Sistemas El ctricos de Potencia

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN
Departamento: INGENIERÍA ELÉCTRICA
Asignatura: SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA
Bloque: Tecnologías Aplicadas
Área: Sistemas de Potencia
Horas/año: 96
1. Fundamento de la materia dentro del plan de estudios
La materia corresponde al último año del plan de estudios de la
carrera de Ingeniería Eléctrica y forma parte del bloque de materias
relacionadas con las Tecnologías Aplicadas
En el campo laboral el profesional formará parte de los equipos de
trabajo de alguno de los actores del Mercado Eléctrico Mayorista Argentino
(MEM), donde deberá resolver problemas de diseño y/o gestión en los que
seguramente habrán intereses contrapuestos entre los aspectos técnicos,
económicos y sociales y entre los mismos actores del MEM. Por lo tanto, desde
la cátedra se inculcará la búsqueda del equilibrio y de la solución más
eficiente a partir una visión amplia que no descuide todos los intereses en
cuestión.
Es por ello que se considera fundamental para motivar al alumno,
bajando desde la teoría hacia el terreno práctico, el valioso aporte que puede
dar el profesor presentando ejemplos de aplicación reales encarados a lo largo
de su carrera profesional.
2. Objetivos
Los objetivos y contenidos de la materia están en un todo de acuerdo
con la Ordenanza N° 1026 emanada por el Consejo Superior Universitario de
la Universidad Tecnológica Nacional.
El propósito primordial será proporcionar al alumno los conocimientos
específicos sobre la constitución, modelado y resolución de los problemas
relacionados con la administración y explotación eficiente de los Sistemas
Eléctricos de Potencia, tanto en condiciones normales como de falla y
transitorias.
3. Contenidos
El contenido de la materia apuntará a que el alumno aprenda a:



modelar los distintos elementos componentes de una red de
potencia
armar esa red de acuerdo al estudio que interesa efectuar y
resolver el problema, seleccionando y aplicando el método más
adecuado
Para ello el dictado de la materia deberá proporcionar al alumno los
conocimientos y criterios necesarios para que éste:





comprenda el funcionamiento de cada componente de la red y
seleccione la representación circuital apropiada de acuerdo con el
tipo de estudio en cuestión.
conozca y comprenda los problemas que pueden presentarse al
especialista en sistemas de potencia y que originan la necesidad
de los estudios (Flujos de Potencia, Cortocircuito, Estabilidad
Transitoria, Coordinación de la Aislación, etc.),
pueda plantear dichos problemas,
conozca, entienda y pueda aplicar los diferentes métodos que se
han desarrollado para resolverlos (Gauss-Seidel, Componentes
Simétricas, Criterio de Igualdad de las Áreas, Diagrama de
Celosía, etc.) y
pueda interpretar y tomar decisiones a partir de los resultados
obtenidos, especialmente en aquellos casos en que éstos resulten
de la aplicación de algún software.
Se realizarán trabajos de aplicación de los conocimientos adquiridos a
sistemas reales, mediante cálculos manuales y el empleo de software
apropiado (DIgSILENT Power Factory, ATP y programas desarrollados por el
Director de la cátedra.)
4. Programa
I. Parámetros Característicos de las Líneas Eléctricas.
a) Aéreas. Clases de conductores utilizados (macizos, cableados,
simples, compuestos o en haz). Resistencia y los efectos de la temperatura y la
frecuencia. Enlaces de flujo magnético de un conductor simple o compuesto.
Inductancia propia de un conductor tendido en el aire y recorrido por una
corriente que retorna por tierra. Inductancias mutua entre dos conductores
tendidos en el aire y recorridos por corrientes que retornan por tierra
(Ecuaciones de Carson). Extrapolación a conjuntos de conductores que forman
una línea trifásica de una o más ternas. Transposiciones de fases. Reactancias
inductivas a las secuencias directa y homopolar: expresiones analíticas,
tabulaciones, influencia del efecto pelicular y de la resistividad del terreno,
influencia del cable de guarda. Potencial de un conductor simple o compuesto
tendido en el aire. Extrapolación a un conjunto de conductores que forman
una línea trifásica de una o más ternas. Capacitancia a las secuencias directa
y homopolar: expresiones analíticas, tabulaciones, influencia del terreno y del
cable de guarda. Conductancia de la línea. Pérdidas por aislación imperfecta.
Efecto Corona, Radiointerferencia, campos magnéticos y eléctricos en la
vecindad de la línea.
b) Cables. Clases de conductores (concéntricos, compactos, sectoriales),
pantallas y aislantes (líquidos, sólidos) utilizados. Tripolares y unipolares.
Parámetros (resistencia, inductancia y capacitancia) de secuencia directa y
homopolar.
II. Cálculo Eléctrico de Líneas de Transmisión en CA y CC.
a) con parámetros distribuidos. Ecuaciones generales de la línea larga.
Ondas de tensión y corriente. Velocidad de propagación, longitud de onda e
impedancia característica. Coeficientes de reflexión y refracción. Ondas
estacionarias. Solución para régimen fasorial. Forma hiperbólica de las
ecuaciones de la Línea Larga y cálculo de las constantes ABCD.
Representación circuital en “Pi” y en “T” de la Línea Larga. Diagramas
Circulares de Potencia. Potencia Natural. Líneas adaptadas, compensadas y
sin pérdidas.
b) con parámetros concentrados. Líneas cortas y medias como casos
particulares de la Línea Larga.
c) Cálculos. De caídas de tensión, regulación y rendimiento. Efecto Ferranti. Diagramas fasoriales.
III. Modelado de componentes de los Sistemas de Potencia.
a) Demandas. Representación de las demandas como Impedancias
Constantes, como extracciones de corrientes constantes o de potencias
constantes.
b) Transformadores. El transformador desde el punto de vista del
Sistema de Potencia. Circuitos equivalentes de secuencia directa y homopolar
de transformadores monofásicos, trifásicos de dos y tres devanados, y de
autotransformadores. Reactores de neutro.
c) Máquinas Rotantes. El generador sincrónico desde el punto de vista
del Sistema de Potencia. Circuitos equivalentes de secuencia directa
subtransitoria, transitoria y permanente; determinación de sus reactancias
subtransitoria, transitoria y permanente mediante oscilogramas. Circuitos
equivalentes de secuencia inversa y homopolar. Curva de Cargabilidad. Los
motores de inducción desde el punto de vista del Sistema de Potencia.
Circuitos equivalentes de secuencia directa subtransitoria, inversa y
homopolar.
IV. Sistemas de CA en régimen balanceado y estacionario.
Diagrama unifilar de un sistema de potencia. Diagrama de impedancias
de secuencia directa en valores reales. El método de cálculo en valores
relativos o “por unidad”. Diagramas de impedancias de secuencia directa en
valores “por unidad”. La red representada por su matriz admitancia nodal.
Planteo del “problema de flujos de carga”. Aplicación de los métodos de Gauss,
Gauss-Seidel y de Newton-Raphson (y sus variantes “desacoplado” y
“desacoplado rápido”), a la resolución del “problema de flujos de carga”.
Empleo de programas digitales de cálculo. Métodos de control de los flujos de
carga. (FACTS, SVS, etc.).
V. Despacho económico de cargas.
Distribución de cargas entre unidades de una misma central. Pérdidas
de transmisión en función de la producción de la central. Cálculo de los
coeficientes de pérdida. Distribución de carga entre centrales. Despacho
automático de carga.
VI. Estudios de fallas en los Sistemas de Potencia.
Diagrama de impedancias de secuencia homopolar en valores por
unidad. Cortocircuito en una red eléctrica entre sus tres conductores de fase y
tierra a través de tres impedancias diferentes: presentación del problema y de
su solución a través del método de resolución de las “Componentes
Simétricas”. Cortocircuito trifásico, monofásico, bifásico aislado y bifásico a
tierra. Resolución analítica y por interconexión de las redes de secuencia.
Análisis de cortocircuitos en redes sencillas. Cortocircuitos en redes
complejas: la representación de la red mediante su matriz impedancia de barra
y los métodos computacionales de cálculo.
VII. Estabilidad en los Sistemas de Potencia.
Presentación del problema. Definición y clasificación. Estabilidad en
régimen estacionario y transitorio; sus límites. El sistema máquina-barra
infinita. Estabilidad en régimen transitorio: hipótesis simplificativas,
constantes mecánica de la máquina, ecuación de oscilación, métodos de
resolución del problema de la estabilidad transitoria indirectos (El criterio de la
igualdad de las áreas) y directos (integración numérica de resolución de la
ecuación de oscilación). Aplicaciones típicas del criterio de la igualdad de las
áreas. Empleo de programas digitales de cálculo. Factores que afectan la
estabilidad y recursos para mejorarla. Introducción al estudio de la estabilidad
en sistemas con varias máquinas.
VIII. Sobretensiones en Sistemas de Potencia.
Clasificación por duración y origen: descargas atmosféricas, de
maniobra o por fallas. Formas de Ondas Normalizadas. Modelado de los
Componentes de una Red según el tipo de sobretensión a analizar.
Propagación de sobretensiones por una línea ideal: solución de la ecuación
diferencial; interpretación por ondas viajeras; velocidad e impedancia de onda.
Cálculo de sobretensiones en puntos de transición por el método de Bewley o
“de Celosía”; reflexión y refracción de ondas; reflexiones sucesivas. Líneas de
Adaptación. Reducción y Control de las Sobretensiones. Tratamiento de los
Interruptores. Tratamiento de los Descargadores de Sobretensión.
5. Práctica
Al finalizar cada una de las Unidades Temáticas se resolverán ejemplos
sencillos, de tal manera de afianzar la teoría antes expuesta.
Se buscará que el alumno intervenga durante el proceso de resolución
de los mismos, buscando despejar sus dudas respecto de la correcta
interpretación de la exposición teórica previa.
Asimismo, se expondrán
profesional del profesor.
casos
reales
resueltos
en
el
ejercicio
Dado que se trata de una materia típica de la especialidad, se pretende
crear un ambiente de trabajo similar al de actuación de los Ingenieros
dedicados el estudio de los sistemas de potencia.
Las clases prácticas consisten básicamente en la resolución asistida de
problemas en clase estrechamente relacionados con los temas teóricos
previamente desarrollados.
Se recurre al uso de pizarrón y también a la proyección de
transparencias como medio para agilizar el desarrollo de las prácticas que
debido a su intensidad terminarán siendo concluidas en casa.
Por último cabe agregar que las clases prácticas antes aludidas se
complementan en laboratorio con la simulación digital de un sistema de
potencia de mayor dimensión que los utilizados en las clases de problemas con
la finalidad de realizar un análisis de sensibilidad de las variables de control y
de esta forma consolidar los conceptos que se van consiguiendo con la
resolución de problemas.
6. Metodología de enseñanza
Se cumplirá la secuencia:
I. Teoría.
La teoría se expondrá buscando transmitir al alumno el método de
razonamiento que debe seguir ante cada tema. Esto es, identificar primero el
problema u objetivo, plantear el mismo y finalmente aplicar algunas de las
herramientas del arsenal matemático-electrotécnico que permita resolverlo,
remarcando aquella que los hace con mayor efectividad.
Las clases teóricas se imparten mediante la proyección
transparencias cuyas fotocopias obran en poder de los alumnos.
de
El material en cuestión está compuesto esencialmente por ecuaciones y
figuras y ocasionalmente por textos aclaratorios. A estos últimos se recurre
sólo cuando se trata de temas más complejos que la generalidad.
De esta forma, se induce la activa participación del alumno en clase ya
que debe completar su material de estudio.
En síntesis, se trata de una estrategia que conduce a “clases
participativas” y que permite desarrollar el extenso programa de la asignatura.
Obviamente, también se hace un uso intensivo del el pizarrón para el
desarrollo de los temas y efectuar aclaraciones.
II. Exposición y explicación de casos reales resueltos.
Los casos reales resueltos que se les expondrá tienen por objeto
motivarlos en el aprendizaje de cada uno de los temas y otorgarles confianza
en la efectividad de lo enseñado.
III. Ejemplos resueltos manualmente.
Los ejemplos resueltos manualmente les permitirá averiguar si han
comprendido realmente la teoría y les irá dando confianza en las bondades de
la misma.
IV. Trabajos Prácticos realizados mediante el auxilio de programas
digitales de cálculo.
Fuera de la carga horaria propia de la materia, los alumnos realizarán
Trabajos Prácticos mediante el auxilio de programas digitales de cálculo
permitiendo:
(a) tomar contacto con una herramienta ineludible a la hora de resolver
casos reales, y por ende de alta complejidad,
(b) desentenderse del esfuerzo de cálculo matemático para así
concentrarse en lo analítico−conceptual,
(c) explorar variantes del caso original con mínimo consumo de tiempo y
esfuerzo, arribando a valiosas conclusiones conceptuales, etc.
(d) participar de una experiencia similar, a mucha menor escala, a la
que enfrentará en su futura vida profesional.
V. Coloquio
El coloquio se desarrollará durante todas las etapas anteriores, con el
objeto de motivar a los alumnos a que desarrollen una actitud participativa y
crítica frente a los conocimientos que le están siendo impartidos,
acentuándose al finalizar las mismas para así evaluar cuan exitoso fue el
objetivo planteado: la comprensión del problema tratado y su resolución.
7. DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES TEÓRICAS Y PRÁCTICAS
4
2
UT1
Parámetros características de las
líneas subterráneas (cables).
4
3
UT1
4
UT1
Manejo del Software Digsilent
Power Factory
Análisis de funcionamiento del
Sistema NOA en régimen
estacionario.
5
UT2
Cálculos eléctricos de líneas de
trasmisión de CA, con parámetros
distribuidos.
4
6
UT2
Cálculos eléctricos de líneas de
trasmisión de CA, con parámetros
concentrados; líneas cortas y
medias y como casos particulares
de línea larga.
4
7
UT2
Cálculos eléctricos de líneas de
trasmisión de CA
4
8
UT2
Cálculos eléctricos de líneas de
4
4
4
Proyecto y
diseño
Resolución de
problemas de
Ingeniería
Teoría
Semana
Teoría,
Aula
TEMA A DESARROLLAR:
Taller/
Laboratorio
:
Descripción
de la
Actividad
UT1
Parámetros características de las
1
líneas aéreas.
Formación
Experimen.
Laboratorio
Las horas consignadas en esta planilla son horas cátedras (45 minutos). Las
horas reloj totales son: Horas año: 96, Horas de Teoría 39, Resolución de
problemas de Ingeniería: 27hs; Proyecto y diseño: 30hs
trasmisión de CA
9
UT3
Modelado de componentes de los
Sistemas de Potencia. Demandas.
4
10
UT3
Modelado de componentes de los
Sistemas de Potencia.
Transformadores.
4
11
UT3
Modelado de componentes de los
Sistemas de Potencia. Máquinas
rotantes
4
12
UT3
Modelado Líneas
4
13
UT3
Modelado Transformador
4
14
UT3
Modelado Máquinas rotantes
4
15
UT4
Sistemas de CA en régimen
balanceado y estacionario, flujo de
carga.
4
16
UT4
Sistemas de CA en régimen
balanceado y estacionario, flujo de
carga.
2
Examen Parcial
2
16
17
UT4
Flujo de carga.
4
18
UT4
Flujo de carga.
4
19
UT4
Flujo de carga.
4
20
UT4
Flujo de carga.
4
21
UT5
Despacho económico de cargas
22
UT5
Despacho económico de cargas
4
23
UT5
Despacho económico de cargas
4
24
UT6
Estudios de fallas en los sistemas
de potencia. “Componentes
Simétricas”. Cortocircuito trifásico,
monofásico, bifásico aislado y
bifásico a tierra. Resolución
4
4
analítica y por interconexión de las
redes de secuencia.
25
UT6
Estudios de cortocircuito.
4
26
UT6
Estudios de cortocircuito
4
27
UT6
Estudios de Cortocircuito
4
28
UT6
Estudios de Cortocircuito
4
29
UT7
Estabilidad en los Sistemas de
Potencia. Aplicaciones típicas del
criterio de la igualdad de las áreas.
Empleo de programas digitales de
cálculo.
30
UT7
Cálculos de estabilidad en sistemas
sencillos.
4
31
UT7
Cálculos de estabilidad en sistemas
sencillos.
4
32
UT8
Sobretensiones en sistemas de
potencia.
Propagación
de
sobretensiones por una línea ideal:
solución de la ecuación diferencial;
interpretación por ondas viajeras;
velocidad e impedancia de onda.
Cálculo de
sobretensiones en
puntos de transición por el método
de Bewley o “de Celosía”; reflexión y
refracción de ondas; reflexiones
sucesivas.
2
Examen Parcial
2
32
Totales (hs. Cátedra, 45’)
4
52
36
40
8. Metodología de evaluación
Para la regularización de la materia el alumno deberá cumplir con los
siguientes requisitos:

Tener una asistencia a clases teóricas-prácticas y prácticas no menor al
75 % del total que se imparte.

Tener aprobado el 100 % de los Trabajos Prácticos.

Tener un puntaje mínimo de cincuenta puntos en cada examen parcial
(dos parciales a lo largo del año) o en el correspondiente examen
recuperatorio.
Además dentro de la Práctica con Software el alumno deberá cumplir con los
siguientes requisitos:

Tener una asistencia a clases prácticas no menor al 80 % del total que
se imparte.

Tener aprobado el 100 % de los Trabajos Prácticos.

Tener un puntaje mínimo de cuarenta puntos en cada parcial (dos a lo
largo del año) o en su correspondiente recuperatorio.

Para quienes hayan aprobado sólo un parcial (o su recuperatorio),
podrán rendir un examen integral que deberá ser aprobado con un
puntaje mínimo de cuarenta puntos.
La materia se aprueba con nota no menor a 4 en el examen final.
Nota: La carga horaria de la teoría incluye la resolución de ejemplos
sencillos en forma manual, de acuerdo a lo descrito en el punto 6
(Metodología).
9. Recursos didácticos a utilizar como apoyo a la enseñanza.
Dada la gran cantidad de información y datos que intervienen en la
resolución de un problema relacionado con los sistemas eléctricos de potencia,
y el considerable tiempo que llevaría resolver los mismos de manera manual,
para el análisis de problemas más complejos, los alumnos contarán con el
auxilio de los siguientes programas digitales de cálculo:

DIgSILENT Power Factory: software básico para la resolución de
problemas de flujo de carga, estabilidad y cortocircuito.

ATP (Alternative Transient Program): Software gratuito para el
cálculo de parámetros de líneas y cálculo de transitorios
electromagnéticos.
Así mismo, también se emplearán programas desarrollados a lo largo de
la carrera profesional del director de la cátedra:

CEMLAT: software para el cálculo de parámetros eléctricos de
líneas de alta tensión y la evaluación de campos eléctricos,
campos magnéticos y radiointerferencia originados por las
mismas.

DESEQLIN: software para el cálculo
corrientes en líneas de alta tensión.
de
desequilibrio
de
10.
Bibliografía
La bibliografía estará integrada tanto por los grandes clásicos de
Sistemas Eléctricos de Potencia, así como aquella bibliografía moderna
disponible en el mercado:

J. Duncan Glover y Mulukutla S. Sarma “Sistemas de Potencia,
Análisis y Diseño”, International Thomson Editores S.A.

William D. Stevenson y John J. Grainger “Análisis de Sistemas
Eléctricos de Potencia”, Editorial McGraw-Hill.

P. Kundur “Power system stability and control”, IEPRI, McGraw Hill.

Jacinto Viqueira Landa “Redes eléctricas. en régimen permanente
equilibrado”, Representaciones y Servicios de ingeniería.
 Jacinto Viqueira Landa “Redes eléctricas. redes eléctricas en regimen
permanente desequilibrado y en régimen transitorio. Operación de los
sistemas de energía eléctrica”, Representaciones y Servicios de
ingeniería.
 Kothari D. P.,McGraw-Hill. Interamericana de Mexico, 2008 “Sistema
Eléctricos de Potencia”

Richard Roeper “Corrientes de Cortocircuito en Redes Trifásicas”,
Editorial Siemens-AG.

P. Anderson, “Analysis of Faulted Power Systems”. Iowa State Press.