Diapositiva 1

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
NORMA IEC 60071-2
VS
INGENIERÍA POR DESEMPEÑO
DEFINICIÓN DE COORDINACIÓN
Determinación de las resistencias
dieléctricas de los equipos con relación a
los esfuerzos de tensión que se pueden
presentar teniendo en cuenta los
elementos de protección
¿QUE RECOMIENDA LA NORMA?
Basados en la experiencia de sistemas de
potencia de otros países (otras
condiciones topológicas), utilizar valores
normalizados dependiendo del tipo de
sobretensión bajo estudio
¿Que pasaría si determinamos las
resistencias dieléctricas de los equipos
basados en los efectos específicos de
cada sistema de potencia, su topología y
los fenómenos que causan dichas
sobretensiones?
INGENIERÍA POR DESEMPEÑO
Breve repaso acerca de las
sobretensiones, sus orígenes y las
recomendaciones de la norma
IEC 60071
TIPOS DE SOBRETENSIONES
SOBRETENSIONES TEMPORALES
Voltaje con frecuencia alrededor de la fundamental (± 2Hz)
con valor pico máximo fase-tierra o fase-fase superior al voltaje
pico fase-tierra o fase-fase máximo permitido para un Sistema
de Potencia.
Características:
1. De larga duración
2. Con poco o ningún tipo de amortiguamiento.
SOBRETENSIONES TEMPORALES
CAUSAS
Cambios de topología del sistema, rechazos de carga
Los cambios en el sistema generan puntos de operación
diferentes, los cuales desencadenan la acción de los reguladores
de tensión, desde el inicio del evento y antes que la acción de los
reguladores haga efecto en el voltaje y la frecuencia se generan
sobretensiones que poco a poco se controlan de acuerdo con el
tipo de evento.
Factores recomendados:
Desde 1,4 p.u. hasta 2,5 p.u. cuando existen unidades de
generación o motores
SOBRETENSIONES TEMPORALES
CAUSAS
Fallas en el sistema
Son los eventos más frecuentes, en general la falla monofásica es
la más común y causa la elevación de las tensiones de las fases
sanas de acuerdo con el grado de aterrizamiento del sistema.
Factores recomendados:
Desde 1,4 p.u. para sistemas sólidamente aterrizados hasta 1,7p.u.
para sistemas aislados.
SOBRETENSIONES TEMPORALES
CAUSAS
Efecto Ferranti
En líneas energizadas al vacío, el circuito que se genera crea
corrientes capacitivas a través de la inductancia serie de la línea lo
que genera una sobretensión en el extremo abierto con respecto a
la tensión en el extremo donde la línea es energizada
Factores recomendados:
Desde 1,5 p.u. en adelante para sistemas extensos
SOBRETENSIONES TEMPORALES
CAUSAS
Resonancia
Se puede generar por:
a.
Resonancia entre cables de elevada capacitancia y reactores
limitadores de corriente
b.
Resonancia que ocurre entre una inductancia lineal y la
capacitancia de un sistema constituido por una línea levemente cargada.
c.
Ferroresonancia entre la reactancia de transformadores de
potencial y la capacitancia entre devanados de un transformador de
distribución
d.
Ferroresonancia en sistemas que contienen elementos saturables
y filtros de armónicos
SOBRETENSIONES TEMPORALES
CAUSAS
Ferroresonancia
Según ANSI/IEEE 100 1984
Fenomeno usualmente caracterizado por sobretensiones e
irregulares formas de onda. Asociado con la excitación de una o más
inductancias saturables a través de una capacitancia en serie.
En nucleos de aire la inductancia es fija, en nucleos
ferromagneticos cambia dependiendo del voltaje aplicado.
La capacitancia en serie es formada por la capacitancia de cables o
conductores, equipos etc.
El fenómeno es típico en sistemas aislados y los eventos de
suicheo asimétricos (relacionados con la apertura de interruptores
trifasicos de forma monopolar).
SOBRETENSIONES TEMPORALES
FORMA DE ONDA TÍPICA FALLA A TIERRA
SOBRETENSIONES TEMPORALES
FORMA DE ONDA TÍPICA RESONANCIA
250.0
[kV]
187.5
125.0
62.5
0.0
-62.5
-125.0
-187.5
-250.0
0.00
0.05
0.10
(f ile P05-2-1.pl4; x-v ar t) v :FTE
0.15
v :PRI
0.20
0.25
0.30
0.35 [s] 0.40
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
Voltaje pico fase-tierra o fase-fase superior al voltaje pico fasetierra o fase-fase máximo Um asignado a un Sistema de
Potencia (SP)
Características:
1. Origen interno debido a operación errónea de equipo de
maniobra o falla de aislamiento que genera cambios
en
la topología del SP.
2. De corta duración.
3. Alto amortiguamiento.
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
CAUSAS
Energización y Renergización
Dependen de varios parámetros:
•
Potencia de cortocircuito del sistema en el punto de la maniobra
•
Punto en la onda de voltaje en que opera el interruptor
•
Grado de compensación de la línea de transmisión
•
Longitud de la línea de transmisión
•
Transposición
•
Parámetros de los modos de propagación (geometría de la línea)
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
CAUSAS
(Cont.)
•
Pérdidas en el conductor (atenuación de los modos de
propagación)
•
Presencia de equipos de protección (descargadores de
sobretensiones)
•
Grado de aterrizamiento del sistema (Y D)
•
Tensión premaniobra o prefalla
•
Valor de la resistencia de preinserción (si existe)
•
Tiempo de inserción del resistor
•
Disparidad de polos del interruptor (caso compensaciones
)
•
Valor de la carga residual de la línea para el caso de recierre.
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
CAUSAS
Maniobras de Capacitores y Reactores
Durante el cierre de capacitores y reactores el fenómeno fundamental
es el almacenamiento de energía. La apertura de estos equipos puede
presentar altas sobretensiones sobre todo en los bancos de capacitores
ante los retrasos entre polos debido a la carga almacenada en los
capacitores
Tensiones de recuperación
Reenergización de capacitores o reactores no descargados
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
CAUSAS
Aplicación y despeje de fallas
La eliminación de la falla genera sobretensiones que pueden exceder
1.7pu.
Los factores que más influencian las sobretensiones originadas por
aplicación de fallas son:
•
Naturaleza de la falla
•
Longitud de la línea
•
Grado de compensación de la línea
•
Localización de la falla
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
CAUSAS
Rechazo de carga
Las sobretensiones debido a rechazo de carga tienen generalmente dos
etapas, la etapa transitoria correspondiente a los primeros ciclos luego
de ocurrido el evento y la etapa estacionaria correspondiente a la
evolución del sistema en estado estable luego del evento.
Las sobretensiones de la etapa transitoria son menores a las
sobretensiones por recierre de líneas, sin embargo las sobretensiones
de la etapa estacionaria tienden a ser mayores.
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
CAUSAS
Energización de transformadores
La maniobra de energización de transformadores presenta condiciones
particulares que pueden ocasionar valores de sobretensiones altos en
los sistemas de potencia debido a la característica no lineal de estos
equipos.
Debido a la característica no lineal del núcleo se presentan transitorios
electromagnéticos debido al flujo residual al momento de energizar el
transformador en vacío y en algunas condiciones como eliminación de
fallas, estos transitorios pueden generar altas corrientes que pueden
llegar a generar altas sobretensiones cuando sus componentes
armónicas afectan otros equipos de la subestación.
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
FORMAS DE ONDA TÍPICA ENERGIZACIÓN CONDENSADORES
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
FORMAS DE ONDA TÍPICA
VALORES RECOMENDADOS PARA SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
Energización y des-energización
desde 2,54 p.u hasta 3,26 p.u. normalmente en el sistema
colombiano
SOBRETENSIONES POR DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
Voltaje pico fase-tierra o fase-fase superior al voltaje pico fasetierra o fase-fase máximo Um asignado a un SP, de origen
externo causado por impacto de un rayo sobre o alrededor de
un punto del sistema
Características:
1.De muy corta duración.
2.Alto amortiguamiento.
SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
CARACTERÍSTICAS
Rayo:
Onda de impulso que aumenta rápidamente hasta su valor máximo y
luego, decrece lentamente comparado con la velocidad de subida.
Descripción de una onda de rayo:
Tiempo de frente, el tiempo de cola y amplitud máxima, la pendiente de
subida es fundamental y debe ser considerada, así, como las descargas
subsecuentes.
Las principales sobretensiones que se generan a causa de impulsos de rayo
se deben a cambios de medio (cambios de impedancia característica que
llevan a reflexiones y refracciones que originan problemas tanto en el
aislamiento externo como interno, siendo el último el más crítico).
SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
FORMA DE ONDA TÍPICA
SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
FORMA DE ONDA TÍPICA
SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
U c w= U p +l
Ucw:
Upl:
A:
n:
L:
A
L
⋅
n Ls p+ La
Tensión soportable de coordinación al impulso atmosférico, kV
Nivel de protección al impulso tipo rayo del descargador de sobretensiones, kV
Factor dado en la Tabla F.2 de la norma IEC 60071-2 que describe el
comportamiento de la línea ante las descargas eléctricas atmosféricas, kV
Número de líneas conectadas a la subestación, (n-1)
Separación equivalente entre el descargador de sobretensiones más cercano y el
equipo en consideración L= a1+a2+a3+a4
INGENIERÍA POR DESEMPEÑO
Cálculo de sobretensiones utilizando
programas de simulación de transitorios
-Modelos
RANGOS DE FRECUENCIA (COMP INDUCT Y CAPACIT.)
Variable
Eventos
Rango
Frecuencia
Tiempos
Forma de
onda
VENTANAS DE ANÁLISIS
I
Temporales
10 Hz < f
< 500 Hz
0.03 s ≤ Tt
≤ 3600 s
II
III
IV
Maniobras,
frente lento
Rayo, frente
rápido
Voltajes de
recuperación,
Frente muy
rápido
2 kHz < f
< 10 kHz
25 kHz < f
< 5 MHz
20 µs ≤ TP
0.1 µs ≤ T1
≤ 5000 µs
≤ 20 µs
T2 ≤ 300 µs
T2 ≤ 20 ms
0.3 MHz < f1
< 100 MHz
30 kHz < f 2
< 300 kHz
3 ns ≤ Tf
≤ 100 ns
Evento
Rechazo de carga
Energización de transformadores
Ventanas
I
I, II
Resonancia paralela
I
Disparidad de polos
I
Fallas en líneas
I, II
Despeje de fallas
I, II
Energización de líneas
I, II
Reenergización de líneas
I, II
Apertura de líneas en vacío
I, II
Suicheo de barras en AIS
Suicheo de corrientes inductivas y capacitivas
III, IV
I, II, III
Flameo inverso
III
Impacto directo rayo
III
Suicheo al interior de GIS
IV
Suicheo de corriente inductiva y capacitiva en SF6
Flameo inverso en GIS
Suicheo interruptor de vacío
I, II, III, IV
IV
III, IV
OBJETO DE ESTUDIO EN CADA VENTANA
Ventana I Temporales
Busca determinar los esfuerzos de voltaje en los equipos correspondientes a la
soportabilidad a frecuencia industrial y en particular la capacidad energética de los
descargadores de sobretensiones.
Ventana II Maniobras de frente lento
El principal interés es la selección de los voltajes requeridos de soportabilidad de los
equipos (BSL) y determinar el esfuerzo energético de los descargadores de sobretensiones.
Ventana III Rayo
En esta ventana se determina el riesgo de falla de equipos y la selección de los valores de
soportabilidad requeridos (BIL) en conjunto con la selección de los descargadores de
sobretensiones.
Ventana IV Voltajes de recuperación
Considera voltajes de recuperación en la maniobra de operación de interruptores aislados
con SF6 y la operación de interruptores de vacío.
ALTERNATIVE TRANSIENTS PROGRAM
DIgSILENT
POWER FACTORY - EMT
1 0 0 0 .0 0
8 0 0 .0 0
6 0 0 .0 0
4 0 0 .0 0
2 0 0 .0 0
0 .0 0
-2 0 0 .0 0
0 .0 0 0 0
1 9 .7 5 1
3 9 .5 0 3
5 9 .2 5 4
7 9 .0 0 5
3 9 .5 0 3
5 9 .2 5 4
7 9 .0 0 5
[u s ]
9 8 .7 5 7
B U S T E S T : P h a s e V o l t a g e A in k V
1 2 .5 0
1 0 .0 0
7 .5 0
5 .0 0
2 .5 0
0 .0 0
-2 .5 0
0 .0 0 0 0
1 9 .7 5 1
[u s ]
9 8 .7 5 7
C O N E X I Ó N R A Y O T E S T : P h a s e C u r r e n t A / T e r m in a l i in k A
L O - T E S T : P h a s e C u r r e n t A / T e r m in a l i in k A
TEST
D a t e : 1 0 /1 3 /2 0 0 8
Annex:
/9
RESUMEN
Tipos de sobretensiones
Sobretensiones Temporales
Sobretensiones de Maniobra
Sobretensiones por Descargas Atmosféricas
Factores de sobretensiones recomendados
Ingeniería por desempeño - Modelos
Ejemplo de coordinación
La empresa A cuenta con un transformador de 90 MVA
230/115 kV con unas tensiones normalizadas en 230kV
de 825 kV y 360 kV para sus componentes internos,
requiere conocer si es posible ubicar dicho
transformador en una subestación con unos niveles
normalizados de los demás equipos de 950 kV y 395 kV
METODOLOGÍA
IEC 60071-2
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2
La metodología para la coordinación de aislamiento esta basada en
cuatros pasos.
1.Determinación de las sobretensiones representativas ( U rp)
2.Determinación de las tensiones de soportabilidad para coordinación ( U cw)
3.Determinación de las tensiones de soportabilidad requeridas ( U rw)
4.Determinación de las tensiones de soportabilidad normalizadas ( U w)
Kc
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO
DESCRIPCIÓN
UNIDAD
VALOR
Tensión nominal
kV
230
Tensión asignada del equipo
kV
245
Frecuencia asignada
Hz
60
mm/kV
20
Distancia de fuga mínima nominal
Sistema en Y
Sólidamente
Aterrizado
Tipo de Sistema / Aterrizamiento
Altura sobre el nivel del mar
m
Nivel de contaminación ambiental
1080
Ligero
Factor de falla a tierra
Kg
1,4
Factor de rechazo de carga
Kd
1,4
Ue2
3,26
Sobretensión fase tierra del 2% de
probabilidad de no ser superada para
energización extremo remoto
Kc
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO (CONT..)
DESCRIPCIÓN
UNIDAD
VALOR
Sobretensión fase fase del 2% de
probabilidad de no ser superada
para energización extremo remoto
Up2
4,86
Sobretensión fase tierra del 2% de
probabilidad de no ser superada
para energización extremo local
Ue2
2,09
Sobretensiónfase fase del 2% de
probabilidad de no ser superada
para energización extremo local
Up2
3,11
Descargador
de
sobretensiones
utilizado 3EP4 192 - 2 P E 3 2 - 1
NPM
NPR
378 kV
461 kV
Máxima sobretensión
aislamiento externo.
por
rayo
kVp
848
Máxima sobretensión
aislamiento interno.
por
rayo
kVp
818
Kc
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 RESUMEN
* kV r.m.s para
frecuencia industrial
* kV pico para
impulsos de maniobra
y rayo
Aislamiento externo
Otros equipos
Aislamiento interno
Urw(s)
Urw(c)
Urw(s)
Urw(c)
Frecuencia Fase-tierra
industrial
Fase-fase
234
310
225
230
406
544
390
393
Impulso de Fase-tierra
maniobra
Fase-fase
473
Fase-tierra
Impulso
atmosférico Fase-fase
1017
616
940
506
1017
935
940
864
819
(1)
460
786
(1)
No se tiene en cuenta los equipos a la entrada de la
línea debido a que se evalúa solo el aislamiento del
transformador
Kc
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO - RESUMEN
De acuerdo con la Tabla 2 de la norma IEC 60071-1 [2] se deberían seleccionar
unos valores normalizados de aislamiento correspondientes a un sistema con
una tensión máxima Um, estos niveles de aislamiento cubririan cualquier
aislamiento externo e interno fase-fase y fase-tierra. Para el aislamiento
interno y externo se seleccionan las siguientes tensiones de soportabilidad:
460 kV para la tensión de soportabilidad de corta duración a frecuencia
industrial, a tierra y entre polos.
1050 kV para la tensión de soportabilidad al impulso atmosférico, a tierra y
entre polos.
De acuerdo con la norma, el transformador no se podría instalar en la
subestación A, debido a que no cuenta con los niveles de soportabilidad
requeridos
METODOLOGÍA
UTILIZANDO
INGENIERIA POR DESEMPEÑO
Forma de Onda para
Impulso Atmosférico
Onda de Rayo y Cadena de
Aisladores en ATP
Modelo de
Trampa de onda
Gráfico característica del
modelo de descargador
Modelo de la Subestación para impulso atmosférico
Kc
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO CON SIMULACIONES
DESCRIPCIÓN
UNIDAD
VALOR
Tensión nominal
kV
230
Tensión asignada del equipo
kV
245
Frecuencia asignada
Hz
60
mm/kV
20
Distancia de fuga mínima nominal
Sistema en Y
Sólidamente
Aterrizado
Tipo de Sistema / Aterrizamiento
Altura sobre el nivel del mar
m
Nivel de contaminación ambiental
1080
Ligero
Factor de falla a tierra calculado con
resultados de simulación
Kg
1.32
Factor de rechazo de carga calculado
con resultados de simulación
Kd
1.37
Sobretensión fase tierra del 2% de
probabilidad de no ser superada para
energización extremo remoto
Ue2
2.3
Kc
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO (CONT..)
DESCRIPCIÓN
UNIDAD
VALOR
Sobretensión fase fase del 2% de
probabilidad de no ser superada
para energización extremo remoto
Up2
3,89
Sobretensión fase tierra del 2% de
probabilidad de no ser superada
para energización extremo local
Ue2
1,8
Sobretensiónfase fase del 2% de
probabilidad de no ser superada
para energización extremo local
Up2
2,8
Descargador
de
sobretensiones
utilizado en simulación Siemens
3EP4 192 - 2 P E 3 2 - 1
NPM
NPR
378 kV
461 kV
Máxima sobretensión por rayo
aislamiento externo, resultado de
simulación
kVp
674,8
Máxima sobretensión por rayo
aislamiento interno, resultado de
simulación
kVp
674,8
Kc
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO SIMULACIONES - RESUMEN
* kV r.m.s para
frecuencia industrial
* kV pico para
impulsos de maniobra
y rayo
Aislamiento externo
Otros equipos
Aislamiento interno
Urw(s)
Urw(c)
Urw(s)
Urw(c)
Frecuencia Fase-tierra
industrial
Fase-fase
229
300
220
223
478 (2)
381 (2)
349 (2)
Impulso de Fase-tierra
maniobra
Fase-fase
459
Fase-tierra
Impulso
atmosférico Fase-fase
809
597
776
491
809
822
776
767
397
727
(2)
(1)
446
698
(1)
No se tiene en cuenta los equipos a la entrada de la
línea debido a que se evalúa solo el aislamiento del
transformador
Kc
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO - RESUMEN
Notas:
(1) En rango I, los valores requeridos de soportabilidad al impulso de
maniobra fase a tierra son cubiertos por la prueba de corta duración a
frecuencia industrial fase tierra. Los valores de soportabilidad al impulso
de maniobra fase a fase son cubiertos por la prueba de corta duración a
frecuencia industrial o por la prueba de soportabilidad al impulso tipo
rayo.
(2) El BIL adoptado garantizará la soportabilidad a frecuencia industrial
fase-fase, ya que la relación entre la sobretensión tipo rayo fase-fase y el
voltaje estándar de corta duración a frecuencia industrial es mayor a 1,7
(numeral A.1 del anexo A de la norma IEC 60071-2).
Kc
CONCLUSIÓN
Teniendo en cuenta las verificaciones realizadas
bajo las simulaciones que se llevaron a cabo del
sistema de la subestación A, es aceptable instalar el
transformador de potencia, ya que este cuenta con
un nivel de aislamiento interno para el impulso tipo
rayo de 825 kV y de 360 kV para la soportabilidad a
frecuencia industrial.