Perturbaciones en la onda de tensión: Huecos [sag] y Sobretensiones [swell] Calidad del servicio eléctrico [Power Quality] Juan José Mora Flórez [email protected] Girona, Marzo 11 de 2003 j.j. Ö Contenido Introducción Definiciones Características de los huecos de tensión Causas de los huecos de tensión Relación entre fallas del sistema y los huecos Conclusiones j.j. ÖIntroducción Introducción Variaciones de tensión Perturbaciones según IEEE Estándares internacionales Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Variaciones de tensión Perturbaciones • Transitorios • Huecos de tensión [sags (América) ó dips (Europa)] • Elevaciones de tensión [swells] • Interrupciones Estado estable Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. • Regulación de tensión • Distorsión Armónica • Parpadeo [Flicker] • Desbalance Perturbaciones de tensión según la IEEE 1159 Introducción Variaciones de tensión Perturbaciones según IEEE Estándares internacionales Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. Duración Magnitud 0,5 – 30 ciclos 30 ciclos – 3 3 s – 1 min 0,1 – 0,9 p.u. 0,1 – 0,9 p.u. 0,1 – 0,9 p.u. 0,5 – 30 ciclos 30 ciclos – 3 3 s – 1 min 1,1 – 1,8 p.u. 1,1 – 1,8 p.u. 1,1 – 1,8 p.u. Variaciones de larga duración Subtensión Sobretensión > 1 min > 1 min 0,8 – 1,0 p.u. 1,0 – 1,2 p.u. Interrupciones Momentáneos Temporales Colapso <3s 3 s – 1 min > 1 min 0 p.u. 0 p.u. 0 p.u. Tipo de variación Variaciones de corta duración Huecos de tensión [sag o dip] Instantáneos Momentáneos Temporales Elevaciones de tensión [swell] Instantáneos Momentáneos Temporales Estándares Internacionales Introducción Variaciones de tensión Perturbaciones según IEEE Estándares internacionales Perturbación Huecos de tensión Definiciones Características de los huecos Transitorios y sobretensiones Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. Categoría de normalización Estándares IEEE Estándares IEC Ambiente/compatibilidad IEEE 1250 IEC 61000-2-4 Emisión/Límites de inmunidad IEEE P 1346 IEC 61000-3-3/5 (555) Pruebas y Medidas Ninguna IEC 61000-4-1/11 Instalación/Mitigación IEEE 446,1100, 1159 IEC 61000-5-X Apertura del fusible IEEE 242(Protección) IEC 364 Ambiente/Compatibilidad IEEE/ANSI C62.41 IEC 61000-2-5 Emisión/Límites de inmunidad Ninguna IEC 61000-3-X Pruebas y Medidas IEEE/ANSI C62.45 IEC 61000-41/2/4/5/12 Instalación/Mitigación C62 series, 1100 IEC 61000-5-X Ruptura de aislamiento Ninguna IEC 664 ÖDefiniciones Definiciones Transitorio impulsivo Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Subtensión de subciclo Sobretension de subciclo Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. Transitorio impulsivo Current (kA) Introducción Time (µs) Es un cambio de frecuencia instantáneo a partir del estado estable de la corriente, el voltaje o ambos. Tiene una polaridad unidireccional y se caracteriza principalmente por sus tiempos de subida y bajada y su valor máximo. Ej: 1.2/50 microseg 12000 A Transitorio oscilante Introducción Definiciones Transitorio Oscilante Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Subtensión de subciclo Sobretension de subciclo Características de los huecos Son señales de voltaje o corriente cuyos valores instantáneos Causas de los huecos cambian de polaridad rápidamente. Relación entre las fallas y los huecos Alta frecuencia: f > 500 kHz y duración [microseg]. Media frecuencia: 5 < f < 500 kHz y duración [décadas de microseg] Conclusiones Baja frecuencia: f < 5 kHz y duración [0.3 a 50 ms] j.j. ÖDefiniciones Introducción Hueco de tensión [sag – dip] Definiciones Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Subtensión de subciclo Sobretension de subciclo x 4 1 0 4 3 2 1 0 -1 Características de los huecos -2 -3 Causas de los huecos -4 0 5 0 1 0 0 1 5 0 T im Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. 2 0 0 e (m 2 5 0 3 0 0 3 5 0 s ) Disminución del valor eficaz de la tensión entre el 0,9 y el 0,1 p.u. de la tensión de funcionamiento normal y con una duración desde medio ciclo (8 ms o 10 ms) hasta algunos segundos. Elevación de tensión [swell] Introducción Definiciones Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Subtensión de subciclo Sobretension de subciclo x 4 1 0 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. -4 0 5 0 1 0 0 1 5 0 T im 2 0 0 e (m 2 5 0 3 0 0 3 5 0 s ) Incremento del valor eficaz de la tensión entre el 1,1 y el 1,8 p.u. de la tensión de funcionamiento normal, con una duración de entre medio ciclo (8 ms o 10 ms) y algunos segundos. Valor eficaz de la tensión Introducción Valor eficaz: Definiciones Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Subtensión de subciclo Sobretension de subciclo Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. Valor eficaz obtenido cada muestra: Valor eficaz obtenido cada ciclo: N V rms = 1 N ∑ V rms (k ) = 1 N k V rms (kN ) = 1 N Componente fundamental de tensión: t i =1 v i2 2 v ∑ i i = k − N +1 kN 2 v ∑ i i = ( k −1 ) N + 1 2 V1 (t ) = ∫ v (τ )e jω 0t dτ T t −T Desbalance de tensión: Introducción Definiciones Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Subtensión de subciclo Sobretension de subciclo Características de los huecos Causas de los huecos Condición para la cual las tres tensiones de un sistema trifásico, difieren en magnitud y/o no están desfasadas 2π/3 radianes entre si. Magnitud del desbalance: La máxima desviación de la magnitud de tensión de cada una de las tres fases con respecto a la magnitud promedio del sistema trifásico, dividida por la magnitud promedio. Ángulo de fase del desbalance: Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. La máxima desviación de la diferencia de ángulos de fases entre las tres tensiones del sistema, dividida entre 2π/3 radianes. Introducción Definiciones Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Subtensión de subciclo Sobretension de subciclo Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. Relación de desbalance de secuencia negativa: Es la relación entre las tensiones de la secuencia negativa y la secuencia positiva, multiplicada por 100%. Relación de desbalance de secuencia cero: Es la relación entre las tensiones de la secuencia cero y la secuencia positiva, multiplicada por 100%. Muescas de tensión: Introducción Definiciones Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Subtensión de subciclo Sobretension de subciclo Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. Conmutación entre las tensiones de un sistema trifásico u otro disturbio en la onda de tensión de duración menor a medio ciclo, e inicialmente de polaridad contraria al de la onda de tensión. Sobretensión subciclo: Introducción Definiciones Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Sobretensión de subciclo Subtension de subciclo Incremento repentino de la tensión de corta duración (menor a medio ciclo) y unidireccional . Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos 0 5 0 1 0 0 1 5 0 T Conclusiones j.j. im e ( m 2 0 0 s ) 2 5 0 Subtensión subciclo: Introducción Definiciones Hueco de tensión Elevación de tensión Valor eficaz Desbalance de tensión Muescas de tensión Sobretensión de subciclo Subtensión de subciclo Decremento repentino de la tensión de corta duración (menor a medio ciclo) y unidireccional . x 4 1 0 4 3 2 1 Características de los huecos 0 - 1 Causas de los huecos - 2 - 3 Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. - 4 0 5 0 1 0 0 1 5 0 T im 2 0 0 e ( m s ) ÖCaracterísticas de huecos de tensión Introducción Magnitud del hueco de tensión: Es la tensión eficaz Definiciones Características de los huecos Magnitud Caída de tensión Duración Punto de inicio Punto de recuperación Hueco no rectangular Tensión perdida Salto de ángulo Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos existente durante el hueco de tensión en por unidad (p.u.) con respecto a la tensión pre-hueco (UH). (En caso de huecos no rectangulares, esta magnitud es función del tiempo). Caída de tensión: Es la diferencia entre la tensión eficaz pre-hueco y la tensión eficaz durante el hueco (∆U). (En caso de huecos no rectangulares, también es función del tiempo). Duración del hueco de tensión: Tiempo durante el cual la tensión eficaz es inferior al 0,9 p.u. y superior 0,1 p.u. de la tensión nominal (∆t). Conclusiones j.j. Sag de Voltaje Introducción Características de los huecos Magnitud Caída de tensión Duración Punto de inicio Punto de recuperación Hueco no rectangular Tensión perdida Salto de ángulo Magnitud de voltaje Definiciones 100 80 ∆t 60 ∆U 40 20 UH 20 100 200 300 400 500 Tiempo (ms) Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. UH: ∆U: ∆t: Magnitud de la tensión del hueco Caída de tensión del hueco Duración del hueco Punto de inicio del hueco: Introducción Definiciones Características de los huecos Magnitud Caída de tensión Duración Punto de inicio Punto de recuperación Hueco no rectangular Tensión perdida Salto de ángulo Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. Ángulo de fase de la tensión fundamental en el momento en que se inicia el hueco (θi). Corresponde al ángulo de fase en el instante que ocurre una falla. Punto de recuperación del hueco: Ángulo de fase de la tensión fundamental en el momento en que se recupera la tensión (θr). Corresponde al ángulo de fase en el instante que se elimina la falla. 1 Introducción Tensión 0.5 0 Características de los huecos -0.5 Magnitud Caída de tensión Duración Punto de inicio Punto de recuperación Hueco no rectangular Tensión perdida Salto de ángulo -1 0 Tensión j.j. 6 1.5 1.5 1 θi 0.5 0 0.5 0 θr -0.5 -1 -1 -1.5 -2 Conclusiones 4 Punto de recuperación 2 -0.5 Relación entre las fallas y los huecos Tiempo en ciclos Punto de inicio 1 Causas de los huecos 2 Tensión Definiciones -1.5 0 100 200 300 Ángulo de la tensión en grados 0 100 200 Tiempo en grados 300 Hueco no rectangular: Un hueco de tensión en el cual la magnitud del hueco no es constante con el tiempo. Introducción Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos 1 .1 1 .0 5 1 0 .9 5 Vrms (p.u.) Magnitud Caída de tensión Duración Punto de inicio Punto de recuperación Hueco no rectangular Tensión perdida Salto de ángulo 0 .9 0 .8 5 Relación entre las fallas y los huecos 0 .8 0 .7 5 Conclusiones 0 1 0 0 2 0 0 T im e j.j. (m s ) 3 0 0 4 0 0 Hueco Trifásico: Definición de hueco, desde el punto de vista del sistema eléctrico. En este evento pueden caer el valor del todas o solo algunas de las tres fases. Introducción Definiciones Características de los huecos Magnitud Caída de tensión Duración Punto de inicio Punto de recuperación Hueco no rectangular Tensión perdida Salto de ángulo Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. Vrms [p.u.] Three phase sag duration 1.0 0.9 1-Three phase sag magnitude Phase A Phase B Phase C Time Tensión pérdida: Definiciones Características de los huecos Magnitud Caída de tensión Duración Punto de inicio Punto de recuperación Hueco no rectangular Tensión perdida Salto de ángulo Es la resta entre la tensión que habría si no existiera hueco de tensión y la tensión que hay durante el hueco. 2 Tens ión Introducción 0 -2 Causas de los huecos 0 2 4 T ie m p o e n c ic l o s 6 0 2 4 T ie m p o e n c ic l o s 6 Relación entre las fallas y los huecos Tens ión 2 0 Conclusiones -2 j.j. Salto o desplazamiento del ángulo de fase: Introducción Es la diferencia entre los ángulos de fase de las tensiones fundamentales existentes antes y durante el hueco de tensión. Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos 1 Tensión en pu Magnitud Caída de tensión Duración Punto de inicio Punto de recuperación Hueco no rectangular Tensión perdida Salto de ángulo 0.5 0 -0.5 Relación entre las fallas y los huecos -1 Conclusiones 0 j.j. 1 2 3 Tiempo en ciclos Salto del ángulo de fase de -π/4 4 5 ÖCausas de los huecos de tensión Introducción Fallas en los sistemas de potencia: Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Descargas atmosféricas, cortocircuitos, contaminación de aisladores, contacto de animales o árboles, accidentes. 9 Las fallas más comunes son las monofásicas (l-g) Fallas en el sistema de potencia Arranque de grandes motores Cambios de carga Severidad Relación entre las fallas y los huecos 9 Las fallas mas severas las trifásicas (l-l-l) Arranque de grandes motores de inducción Conclusiones Cambios de carga j.j. Severidad de los huecos de tensión: Introducción Definiciones Características de los huecos La severidad depende de: 9 La puesta a tierra del sistema Causas de los huecos Fallas en el sistema de potencia Arranque de grandes motores Cambios de carga Severidad 9 La impedancia y localización de la falla 9 Las conexiones de los transformadores Relación entre las fallas y los huecos 9 La forma de actuación de las protecciones Conclusiones 9 La conexión de la carga j.j. ÖAnálisis de fallas y huecos de tensión Introducción Definiciones ∼ Características de los huecos Causas de los huecos E Zs Vsag Zf pcc Conclusiones j.j. Carga Vsag = Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de huecos Falla pcc: Punto de acoplamiento común. Zs: Impedancia de la fuente en el pcc. Zf : Impedancia entre la falla y el pcc Zf Zs + Z f E Magnitud del hueco de tensión en función de la distancia Introducción Línea aérea de 11 kV y S = 150 mm2 Definiciones Características de los huecos Magnitud de la tensión del hueco (p.u.) Causas de los huecos 1 750 MVA 0.8 Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de huecos j.j. 200 200 MVA MVA 75 MVA 0.6 0.4 0.2 0 Conclusiones 750 MVA 0 10 20 30 Distancia a la falla en kilómetros 40 50 Magnitud del hueco de tensión en función de la distancia Introducción Línea aérea de 11 kV y diferentes secciones transversales y 200 MVA Definiciones Características de los huecos 1 Causas de los huecos 50 Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de huecos Magnitud del la tensión del hueco en p.u 150 300 0.8 0.6 0.4 0.2 Conclusiones 0 0 j.j. 5 10 15 Distancia a la falla en kiló metros 20 25 Magnitud del hueco de tensión en función de la distancia pcc Introducción 132 kV Línea de 132 kV Definiciones Carga Características de los huecos Efecto del transformador Causas de los huecos 33 kV Línea de 33 kV 1 Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de huecos Conclusiones Magnitud del hueco en Relación entre las fallas y los huecos pu Fallas a 33 kV 0.8 Fallas a 132 kV 0.6 0.4 0.2 0 j.j. 0 20 40 60 Distancia a la falla en kiló metros 80 100 25 Tiempos de respuesta de los dispositivos de protección: Introducción Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de huecos Conclusiones j.j. 9Fusibles limitadores de corriente: < un ciclo 9 Fusibles de expulsión: 10-100 ms 9 Relé de distancia rápido: 50-100 ms 9 Relé de distancia en zona 1: 100-200 ms 9 Relé de distancia en zona 2: 200-500 ms 9 Relé diferencial: 100-300 ms 9 Relé de sobrecorriente: 200-2000 ms Tiempos típicos de respuesta de los dispositivos de protección a diferentes niveles de tensión en USA Introducción Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de huecos Nivel de tensión (kV) Mejor caso (ms) Caso típico (ms) Peor caso (ms) 525 33 50 83 345 50 67 100 230 50 83 133 115 83 83 167 69 50 83 167 34,5 100 2 000 3 000 12,47 100 2 000 3 000 Conclusiones j.j. Característica de ubicación de los huecos 100% Introducción 4 2 80% Características de los huecos tensión Definiciones 1 50% 6 3 Causas de los huecos 5 5 Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de ubicación huecos Huecos debidos a fallos Conclusiones j.j. 0,1s 1s 1 Fallas en el sistema de transmisión 2 Fallas en un sistema de distribución remoto 3 Fallas en un sistema de distribución local 4 Arranque de motores grandes 5 Interrupciones cortas 6 Fusibles tiempo Huecos de tensión debidos a fallas Falla monofásica Introducción Definiciones Tensiones de fase: Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de ubicación huecos Huecos debidos a fallos V =V a V =− 1 − j b 2 V =− 1 + j c 2 j.j. Tipo B 3 2 3 2 Va V Vb 1 Tensiones de línea: V =V +1 + j ab 2 V =− j 3 bc V =−V + 1 + j ca 2 Conclusiones Vc 1 3 2 Vca Vab Tipo C 3 2 3 Vbc Falla fase a fase Introducción Vc Definiciones Tensiones de fase: Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de ubicación huecos Huecos debidos a fallos Conclusiones j.j. V =1 a V =− 1 − j 3V b 2 2 V =− 1 + j 3V c 2 2 Tensiones de línea: V = 3 + j 3V ab 2 2 V = − j 3V bc V =− 3 + j 3V ca 2 2 1 Tipo C Va Vb Vca Vab Tipo D 3V 3 Vbc Falla de dos fases a tierra Introducción Definiciones Tensiones de fase: Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de ubicación huecos Huecos debidos a fallos V =1 a V = − 1V − j b 2 V = − 1V + j c 2 j.j. V 1 Va Tipo E V Vb Tensiones de línea: V =1+ 1V + j 3 V ab 2 2 V = − j 3V bc V = − 1+ 1V + j 3 V ca 2 2 Conclusiones 3V 2 3V 2 Vc Vca Vab Tipo F 3V 3 Vbc Falla trifásica Vc 1 Introducción Tensiones de fase: Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de ubicación huecos Huecos debidos a fallos Conclusiones j.j. V =V a V = − 1V − j b 2 V = − 1V + j c 2 V 3V 2 3V 2 V V Va Vb 1 Vca Tensiones de línea: 3 V = 3V + j 3 V ab 2 2 V =− j 3 bc V = − 3V + j 3 V ca 2 2 Tipo A 1 3V 3V 3V 3 Vbc Vab 3 Tipo A Relación de huecos con los tipos de fallas Introducción Definiciones Características de los huecos Tipo A Tipo B Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de ubicación huecos Huecos debidos a fallos Conclusiones j.j. Tipo C Tipo D Tipo de falla Carga en estrella Carga en Delta Trifásica Sag A Sag A Fase – fase Sag C Sag D Monofásica Sag B Sag C Relación de huecos con los tipos de fallas Introducción Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Tipo E Tipo F Relación entre las fallas y los huecos Magnitud del hueco vs distancia Respuesta de protecciones Tiempos de actuación Característica de ubicación huecos Huecos debidos a fallos Conclusiones j.j. Tipo de falla Carga en estrella Carga en Delta Dos fases a tierra Sag E Sag F Ö Conclusiones Introducción Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. La principal causa de los huecos de tensión son las fallas en los sistemas de potencia (especialmente las monofásicas) Ö Conclusiones Introducción Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. La severidad de un hueco de tensión depende de varios parámetros del sistema eléctrico. Ö Conclusiones Introducción Definiciones Características de los huecos Causas de los huecos Relación entre las fallas y los huecos Conclusiones j.j. Los huecos de tensión no son tan perjudiciales para la industria como las interrupciones; pero debido a que ocurren con mayor frecuencia, las pérdidas económicas debidas a ellos pueden ser mayores que las causadas por las interrupciones. GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN SISTEMAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA Agradecimientos Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Carrera 27, Calle 9. Ciudad Universitaria. — A. A. 678 Conmutador: +(7) 6344000, Extensiones: 2373 - 2479 Teléfonos: +(7) 6342085 / 6359622 — Fax: +(7) 6451156 BUCARAMANGA — COLOMBIA j.j. Preguntas ? j.j.