, se caracteriza porque los valores de corriente son los menores en magnitud de todo el fenómeno. Este periodo debe ser eliminados por el sistema de protección en el periodo sub transitorio, si ésta falla persiste deberá accionar la protección temporizada (de respaldo) que actúa en el periodo transitorio. La reactancia síncrona (Xs) está definida como: •
X = E/I
Ecuación 6
Siendo: E son los Voltios eficaz fase neutro del G.S antes del corto circuito.
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4.1.2 CORRIENTES SUBTRANSITORIA, TRANSITORIA Y EN RÉGIMEN PERMANENTE. CORRIENTE TRANSITORIA: Se denomina corriente transitoria a aquella corriente eléctrica en la que el flujo de cargas o bien tiende a extinguirse por cesar la causa que lo produce, o bien a estabilizarse en un valor constante tras un período de oscilación. Por lo general, son de corta duración, aumentando o disminuyendo de forma exponencial, y aparecen con frecuencia en los circuitos en los que hay bobinas y condensadores. Figura 5: Diagrama de la Corriente Transitoria
La componente transitoria (Fig.5) es originada por la acción del devanado inductor y se trata de una corriente alterna amortiguada hasta anularse. Su amplitud disminuye exponencialmente con una constante de tiempo T’d cuyo valor es del orden de los segundos. La corriente transitoria es causada por
una corriente transitoria que se produce en el circuito de excitación.
CORRIENTE SUBTRANSITORIA: La componente subtransitoria (Fig. 6) es originada por la acción del devanado amortiguador y, al igual que la transitoria, se trata de una corriente alterna amortiguada hasta anularse. Su amplitud disminuye exponencialmente con una co nstante de tiempo T”d cuyo valor es del orden de las centésimas de segundo y, por lo tanto, se anula al cabo de pocos ciclos de la onda. La corriente subtransitoria es causada por corrientes que circulan en los circuitos amortiguadores y en las masas metálicas de los polos. Figura 6: Diagrama de la Corriente Subtransitoria
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CORRIENTE PERMANENTE: La corriente permanente de cortocircuito (Fig. 7) Se trata de una corriente perfectamente sinusoidal cuyo valor eficaz es Iccp y que está desfasada 90º con respecto a la f.e.m. de vacío e0 (cuyo valor eficaz es E0). La corriente permanente es debida a la corriente de excitación permanente. Figura 7: Diagrama de la Corriente en Régimen Permanente
Cuando el cortocircuito se produce en un punto cualquiera de una red, que por simplicidad puede suponerse alimentada por un único generador, los razonamientos son totalmente análogos, y se considera la impedancia del generador y la de la red entre los bornes del generador y el punto de falla. Se determinan entonces las corrientes subtransitoria y transitoria:
I" = E / (X" + Xr)
Ecuación 7
I' = E / (X' + Xr)
Ecuación 8
A medida que la reactancia de la red se hace preponderante la diferencia entre las corrientes subtransitoria y transitoria se reduce
I" / I' = (X' + Xr) / (X" + Xr) = 1 - (X' - X") / (X" + Xr)
Ecuación 9
Es decir, cuando el punto en el cual se ha producido la falla se encuentra muy alejado de los generadores, la corriente subtransitoria desaparece. 15
La constante de tiempo de la componente unidireccional de la corriente de cortocircuito depende de la impedancia del circuito por el cual circula dicha corriente.
T = L / R = X / (w * R) = (1 / w) * tgfi
Ecuación 10
Para las redes normales esta constante de tiempo alcanza el valor de pocos ciclos. La constante de tiempo subtransitoria es también del orden de algunos ciclos, desapareciendo en tiempos breves. La constante de tiempo transitoria es de larga duración, algunos segundos, y en muchos análisis se desprecia el decremento que produce. Inyectando una corriente de excitación en forma de escalón, en el circuito de excitación se puede determinar, al estudiar la variación consiguiente de tensión la constante de tiempo en vacío.
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4.1.3 CAPACIDAD MOMENTÁNEA E INTERRUPTIVA DE LOS INTERRUPTORES. La capacidad de cortocircuito, es necesario obtener una protección adecuada a este para poder interrumpir la falla y evitar riesgos mayores. El elemento más usado en las instalaciones de tienda de autoservicio es el interruptor termomagnético, que por su diversidad y característica resulta ser la mejor opción. Existen dos formas para interrumpir el flujo de la corriente: produciendo a cero el potencial que lo genera y separando físicamente el conductor de flujo de corriente. Esta última, es la más usada para lograr dicha interrupción. Los primeros interruptores consistían en un juego de barras conductoras sumergidas en mercurio, posteriormente, se diseñó el interruptor con cuchillas que aún es usado en algunas aplicaciones de baja tensión. Las condiciones bajo las que el interruptor opera están determinadas por las características eléctricas del circuito a interrumpir. La operación de un interruptor modifica el estado del circuito en el cual opera. Esta modificación comprende una fase transitoria, en la que se producen una serie de fenómenos transitorios provocados por el paso de un estado a otro. El funcionamiento de los interruptores en el momento de interrupción de las corrientes de corto circuito depende de varios factores que se consideran como condiciones severas. La corriente y la tensión de corto circuito muestran que al efectuarse la interrupción al cruce por cero de la corriente, la tensión que aparece en las terminales del interruptor tiene una influencia importante en su funcionamiento. De hecho, la interrupción exitosa de la corriente depende de esta tensión. Esta tensión en las terminales después de la interrupción de corriente, tiene dos componentes: la primera (inmediatamente después de la interrupción), llamada tensión transitoria de restablecimiento y la segunda (después de que se amortiguan las oscilaciones) que alcanza la tensión de 60 Hz, llamada tensión de recuperación.
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La selección de un interruptor en un sistema eléctrico, depende no sólo de la corriente que el interruptor pueda llevar bajo condiciones normales de operación, sino también de la corriente máxima que pueda circular momentáneamente y de la corriente que tenga que interrumpir al voltaje nominal de la línea a la cual se encuentre conectado.
Figura 8: Tensiones Producidas en un Corto Circuito
Para seleccionar un interruptor termomagnético adecuado debemos conocer primero algunas definiciones que nos servirán de gran ayuda. A continuación, se enuncian algunas de las más importantes:
•
Tensión normal de diseño: Es la tensión máxima para la que fue diseñado el interruptor.
•
Tensión nominal de operación: Es la tensión del sistema donde operará el interruptor.
•
Corriente nominal: Es la corriente máxima que puede circular a través de los contactos principales del interruptor.
•
Capacidad interruptiva: Es la cantidad de corriente que el interruptor puede interrumpir con seguridad.
•
Tensión de control: Es la tensión de los dispositivos secundarios de control.
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De las definiciones anteriores la capacidad interruptiva es la más importante en la selección del interruptor de acuerdo al cálculo de corto circuito trifásico. Esta característica también llamada la potencia máxima de corto circuito que puede soportar un interruptor termomagnético está limitada por:
•
La separación de los contactos en posición abierta.
•
El tiempo que tardan en abrirse los contactos y llegar a la separación máxima.
•
La capacidad de la cámara de extinción para enfriar los gases del arco.
Si la capacidad de corto circuito se especifica en amperes se entiende que el voltaje de restablecimiento es el voltaje nominal. Si la corriente de corto circuito sobrepasa la capacidad interruptiva, las paredes de la cámara de extinción no son capaces de enfriar los gases ionizados y la corriente sigue fluyendo. Entonces la energía disipada por el arco por efecto Joule, debida a la resistencia del arco, aumenta súbitamente y en fracciones de segundo los gases aumentan de volumen produciendo una explosión. Lo mismo sucede si la corriente es menor que la corriente máxima de corto circuito, pero el voltaje de restablecimiento es mayor que el voltaje nominal, ya que este voltaje restablece la corrient e después de cada paso por cero y el arco se mantiene.
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4.1.4 CAPACIDAD DE CORTO CIRCUITO O NIVEL DE FALLA. Según la norma VEI 151-03-04 se define. Cortocircuito como, conexión accidental o intencionada de dos o más puntos de un circuito con tensiones o potenciales eléctricos diferentes, por intermedio de una resistencia o una impedancia de pequeño valor. El análisis de situaciones anómalas permite proteger y alargar la vida de los componentes eléctricos que forman una red, y asimismo resultan imprescindibles para dimensionar y seleccionar los sistemas de protección más idóneos para cada fallo y situación en concreto. Los cortocircuitos no son frecuentes y, cuando se producen, apenas duran unas décimas de segundo, pero sus consecuencias son tan graves e imprevisibles que obligan a un constante estudio y mejora de los dispositivos de protección a ellos destinados. La mayor parte de las normas de protección de las instalaciones eléctricas nos indican que no sólo deben considerarse las corrientes y tensiones debidas a las cargas de servicio, sino también las debidas a sobrecargas producidas por los cortocircuitos. Las corrientes de cortocircuito presentan valores mayores a los nominales, provocando sobrecargas térmicas y electrodinámicas elevadas, aparte las corrientes de cortocircuito que circulan por tierra pueden ser causa de tensiones e interferencias inadmisibles. La corriente de cortocircuito consta de una corriente alterna de frecuencia de servicio, con amplitud variable en el tiempo, y de una corriente continua (aperiódica) superpuesta, que se atenúa hasta hacerse cero. Los objetivos del cálculo de las corrientes de cortocircuito son: •
Definir la capacidad de ruptura de los interruptores necesarios en las diversas partes de un sistema eléctrico de potencia (SEP), para lo que se realiza normalmente un cálculo de cortocircuito trifásico simétrico, debido a que este tipo de falla produce las corrientes de cortocircuito más elevadas en la mayoría de los casos.
•
Ayudar a establecer un sistema adecuado de protección para diversas condiciones de falla, para lo que se debe realizar un cálculo de distribución de corrientes en la red del SEP tanto para cortocircuitos simétricos como asimétricos (usualmente el cortocircuito monofásico). 20
En general, el Cálculo de Cortocircuitos debe proporcionar los siguientes resultados: •
La corriente en el punto de falla.
•
La potencia de cortocircuito en el punto de falla.
•
La distribución de corrientes post-falla en todas las líneas del SEP.
•
Las tensiones post-falla en todas las barras.
CONSECUENCIAS DE LOS CORTOCIRCUITOS. Las consecuencias de los cortocircuitos son variables dependiendo de la naturaleza y duración de los defectos, el punto de la instalación afectado y la magnitud de las corrientes. En general podemos considerar algunos de los siguientes efectos:
•
En el punto de defecto: La presencia de arcos con deterioro de los aislantes, fusión de los conductores, principio de incendio y riesgo para las personas.
•
Para el circuito o equipo defectuoso: Esfuerzos electrodinámicos, con deformación de los juegos de barras, rotura de aisladores, averías en bobinados de transformadores o máquinas eléctricas rotativas. Esfuerzo térmico, con sobrecalentamientos con riesgo de deterioros de los aislantes.
•
Para el resto de la instalación: Disminución de la tensión durante el tiempo de eliminación del defecto (en BT 10 a 100 ms), puesta fuera de servicio de una parte de la instalación, perturbaciones en los circuitos de control y comunicaciones.
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4.1.5 CÁLCULO DE CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO. Se considera normalmente que el defecto trifásico es el que provoca las corrientes más elevadas. El cálculo de Icc3 es pues indispensable para elegir los materiales (intensidades y esfuerzos electrodinámicos máximos a soportar). Figura 9: Defecto Trifásico
Ecuación 11
Ocurre infrecuentemente. •
Enlace trifásico con conexión a tierra para el mantenimiento, pero hecha vivo accidentalmente.
•
Una falla a tierra se extiende a través a las otras 2 fases debido a una aclaración de la avería.
Es un tipo de falla importante. •
Cálculo fácil.
•
Dar la respuesta pesimista para el peor caso de aclaramiento lento de la falla.
Se asume que, si un interruptor puede despejar una avería trifásica, puede despejar cualquier otra avería también. Por lo tanto, es su capacidad nominal en MVA que debe ser por lo menos igual al nivel 22
de falla trifásico en MVA. Pues los interruptores se fabrican en tamaño estándar de preferencia, por ejemplo 250, 500, 750 MVA. Un cálculo de alta precisión no es generalmente necesario determinar el nivel de falla trifásico. Las asunciones siguientes se hacen generalmente:
•
Inmediatamente antes de la avería, el sistema está en sin carga y todas las corrientes se desprecia n excepto la corriente de avería.
•
Todos los generadores están funcionando en su voltaje nominal, inafecto por la avería y se pueden substituir por un solo generador equivalente (es el paralelo de las fuentes).
•
Se desprecia las resistencias serie y las admitancias en derivación y cualquier la reactancia inductiva del sistema se tiene en cuenta - ésta da la mínima impedancia del sistema y la máxima corriente de falla; una respuesta pesimista.
Dependiente en el tiempo que transcurre de la incidencia de la avería, la reactancia transitoria o subtransitoria debe ser utilizado en la representación del generador. El tiempo de la abertura del interruptor está en el rango de 2-8 y como la componente DC es ignorada en el cálculo de la corriente de avería, un factor de multiplicación es necesario tomar en cuenta. Figura 10: circuito equivalente de un cortocircuito trifásico simétrico.
Donde • • •
X: reactancia/fase total del sistema. E: f.e.m./fase de las fuentes común a la barra. If: corriente de falla.
La corriente de falla es: 23
Ecuación 11 Y el nivel de falla trifásico total es: Ecuación 12
Si Z es expresado en p.u.
Ecuación 13 Ecuación 14 Por ejemplo:
El nivel de la avería puede ser encontrado si la impedancia total en por unidad de la fuente es conocida. La impedancia total por unidad de la fuente al punto de avería se puede encontrar por análisis del circuito.
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4.2 COMPONENTES SIMÉTRICAS Las fallas simétricas, esto es, las fallas trifásicas y las fallas trifásicas a tierra, con impedancias simétricas a la falla, deja el sistema eléctrico balanceado y, por lo tanto, puede ser tratado mediante la representación monofásica. Esta simetría se pierde durante fallas asimétricas línea a tierra, línea a línea, y línea-línea a tierra y en estos casos se requiere un método de análisis de fallos que proporcione una manera conveniente que trate el problema de la asimetría. En 1918 se propuso el método de las componentes simétricas en el cual, un sistema desbalanceado de n fases relacionadas se puede reemplazar por un sistema de n fases balanceadas que son llamadas componentes simétricas de las fases originales. Aunque el método puede ser aplicado a cualquier sistema polifásico desbalanceado, la teoría es aplicada aquí a sistemas trifásicos. Cuando se considera un sistema trifásico, cada cantidad vectorial de voltaje o corriente es reemplazada por 3 componentes tal que un total de 9 vectores desiguales representan los valores de las tres fases. Los 3 sistemas balanceados del sistema se designan como:
•
Componentes de secuencia positiva, que consisten de 3 fasores de igual magnitud, separados 120°, girando en la misma dirección que los fasores del sistema de potencia bajo consideración (dirección positiva)
•
Componentes de secuencia negativa, que consisten de 3 fasores de igual magnitud, separados 120°, girando en la misma dirección que los fasores de secuencia positiva pero en secuencia inversa.
•
Componentes de secuencia cero, que consisten de 3 fasores de igual magnitud y en fase con los demás, girando en la misma dirección que los fasores de secuencia positiva.
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CONCLUSIONES La ocurrencia de fallas en un sistema es de naturaleza aleatoria, y su estudio requiere de bases só lidas para la definición del problema y la explotación de resultados. El momento de ocurrencia de la falla, el tipo de falla, el lugar donde ocurre, las fases involucradas y la evolución del tipo de falla son algunas características que debe considerar un buen esquema de detección de fallas y coordinación de protecciones. La detección de fallos por su naturaleza investigativa y detectora, es fundamental dentro del proceso de supervisión de cualquier fabrica e industria, ya que es capaz de permitir a industriales la localización de alguna anomalía presente en sus procesos lo que repercutiría en la rapidez de la toma de decisiones que en este tipo de entornos es crucial. Se puede señalar a demás, que existen diversos tipos de detección de fallas entre los cuales, los estudiados fueron los que dependen de la naturaleza del conocimiento disponible sobre el proceso, específicamente los basados en métodos analíticos, los cuales se apoyan en criterios matemáticos sólidos para el cálculo de las distintas señales que fungirán como rango de medida optima disponible para comparar y detectar anomalías futuras en la industria.
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