Estudio de Sobretensiones en Subestaciones con utilización

Revista Científica Politécnica
Artículos Científicos -Ingeniería Eléctrica
Estudio de Sobretensiones en Subestaciones con utilización del
Alternative Transients Program (ATP)
Manuel Leonardo Sosa Ríos
Facultad Politécnica - Universidad Nacional del Este
Ciudad del Este, Paraguay
[email protected]
Resumen. Este trabajo presenta las consideraciones básicas hechas en el estudio de sobretensiones en
el patio de 500 kV de la Subestación de la Margen Derecha (SE MD) de ITAIPU Binacional, en
previsión de su futura ampliación. Para el efecto, utilizando el programa ATP, se establece el marco
teórico para el modelado de las instalaciones existentes. Seguidamente, se hace su validación y
finalmente se lo aplica al estudio de la ampliación prevista.
Palabras Claves: Descarga atmosférica,subestación eléctrica, ATP.
Abstract. This paper presents the basic considerations of surge study in the 500 kV Itaipú Right
Margin (SE MD) Substation courtyard, in prevision of its future expansion. With the aid of the ATP, a
theoretical framework was established for modelling the existing configuration. Subsequently, this
framework is validated and finally it is applied in the study of the prospective expansion.
Keywords: Atmospheric surge, electrical substation, ATP.
1. Introducción
El estudio de los fenómenos de alta frecuencia
por impactos que pueden ocurrir en un sistema
eléctrico es uno de los más importantes objetivos
del análisis de transitorios. Estos impactos
pueden ocurrir por maniobras en los equipos o
por descargas atmosféricas.
Los sistemas de potencia poseen diversas
protecciones para diferentes tipos de fallas; por
ejemplo, los hilos (conductores de energía
eléctrica) de guardia para la protección de líneas
de transmisión de media y alta tensión,
pararrayos, interruptores de línea, entre otros.
En el caso de falla de la protección brindada por
los hilos de guardia de una línea de transmisión
que alimenta una subestación convencional, en
la entrada de la línea a la subestación, si ésta se
encontrara en estado de recomposición, pueden
ocurrir grandes sobretensiones en su interior,
incluso superiores al nivel de aislamiento de los
equipos. El estado de recomposición de una
subestación consiste en la reenergización o
puesta en servicio de los equipos de la misma,
teniendo en cuenta el sincronismo de las
grandezas eléctricas imprescindibles para la
maniobra (magnitud de la tensión, ángulo de
desfase entre tensiones y la frecuencia entre las
tres fases).
2. Configuración Analizada. Máximas
Sobretensiones Admisibles
Se consideró que la máxima sobretensión
admisible en el interior de la subestación de la
Margen Derecha, sector de 500kV, debido a la
ocurrencia de descargas atmosféricas directas
en las líneas de transmisión a ella conectadas,
debería mantener un margen de protección de
10% en relación con los niveles de aislamiento
de los equipos [1]. De esta forma los siguientes
valores fueron considerados:
Nivel de aislamiento: Corresponden a valores
de placa y consisten en los datos de los equipos
necesarios para la realización del estudio
propuesto:
Transformadores
Equipos
= 1550kV
= 1800kV
! Sobretensión Máxima Admisible:
Transformadores
Equipos
= 1409kV
= 1636kV
La Figura 1 presenta el esquema general
analizado, en el cual se indican, en color rojo,
las ampliaciones previstas, para el sector de
500 kV de la SE Margen Derecha, que
consisten en las ampliaciones de las longitudes
de las barras principales A y B, en 96 metros,
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para la instalación de un nuevo transformador de
potencia y su correspondiente transformador
regulador, similares a los que se encuentran en
operación, así como la instalación de una línea
de transmisión en 500 kV desde la SE MD hasta
la subestación ubicada en la ciudad de Limpio.
La configuración corresponde a la de interruptor
y medio.
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Las impedancias características consideradas
según [1] son:
Barras rígidas
: 315 Ώ
Conexiones flexibles
: 370 Ώ
3.2. Representación de las Líneas de
Transmisión
Las líneas de transmisión fueron representadas
para descargas directas (Figura 2), o sea,
descargas en el propio conductor de fase,
solamente por el conductor de fase que recibe
la descarga, por una resistencia cuyo valor es
igual a la impedancia característica de la línea.
Figura 1. Diagrama unifilar (analizado) del
patio de 500 kV de la SE MD [1]
De esta manera, las reflexiones provenientes
de la subestación no retornarán a ésta.
3. Modelos para Simulaciones
3.1. Modelo de la Subestación
La subestación fue modelada solamente para la
fase que recibe la descarga eléctrica
(atmosférica), debido a que la cadena de
aisladores puede soportar mayores
sobretensiones a las que pueden producirse por
descargas atmosféricas directas en los
conductores de fase. La máxima sobretensión
fue calculada teniendo en cuenta la protección
ofrecida por los hilos de guardia, mediante el
modelo electro-geométrico. De esta manera, las
máximas sobretensiones, o peores condiciones,
sucederán en la fase que recibe la descarga, por
lo que no se hace necesaria la representación de
las demás fases.
Cada conexión entre dos puntos cualesquiera fue
representada por parámetros distribuidos, sin
pérdidas a través de la impedancia de impulso,
velocidad de propagación y longitud
correspondiente. Los trechos existentes están
divididos en dos tipos: barras rígidas y
conexiones flexibles, ambas modeladas con
líneas tipo Clarke existente en el ATP, para altas
frecuencias.
Figura 2. Descarga Directa [2]
El valor de la impedancia característica de las
líneas fue calculado a través del “Line
Constants” del ATP, y se obtuvo el valor de
300Ώ.
3.3. Modelos de Equipos Utilizados en el
Patio de Maniobras de la Subestación
La Figura 3 presenta los modelos adoptados
para el transformador de potencia de 500kV
[1, 2] y el transformador regulador de 220kV
[1]. Estos modelos fueron adoptados en vista
de que fueron utilizados para estudios a alta
frecuencia por otros autores, en las
bibliografias indicadas, con resultados
satisfactorios.
Figura 3. Modelos para los transformadores [1, 2]
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Los demás equipos fueron representados por su
capacitancia correspondiente a la respuesta a un
impulso de tensión, y fueron adoptados, para
cada uno, los siguientes valores típicos [1], [2] y
[3]:
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corriente, utilizando el modelo 92 del
programa ATP, específico para el modelado de
pararrayos de ZnO. Los valores adoptados
para la característica V x I retirados de la
referencia [1] son los siguientes:
!Transformador de potencial capacitivo:5 nF.
I
(kA)
1,5
3,0
5,0
10,0
15,0
20,0
40,0
!Divisor capacitivo de potencial:5 nF.
!Bobina de bloqueo (filtro):0,05 nF.
!Transformador de corriente:0,5 nF
!Interruptores de 500 kV:0,1 nF.
!Seccionadores de 500 kV:0,1 nF.
3.4. Descarga Atmosférica
Las descargas atmosféricas en los conductores
de fase fueron representadas por una fuente de
tensión (tipo 13, disponible en el ATP) detrás de
una resistencia cuyo valor es igual a la
impedancia de impulso de la línea. Esta
resistencia tiene por objetivo hacer que toda la
onda reflejada desde la subestación no retorne a
la propia subestación.
La máxima descarga atmosférica que pueden
alcanzar los conductores de fase fue determinada
por el modelo electro-geométrico [3], con el
siguiente valor y que concuerda con [1]:
I max = 13,6kA
Para representación del reajuste de la
característica V x I de este pararrayos en
función de sobretensiones con tiempos de
frente muy pequeños, del orden de
microsegundos, se consideró una inductancia
equivalente en serie con el elemento no lineal.
Para el cálculo de esta inductancia se adoptó
los valores de variación de tensión indicados
por el fabricante (Figura 4) y representados en
la Tabla 1:
Tabla 1. Variación de la tensión de descarga del
pararrayo.
Tensión
nominal (kV)
420
Esta corriente corresponde a la siguiente tensión,
considerando la impedancia característica de las
líneas de transmisión, según la expresión [3]:
V=
V (kV)
Pararrayo 420 kV
829
867
899
950
985
1012
1118
I
Tiempo de frente (µs)
(kA)
3
¥
3
6
20
6
20
¥
20
0,5
V (pu)
DV (pu)
1,37
1,47
1,72
1,37+0,25=1,62
1,98
1,72-1,47=0,25
1,98-1,62=0,36
I
13,6kA
×Z =
× 300W = 2040kV
2
2
Para las simulaciones se ha considerado el doble
del valor de la tensión mencionada, debido a que
la fuente se ubica detrás de la resistencia con
valor igual a la impedancia característica de las
líneas de transmisión.
3.5. Pararrayos de Óxido de Cinc (ZnO)
Figura 4. Tensión de descarga, pararrayos de 420 kV en
función del tiempo del frente de la onda de tensión [1]
Los pararrayos fueron representados a través de
resistencias no lineales, variables con la
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El valor de inductancia adoptado fue el
siguiente:
V = L×
di
V
®L=
dt
di dt
La configuración a ser comparada con el
modelo obtenido y adaptado, conforme con el
que cuenta la empresa, es el que se muestra en
la Figura 6 [1]:
1 pu = V pico = 2 × 420kV = 593,9kV
V = 0,36 pu ® L =
0,36 × 593,9kV
= 5,34 mH
20kA 0,5ms
Para el cálculo de la inductancia, para la
corrección de la respuesta del modelo de
pararrayos ante un impulso atmosférico, se ha
considerado la máxima variación de tensión en
su curva característica igual a 0,36 pu,
multiplicada por su tensión de pico, que es de
593,9 kV, dividida por la variación de la
corriente en el tiempo (20kA/0,5µs).
Adicionalmente, fueron consideradas las
conexiones de los pararrayos a la malla de tierra
a través de una inductancia concentrada con el
valor de 4,5µH, de manera a obtener una mayor
aproximación de la respuesta del modelo de
pararrayo a la curva proporcionada por el
fabricante. El pararrayo utilizado para las
simulaciones se muestra en la Figura 5:
I
Figura 6. Esquema de la SE MD para la
validación del modelo obtenido [1]
Las líneas más oscuras indican la parte de la
configuración energizada. La descarga
atmosférica directa se produce en la entrada a
la subestación, en la línea de transmisión 4
( LT 4 ) , e n e rg i z a n d o l a b a r r a B , y
consecuentemente, el transformador 2
(TRAF2), sin energizar el transformador 1
(TRAF1), ya que el seccionador que alimenta
este transformador se encuentra abierto, como
se muestra en la Figura 6. Algunas valores de
tensiones obtenidos se muestran a
continuación en la Tabla 2:
Tabla 2. Comparación de valores para la
validación del modelo obtenido
5,34uH
LOCAL
DESCAR
CONFIG.
SE.
TRANSF
EN
OPERAC.
LT4
LT4
E
E
ERROR (%)
2
2
SOBRETENSIONES en kV
CH3L1 CH2L0
2
4
B_INI B_FIN CH1T4
1159
1072,5
8
1076
1079
0,27
945
1081
14
1107
1108
0,09
1678
1642,6
2,1
CH2L
12
DOC.
1071
1091
1,8
ITAIPU
ACTUAL
Prom = 4,3
4,5uH
Figura 5. Pararrayo modelado en ATP [2]
3.6. Validación del Modelo Obtenido
También se muestra la forma de onda de
tensión, en algunos equipos, para la misma
configuración mostrada anteriormente (Figura
6), para una comparación con las formas de
ondas obtenidas en el presente trabajo (figuras
7 y 8):
El modelo de la SE MD, patio de 500 kV, de la
ITAIPU Binacional, fue obtenido gracias a
investigaciones en documentaciones ya
existentes en la empresa mencionada, sobre los
equipos que se encuentran actualmente en
operación en la subestación.
Para la validación del modelo obtenido, se
procedió a la adaptación de dicho modelo a otros
ya realizados para la ITAIPU Binacional, para la
ejecución de simulaciones de descargas
atmosféricas directas y comparación de los
resultados obtenidos.
Figura 7. Sobretensiones obtenidas en los trabajos
realizados para ITAIPU, en el seccionador 2 de las
líneas de transmisión 4 (CH2L04) y 12 (CH2L12) [1]
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VALIDACIÓN DEL MODELO
2.0
[MV]
1.6
1.2
0.8
0.4
0.0
0
4
8
(file SEMD_500(9.E).pl4; x-var t) v:CH2L04
12
16
[us]
20
v:CH2L12
Figura 8. Sobretensiones obtenidas con la adaptación
del modelo a través del PlotXY del ATP
v: CH2L12: Tensión en el seccionador 2 de la
línea de transmisión 12.
v: CH2L04: Tensión en el seccionador 2 de la
línea de transmisión 4.
4. Análisis de los Resultados
Se analizaron varias configuraciones, no
obstante, en este artículo se expone la
configuración en la cual se produjo la mayor
sobretensión, correspondiente a la Figura 9.
Figura 9. Configuración A
5. Conclusión
En este análisis se considera una línea de
transmisión de 500 kV (LT 01) y el
transformador 1 (TRAF1) de 500/220 kV,
correspondientes a la configuración A (Figura 9).
Se verificó en esta situación la ocurrencia de
sobretensiones superiores al límite máximo
adoptado igual a 1636 kV y también superiores
al nivel de aislamiento de los equipos igual a
1800 kV (Tabla 3). Debido a la escasa cantidad
de equipos en operación (condición de
restablecimiento del sistema), sus terminaciones
son los puntos donde aparecen mayores
sobretensiones.
Para resolver este inconveniente, se simuló la
conexión de pararrayos respecto a las barras
principales de la subestación en ambos
extremos, los cuales redujeron
considerablemente las sobretensiones
registradas, como puede apreciarse en las
comparaciones realizadas en la Tabla 3, donde se
indican la presencia o no de los pararrayos (PR).
Ta b l a 3 . S o b r e t e n s i o n e s m á x i m a s
encontradas
LOCAL
DESCAR
.
LT1
LT1
CONFI
G.
SE
A
A
TRAF/P
R
1/No
1/Si
A_INI
A_FIN
1488,7
1706,1
SOBRETENSIONES en kV
CH1T CH3L1
B_FIN
5
0
1771,9 1749,5 1823
1782,2
B_INI
867,96 868,27 854,16 857,7 1245,3
3
941,8
CH1L
N
1760,5
960,44
CH3L02
1551,3
Para la configuración A de la SE MD, patio de
500 kV (Figura 9), específicamente durante
periodos de recomposición del sistema, fueron
encontrados valores de sobretensiones
superiores inclusive al nivel de aislamiento de
los equipos (Tabla 3). La probabilidad de
ocurrencia de estos valores de sobretensiones
es baja debido a que varios eventos deben
suceder simultáneamente:
!Descarga atmosférica en el conductor de
fase.
!Descarga atmosférica en las líneas de
transmisión en las proximidades de la
subestación.
!D e s c a rg a a t m o s f é r i c a d u r a n t e l a
recomposición del sistema.
En caso de que se desee eliminar
completamente la probabilidad de ocurrencia
de estas sobretensiones, deberán ser instalados
pararrayos de óxido de cinc (ZnO) con tensión
nominal igual a 420 kV (iguales a los
instalados en las entradas de las líneas de
transmisión) en los extremos de las barras A y
B. El efecto de la instalación de pararrayos
puede observarse en la Tabla 3.
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Referencia bibliográfica
[1] Informe ténico número 6699 50 0100 P
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Programa computacional ATPDraw Windows,
Versión 2.2, Copyright© 1998-2000.
Ensaios de impulsos atmosféricos e de manobra,
José Carlos Schaefer, disponible en www.fisicapotierj.pro.br, accedida el 12.06.07.
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