SUBESTACIONES AISLADAS A GAS SF6 EFECTOS DE LOS

IV SEMINARIO DEL SECTOR ELECTRICO PARAGUAYO SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA.
30 de Noviembre al 02 de Diciembre de 2000
CIGRE - PARAGUAY
Comité de Estudio: 23
N°IV SESEP: CE 23.01
SUBESTACIONES AISLADAS A GAS SF6 EFECTOS DE LOS TRANSITORIOS
RAPIDOS (VFT’s) SOBRE EQUIPOS Y EQUIPOS ADYACENTES DE LAS SE’s
SF6 DE ITAIPU BINACIONAL.
Miguel Santacruz Martínez
Itaipu Binacional
Miguel Santacruz Martínez
Usina Hidroeléctrica de Itaipu, Teléfono 061 5993457, [email protected]
RESUMEN
Con la entrada en operación de las SE’s a Gas SF6 en
Sistemas de Alta Tensión, inicialmente en la década del
sesenta y su difusión en la década del setenta, aparece una
nueva forma de Sobre-tensión en los mismos, conocida
actualmente como Transitorio Rápidos o VFT’s - Very Fast
Transient. De acuerdo a la experiencia de la Itaipu, este
fenómeno eléctrico trajo consigo verdaderos estragos a
equipos propios y adyacentes a las SE’s a Gas SF6, esto
probablemente debido al Estado del Arte del momento de
los equipos instalados sin la comprobada performance frente
a este fenómeno.
tenga comclusiones definitivas sobre la causa de las mismas y
sumado a esto la situación actual de la instalación de 2
conjuntos nuevos de bancos de transformadores, que deberán
entrar en operación con las 2 nuevas unidades, siendo que los
mismos deberán soportar necesariamente el fenómeno de
Transitorios Rápidos.
Palabras claves: GIS-Subestación blindada aislada a gas SF6,
Sobre-tensiones, VFT-transitorios rápidos, Aisladores
Aceite/SF6 - transformadores.
1. INTRODUCCION
El objetivo del trabajo consiste en la caracterización del
fenómeno en sí, definiendo sus orígenes y comportamientos
en los sistemas eléctricos, luego, de forma resumida mostrar
los daños ocasionados por el fenómeno en los equipos y
equipos adyacentes de las SE’s SF6 de la Itaipu Binacional,
principalmente en los Transformadores de Potencial y
Aisladores Aceite/SF6 de los Transformadores Elevadores,
siendo que estos equipos fueron modificados o están siendo
modificados como consecuencias de los efectos de esta sobretensión. Es también en función de los Transitorios Rápidos
que fueron impuestas algunas restricciones operativas a los
seccionadores de las SE’s SF6.
Por otro lado sobre la base de ciertas fundamentaciones el
trabajo pretende demostrar la necesidad de realización de
estudios de comportamiento del fenómeno VFT’s dentro de
las bobinas de los transformadores elevadores de 500 KV de
la Usina de Itaipu, las mismas se basan en que ocurrieron
fallas dieléctricas en transformadores elevadores, sin que se
La Sub-estación aislada a Gas SF6 de la Itaipu Binacional
está conformada por dos sectores independientes que
corresponden a cada frecuencia de operación 50 y 60 Hz,
siendo que los equipos componentes son idénticos entre si,
presentando cada sector la siguiente conformación; Sistema
de doble barras seccionadas, las salidas de generadores por
sistema de interruptor y medio, y las salidas de
líneas/servicios auxiliares por sistema de doble interruptor,
véase FIGURA 1.
Principales Características Técnicas
-
Tensión Nominal / Frecuencia......... 500 kV / 50-60 Hz
Corriente Nominal.......................... 4000 A
Impulso Atmosférico........................ 1550 kV
Impulso Maniobra........................... 1240 kV
Tensión Máxima Ens. Fab. .............. 740 kV
Tensión Máxima Ens. Campo........... 570 kV
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-
-
-
Aisladores:
- Salidas de Líneas............................ SF6 – Aire
- Acoplam. C/ Transf. ...................... SF6 – aceite
TP’s.................................................. Inductivo
Seccionadores.................................... Lentos
Contactos.......................................... Tipo tulipa
Interruptores:
- Capacidad de interrup. ................... 63 KA
- Tiempo de Abertura........................ 2 ciclos
Pararrayos 50/60 Hz.......................... ZnO
Presión nominal del gas..................... 480 Kpa
La propagación de los transitorios rápidos se realiza bajo los
conceptos de la teoría de propagación de ondas viajeras en
conductores eléctricos, reflejando y refractándose en los
puntos de discontinuidades eléctricas de las SE’s, por tanto,
su comportamiento depende de la configuración donde ocurre
el evento.
La FIGURA 2 muestra de forma resumida cómo los
transitorios rápidos se originan y se propagan en la
Subestación y equipos adyacentes.
FIGURA 2: ORIGEN Y PROPAGACIÓN VFT’S
FIGURA 1: DIAGRAMAS UNIFILARES
Disposición simplificada ilustrando las ondas viajeras:
1 plano conductor; 2 conductor interno; 3 envoltorio;
4 línea externa
U onda viajera sobre el conductor
H, E Campo electromagnético sobre el conductor
Uk Voltaje transitorio del envoltorio
Hk, Ek Campo electromagnético sobre el envoltorio
Uf Onda viajera sobre la línea
Ef, Hf Campo electromagnético sobre la línea externa
2. TRANSITORIO RAPIDOS
Los parámetros que caracterizan los transitorios rápidos
pueden ser resumidos de la manera siguiente(2):
2.1 - ORIGEN, PROPAGACIÓN DE LOS TRANSITORIOS
RAPIDOS Y ALGUNAS CONCIDERACIONES
• Tiempo de elevación
• Frecuencia de oscilación
• Velocidad de repetición
• Magnitud.
Los Transitorios Rápidos (VFT-Very Fast Transient) se
originan en las SE`s a Gas SF6 de alta tensión como
consecuencia directa de las operaciones de Maniobras de
Seccionadores e Interruptores y también son originados por
descargas dieléctricas en el Gas SF6, o sea, son resultados de
la disrupción (abrupta) del Gas SF6 aislante bajo los efectos
del arco eléctrico.
Valores típicos de tiempos de elevación de la tensión en su
inicio son de 4 a 7 ns, este impulso de tensión viaja dentro de
la SE y será reflejada y refractada, conforme la teoría de las
ondas viajeras, provocando las oscilaciones observadas en los
oscilogramas, tipo diente de sierra, de los mismos.
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ITAIPU
Por tanto la VFT interna posee una compleja configuración
de tensión, con elevado valor de elevación seguidas de
oscilaciones de múltiples frecuencias en la faja de algunos
MHz y/o KHz.
Las magnitudes observadas son de hasta 1.5 pu bajo
maniobras capacitivas y de hasta 2.4 pu para casos de
maniobras en oposición de fases, por tanto dentro de lo
esperado no alcanzan el valor BIL de las SE’s.
Los valores obtenidos con cálculos por medios
computacionales y mediciones realizadas para las SE´s SF6
de Itaipu han mostrados valores de hasta 2.0 p.u. (en
simulaciones) y de hasta 1.7 p.u. (en mediciones) sin
considerar maniobras en oposición de fases.
Una observación importante es que la tensión no disruptiva
de la SE SF6 sometida a VFT’s es mayor o igual a la tensión
no disruptiva por impulso atmosférico. Para casos de
irregularidades, la tensión no disruptiva para las VFT`s
disminuye conforme el tamaño de estas irregularidades(1).
Todo indica que el efecto sobre los aislamientos (y sus
irregularidades) es en función de la rapidez de la variación
y no del valor de pico de la sobre tensión.
2.2 - COMPORTAMIENTO DE LOS PARARRAYOS DE
OXIDO DE ZINC ANTE LOS TRANSITORIOS RAPIDOS
Pesquisas en laboratorio fueron realizadas sobre el
comportamiento citado, estas consideraciones fueron
obtenidas de (5) un "paper" realizado en conjunto por ABB
(Suiza) y la universidad de Stuttgart (Alemania), publicada
por la IEEE.
Como conclusión; se obtiene que se observa una ultrapasada
de la tensión residual en alrededor de los 30%, que puede ser
relacionada con las características del material.
Por otro lado, se puede decir que los valores usuales
indicados, de hasta 1.5 p.u. para maniobras capacitivas y sin
oposición de fases, de transitorios rápidos en una SE SF6, de
forma general, están por debajo de los niveles de operación
de los pararrayos. Siendo que los valores obtenidos e
indicados mas arriba para las SE´s SF6 de Itaipu son valores
próximos a niveles de operación de los pararrayos existentes
en las SE´s.
Esta colocación sobre el comportamiento de pararrayos frente
a los VFT’s se debe a que podría pensarse en la posibilidad
de instalación de pararrayos en las salidas (en bornes del
equipo) de alta tensión de los Transformadores Elevadores de
las unidades generadoras, con el objetivo de disminuir los
riesgos de fallas de los equipos citados, siendo que los
actuales están posicionados a unos 25 metros de los mismos.
3. EFECTOS DE LOS TRANSITORIOS RAPIDOS EN
3.1
AISLADORES
ACEITE/SF6
TRANSFORMADORES ELEVADORES
DE
LOS
La más probable causa de las fallas de los aisladores pasantes
Aceite/SF6, Tipo OKTG 1550/525-1600, conexión de la GIS
SF6 con los Transformadores Elevadores, es por efectos de
los transitorios rápidos generados por maniobras de operación
de seccionadores y fallas a tierra en las SE´s SF6.
3.1.1 - RESUMEN HISTORICO
Ya en operación de los Aisladores Aceite/SF6 y a través de
cromatografia de gases del aceite aislante, fueron constatadas
las siguientes fallas internas; 6 (seis) entre 1986 a 1991, con
la principal caracterización de presencia de gas Acetileno en
el aceite Aislante con valores dispares, variando de 1 ppm a 8
ppm, siendo que en uno de los casos fue detectado con valor
de 12 260 ppm.
En ese periodo de tiempo la posición original del fabricante
fue que la más probable causa de las fallas sean los
transitorios provocados por maniobras en la GIS SF6.
Con posterioridad a estos eventos, fueron detectados mas
fallas en operación de los aisladores citados, siempre a través
de análisis cromatográfico del aceite aislante.
3.1.2 - ACCIONES TOMADAS
Fueron tomadas las siguientes acciones para esclarecer la
causa de las fallas de los Aisladores;
obtener a través de simulaciones con programas
digitales los valores de Sobre-tensiónes en los Aisladores,
originarias de maniobras de seccionadores y fallas internas
monofásicas en diversas configuraciones en la GIS,
Realización
de
ensayos
(destructivos)
de
soportabilidad no normalizados en los Aisladores, en
laboratorio de Alta Tensión de porte (los ensayos fueron
realizados en CEPEL), con ondas representativas a las Sobretensiones originadas y propagadas en la GIS.
3.1.3 - RESULTADOS DE LAS PESQUISAS
Después de analizar los resultados de los estudios/ensayos
realizados se llegó a la conclusión de que los aisladores
citados en 2 versiones existentes en la Usina (50% butt y
moving butt) no soportan las solicitaciones de Sobretensiones originadas en maniobras de seccionadores o en
fallas monofasicas internas en la GIS, siendo constatados los
siguientes defectos; descargas en el tubo de aluminio, en las
“rebarbas” y deformaciones de componentes internos como
las encontradas en las hojas de aluminio que conforman las
capacitancias del Aislador.
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Como resultado de los cálculos sobre la base de simulaciones
podemos resumir las siguientes conclusiones; las ocurrencias
mas severas son las provocadas por las fallas internas en la
GIS, siendo que los valores encontrados son compatibles para
casos de fallas internas simultaneas a Sobre-tensiones
temporaria (1.4/1.5 pu) o a sobre-tensiones de maniobras
(1.6/1.7 pu), que tienen una cierta probabilidad de
ocurrencias y para los casos de maniobras de seccionadores la
severidad de las solicitaciones son menores a los de las fallas
internas(6).
3.1.4 - SOLUCIÓN ADOPTADA
Fueron introducidos, por el fabricante, modificaciones en los
Aisladores existentes principalmente en el núcleo del equipo
en la disposición interna de los componentes como el papel
aislante y las hojas de aluminio, así como en el punto de
potencialización del equipo, posteriormente estos aisladores
modificados soportaron los ensayos no normalizados de onda
cortada en el gas SF6, revelándose adecuadas para las
condiciones operativas de la Usina de Itaipu.
A través de negociaciones y acuerdos entre Itaipu y
Fabricante los Aisladores Aceite/ SF6, 54 en operación y 6
reservas, están siendo modificados en la fabrica
actualizándolos con el proyecto modificado, el proceso de
modificación es realizado por etapas en lotes de 9 unidades,
para el efecto fueron adquiridos por Itaipu 6 Aisladores
nuevos que formó parte de la negociación realizada,
manteniendo de esta forma 3 reservas en existencia en la
Usina durante el proceso citado.
valores de 5V / 4.5 ns de tiempo de frente, fue constatada una
transferencia de hasta 3,7 % entre primario y secundario,
dando una expectativa de tensión de 23 kV pico en el
secundario con un valor de 1,4 √2 550/√3 = 630 kV pico en
el primario.
3.2.2 - SOLUCIONES TOMADAS
La solución adoptada fue la de instalar un segundo blindaje
entre primario y secundario, siendo que los ensayos similares
a los ya realizados mostraron resultados satisfactorios,
presentando transferencia con valor máximo de 0,24 % entre
primario y secundario, dando una expectativa de tensión en el
secundario de 1,5 kV pico para la misma tensión de 630 kV.
Implicando esto a una modificación de proyecto de cierto
porte a ser introducida en el equipo, como fue efectivamente
realizada, en la fabrica en todos los 24 TP’s que ya estaban en
operación y 2 reservas existentes en la Usina.
3.3 – SECCIONADORES A GAS SF6
Observamos también que a los seccionadores tipo ELK PT3
de las SE’s SF6 les fueron impuestas algunas restricciones
operativas que citamos a sequir; a) los de salidas de
generadores no operan con tensión b) ninguno de ellos opera
en oposición de fases y c) normalmente se procura evitar su
operación con tensión.
Todas estas condiciones / restricciones operativas, fueron
introducidas también como consecuencia de la búsqueda de
evitar o minimizar los efectos de los Transitorios Rápidos.
3.4 - TRANSFORMADORES ELEVADORES
3.2 - TRANSFORMADORES DE POTENCIAL A GAS SF6
Los TP’s inductivos, tipo ELK PT3 inductivo, 287,5 kV
Primario, 115 y 115//3 V Secundario y 400 VA, instalados
en las SE’s SF6 fueron modificados en fabrica en función de
transferencia de Transitorios Rápidos del primario al
secundario, esta transferencia fue indicada y confirmada
como causa de las fallas internas en los TP’s y de descargas
en aislamientos de los cabos secundarios y terminales en las
salidas de los mismos.
3.2.1 - RESUMEN DE LOS HECHOS
Colocamos a seguir algunos fundamentos de la necesidad de
realización de estudios de comportamiento de los VFT’s
dentro de las bobinas de alta tensión de los transformadores
elevadores arriba citados, las mismas se basan en que
ocurrieron fallas dieléctricas en transformadores elevadores y
la situación actual de instalación de 2 conjuntos nuevos de
bancos de transformadores con las 2 nuevas unidades
generadoras que deberán soportar necesariamente el
fenómeno de Transitorios Rápidos;
- Las fallas dieléctricas en transformadores elevadores son 3
en total, cuya(s) causa(s) no fueron plenamente definida(s) o
determinada.
A partir de la entrada en operación de los Transformadores de
Potencial, presentaron fallas dieléctricas internas y descargas
en aislamientos de los cabos secundarios así como en los
terminales individuales y en los terminales de los paneles de
control, asociándose ya inicialmente estas descargas a las
sobre-tensiones provenientes de maniobras de seccionadores
en la GIS o sea a VFt’s.
- La indicación como una de las causas probable a los efectos
de los transitorios rápidos en las bobinas de alta tensión, por
parte de los fabricantes.
Durante ensayos en fabrica, después de la recuperación de
uno de los TP’s en falla en la fabrica, durante el ensayo
especial de inyección de impulsos VFT de baja tensión, con
La Itaipu dispone de un conjunto de banco trifasicos de
transformadores elevadores con aisladores aceite/SF6 en
las de salidas de los generadores, siendo que el
3.4.1 - CONCIDERACIONES GENERALES
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comportamiento de los equipos frente a los fenómenos de
transitorios rápidos no es conocido de forma completa o
satisfactoria.
Nuevos conjuntos de 2 bancos trifásicos de transformadores
relacionados con las 2 nuevas unidades 9A/18A entraran en
operación a mediano plazo, por tanto esto coloca la necesidad
actual de tener un conocimiento mejor acabado sobre esta
cuestión y tener la plena seguridad de que los mismos
soportaran sin inconvenientes este fenómeno eléctrico.
Caso de que se llegue a la conclusión de que este fenómeno
puede producir fallas en los equipos citados, existe la
posibilidad de obtener, a través
de trabajos de
modificaciones en los seccionadores de las SE’s SF6,
generaciones de transitorios rápidos despreciables.
Lógicamente esto implica en trabajos de pesquisa para la
modificación, la modificación de los equipos y posterior
dificultoso (por tratarse de equipos en operación) trabajo de
ejecución de las modificaciones en el campo.
Este trabajo, dificultoso por cierto, de ejecución de
modificaciones en el campo, con la entrada en operación de
las 2 maquinas se volvería más asequible. El problema
radicaría principalmente en el hecho de manipular equipos
muy susceptible de fallas dieléctricas, como se han mostrados
los equipos de las SE’s de Itaipu, cuando realizados trabajos
de mantenimiento de cierto porte, demostrándose siempre la
conclusión conocida de “extremamente crítico para
pequeñas contaminaciones, o sea, proyecto no
conservativo”.
Mismo con esta modificación, estaríamos eliminando solo
una de las fuentes de generación de este fenómeno, quedando
presente las otras fuentes como maniobras de interruptores y
fallas a tierra, las cuales no son posibles de eliminar
totalmente, siendo que para el caso de interruptores las
mismas no son consideradas relevantes por la mínima
cantidad de frentes de ondas originadas durante maniobras
del equipo, sobre las fallas dieléctricas se tiene que las
mismas disminuyeron en el tiempo, siendo el índice de falla
actual bien menor de las iniciales conocidas.
3.4.2 - OTRAS CONCIDERACIONES
Además de las restricciones operativas ya citadas para el caso
de los seccionadores de la GIS, estos presentan un histórico
de fallas dieléctricas a tierra no despreciable, en total
ocurrieron 5 o 6 fallas internas y otras tantas en el entorno de
los mismos, la(s) causa(s) de estas fallas, hasta el momento,
no fueron esclarecida(s), adoptándose,
la aptitud de
convivencia / observancia del comportamiento en el tiempo
con este equipo y esta modalidad de fallas.
Todas estas condiciones / restricciones operativas existentes,
podrán ser eliminadas para el caso de conseguir en la practica
la modificación de los seccionadores de las SE’s SF6.
4. CONCLUSIONES
• La experiencia de la Itaipu Binacional a mostrado, que el
fenómeno eléctrico VFT produjo daños a equipos propios y
adyacentes a las SE’s a Gas SF6, no constatados con
anterioridad a entradas en operación de las mismas, esto
probablemente debido al Estado del Arte del momento de
los equipos instalados sin la comprobada performance frente
a este fenómeno.
• Para el caso de Transformadores Elevadores, cabe la
realización de estudios/ensayos especiales para un mejor
conocimiento del comportamiento de los Transitorios
Rápidos (VFT`s) dentro de las bobinas de alta tensión de los
transformadores elevadores de la Usina de Itaipu, para
caracterizarlo como causantes de Fallas dieléctricas internas
de los transformadores elevadores y en los aisladores
pasantes aceite/SF6.
Como resultado de este análisis, partir para la modificación
de los seccionadores de las SE’s SF6 con la intención de
eliminar una de las fuentes de este fenómeno. Y por otro lado,
como consecuencia, obtener mejores condiciones y
facilidades operativas para la GIS de Itaipu.
Los estudios o trabajos de pesquisas necesarios en resumen
son; simulaciones de comportamiento de las bobinas de alta
tensión frente a los VFT’s con programas digitales de
cálculos electromagnéticos y realización de ensayos
especiales asociados a los nuevos bancos de transformadores
a ser adquiridos para las 2 nuevas unidades.
5. REFERENCIAS
[1]
Helvio J. A. Martin; Transitorio Rapidos y
sus
Efectos (CEPEl); Panel Sobre SIG en Itaipu; 1994.
[2]
J. Meppelink, K. Diederich, K. Feser, W. Pfaff; Very
Fast Transients in GIS; IEEE; 1989.
[3]
S. A. Boggs, F. Y. Chu, A. Krenicky, A Plessl y otros;
Disconnect Switch Induced Transients And Trapped Charge
In Gas-Insulated Substatións; IEEE; 1982.
[4]
Walter Müller, Werner Stein; Behaviour of HighVoltage Transformer Windings on Steep-Fronted Input
Waves of Nanosecond Duration; SIEMENS; 1983.
[5]
W. Schmidt, J. Meppelink, k. Feser, l. Kehl y otros;
Behaviour of MO-Surge-Arrester Blocks to Fast Transients
[6]
F. M. M. Silva, J. R. Silvera, T. J. Sanchez, F. M. S.
Carvalho, J. M. M. Silva; Avaliação dos Surtos de Manobra
Producidos por seccionadoras no setor 60Hz da GIS de
ITAIPU, usando-se o programa EMTP; IX SNPTEE; 1987.
[7]
F. M. M. Silva, E. L. Pedrassani, M. Santacruz, A.
Avalos; Subestação Isolada a Gás SF6 de 500kV de Itaipu –
Comissionamento e Experiencia Operacional Relativa a
Todas Etapas (50/60Hz); X SNPTEE; 1989.