FALLAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN Msc.Ing. Leonidas Sayas Poma [email protected] Celular: 996963438 SISTEMAS DE PROTECCIÓN Los sistemas de protección son un conjunto de elementos destinados a: – – – – – – Detectar Localizar Evaluar Comunicar Despejar Informar FALLAS O ANOMALIAS EN EL SEP La detección de anomalías se realiza midiendo básicamente los siguientes parámetros: - Corriente (mayor indicador de fallas) - Tensión - Potencia - Impedancia - Frecuencia - Dirección del flujo de potencia PERTURBACIONES EN EL SEP CORTOCIRCUITOS SOBRECORRIENTES FALLAS SIMETRICAS Y ASIMETRICAS SOBRECARGAS (Detecta Temperatura) SOBRETENSIONES ALTA CORRIENTE (KA) APARICION REPENTINA DURACION CORTA (50 – 250 ms) OPERACION NORMAL (125-130%In) TRANSITORIAS APARICION GRADUAL DURACION LARGA (Varios minutos) CORTAS (Desc. Atmosfericas) LARGAS (Maniobras) TENSIONES ANORMALES PERMANENTES SUBTENSIONES SOBRECARGAS (s – min) FALLAS (ms – s) A FRECUENCIA INDUSTRIAL (s – min) Reles de minima tension (KHz - MHz) Cable de guarda Pararrayos Baja resistencia (us – ms) Lineas largas (efecto ferranti) Fallas) Reles de sobretension PERTURBACIONES EN EL SEP SOBREFRECUENCIAS FRECUENCIAS ANORMALES SUBFRECUENCIAS OTROS (COMBINACION) • • • • • • • •AUMENTO DE PERDIDAS– CALENTAMIENTOS •VIBRACION DE PALETAS DE GRUPOS TERMICOS •RELES DE SOBREFRECUENCIA •DESBALANCE GENERACION Y CARGA •RELES DE MINIMA FRECUENCIA (rechazo de carga) ARMÓNICOS, FLICKER, SAG, SWELL, NOTCHING INVERSION DE POTENCIA – ESPECIALMENTE PERJUDICIAL PARA GRUPOS TÉRMICOS CORRIENTES DE SECUENCIA NEGATIVA – FALLAS SERIE SOBREPRESIONES VIBRACIONES TENSIONES DE SECUENCIA HOMOPOLAR – CIRCUITOS EN DELTA ABIERTO VARIACION DE IMPEDANCIAS APARENTES – OSCILACIONES DE POTENCIA Contenido 1. Origen de las fallas 2. Tipos de fallas, simétricas y asimétricas 3. Teoría de componentes simétricas 4. Calculo manual de Icc 5. Calculo de Icc computacional 6. Aplicación L.Sayas P. Origen de las fallas Las fallas en un SD tienen los siguientes origenes: • Condiciones climáticas adversas • • • • • • descargas atmosféricas lluvia nieve o granizo hielo excesivo neblina, viento calor AISLADOR HIBRIDO • Medio ambiente • • • • • Contaminación industrial compuesta de partículas producto de las actividades industriales que arroja sobre los aisladores contaminación corrosión choque de materiales arrastrados por el viento. incendio caída de los árboles sobre las redes L.Sayas P. Origen de las fallas • Actos de la naturaleza • inundación • movimiento telúrico • terremotos • Animales • aves • Roedores • Terceros • actos de vandalismo • choque de vehículos sobre postes • cometas de niños L.Sayas P. Origen de las fallas • Propias de la red – – – – – – – – error de operación sobrecargas instalación/construcción deficiente falsa operación de los sistemas de protección equipo/ diseño inadecuado envejecimiento mal funcionamiento mantenimiento defectuoso • Defecto de fabricación L.Sayas P. Causa De Falla Por Llovizna L.Sayas P. Descarga A Tierra L.Sayas P. Descarga A Tierra L.Sayas P. Descarga A Tierra L.Sayas P. Descarga Total A Tierra L.Sayas P. Aisladores Con Botas Poliméricas Y Aisladores Extensores L.Sayas P. Causa De Falla Por Llovizna L.Sayas P. Aisladores Extensores Seccionador L.Sayas P. Selección Del Seccionador De Potencia Los Seccionadores de Potencia deben ser diseñados para soportar las corrientes L.Sayas P. capacitivas del sistema Resumen Origen de las fallas TIPO: CAUSADO POR: Falla en el aislamiento Errores y defectos de diseño inapropiado, contaminación. Origen eléctrico. Sobrecargas atmosféricas, maniobras internas, sobretensiones dinámicas. Origen Térmico. Sobrecorriente, sobretensión. Factores Mecánicos. Esfuerzos por sobrecorriente, impacto de objetos extraños, rotura por hielo.. L.Sayas P. Clasificación de las fallas • Por el tiempo de duración • Transitorias • Permanentes • Por la forma • Serie • Shunt • Por la simetria de las ondas • Simetricas • Asimetricas L.Sayas P. Fallas serie • Ruptura física de uno o dos conductores de una línea de transmisión por accidente o una tormenta. • Debido a corrientes de sobrecarga en una o dos fases, pueden operar los dispositivos de protección. • Falla en los polos del interruptor al efectuar una operación monofásica. I=0 L.Sayas P. Fallas shunt o paralelo L.Sayas P. Falla trifásica diagrama vectorial c b a •Trifasica a tierra •Trifasica sin contacto a tierra L.Sayas P. Falla bifásica diagrama vectorial c b a falla bifásica sin contacto a tierra L.Sayas P. Falla bifásica a tierra diagrama vectorial Falla bifásica con contacto a tierra c b a L.Sayas P. Falla monofásica diagrama vectorial Falla monofasica con contacto a tierra c b a L.Sayas P. Sistema con neutro aislado En condición normal En condición de falla L.Sayas P. Estadística de fallas shunt • Para SD – – – – Monofásicas 70 % Bifásicas 7% Bifásicas –t 20% Trifásicas 3% Total 100% • Ubicación de las fallas – Redes 85% – Barras y transformador 15% L.Sayas P. Nota: • Del total de fallas a tierra el 60% es transitoria y el 30% permanente (5% caída de línea) • El sistema de protección debe considerar estos valores Fallas simétricas y asimétricas La corriente de cortocircuito Icc • Su valor inicial depende en que parte de la onda de tensión ocurre el cortocircuito y su amortiguamiento es tanto más rápido cuanto mayor sea la relación R/L. L.Sayas P. La corriente de cortocircuito • La Icc tiene dos componentes, una alterna (Ia) y otra continua (Ic). • Icc=Ia+Ic L.Sayas P. Fallas simétricas y asimétricas • Es el caso más frecuente. La componente AC se mantiene y la DC se amortigua. • Se aprecia los dos casos extremos. Simétrico L.Sayas P. Asimétrico Coeficiente “K” K 1,022 0,96899 e R 3, 0301 X Ip K . 2.Ia L.Sayas P. Ip Poder de cierre de los interruptores Reactancia subtransitoria Reactancia transitoria Reactancia permanente Componente unidireccional L.Sayas P. Contribución a la Icc L.Sayas P. Calculo de la corriente de cortocircuito Métodos • • Fallas simétricas; Icc 3f Fallas asimétricas; Icc1f, Icc2f, fallas serie • Consideraciones para el calculo Iccmax • • • • • Todo los generadores en servicio Impedancia de falla igual a cero Debe ser Icc3f y Icc2f Máxima demanda Se considera impedancias subtransitorias • Consideraciones para el calculo Iccmin • • • • • Mínimo numero de generadores en servicio Se considera impedancia de falla Debe ser Icc2f y Icc1f Mínima demanda Se considera impedancias transitorias • En general en los SD • • • Se omiten las corrientes de carga La tensión prefalla pueden ser iguales en toda el SD Se omiten las resistencias , capacitancias de carga, y los taps no nominales, ya que la influencia no es significante. L.Sayas P. Icc trifásico simétrico Datos necesarios • En el punto de entrega se requiere, Scc, Upf y Angulo • Si no hay Scc, se considera al transformador de impedancia infinita. Snt Scct Ucc(%) Icct 1 .In Ucc(%) • Se debe conocer las resistencias y reactancias de los conductores. Sn Ucc(%), U1/U2 R1,X1 R2,X2 L1(km) L2(km) Scc(MVA) Upf(kV) Angulo Iccs Scc 3.Upf Upf Icc3 f 3. Upf 2 Zs Scc Icc 2 f L.Sayas P. R X 2 2 Rs Zs.cos 3 .Icc3 f 2 Xs Zs.sen solo si Z() Z(-) Parámetros de líneas y cables CUADRO Nº 1 PARAMETROS ELECTRICOS DE LINEAS AEREAS Y CABLES SUBTERRANEOS DE MEDIA TENSION CABLE NKY N2XSY LINEA Aluminio Cobre SECCION (16) (35) (70) (120) (240) (25) (120) (240) SECCION (33) (67) (70) (120) (125) (13) (16) (21) (33) (35) (42) (67) (70) R(ohm/km) 1,3258 0,6033 0,3122 0,1758 0,0856 0.9290 0.1960 0.1000 X(ohm/km) 0,144 0.177 0,109 0,102 0,096 0,216 0,175 0,1587 R(ohm/km) X(ohm/km) 0,8398 0,4526661 0,5912 0,420495 0,5834 0,4176 0,3226 0,41262 0,2979 0,3925986 1,6164 0,4876382 1,3488 0,47204 1,0168 0,4701502 0,6398 0,4526661 0,6156 0,44237 0,5072 0,4439213 L.Sayas P. 0,3189 0,4163712 0,3147 0,43289 S(mho) 5,77E-05 7,13E-05 8,71E-05 1,01E-04 1,21E-04 5,32E-05 C(microF/km) 0,1816 0,2789 0,3145 S(mho) C(microF/km) 3,6786E-06 3,97703E-06 3,97703E-06 4,24091E-06 4,24091E-06 3,40097E-06 3,4509E-06 3,53436E-06 3,6786E-06 3,7426E-06 3,75526E-06 3,98591E-06 3,99095E-06 Aplicación 1 Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f en la derivación 0434T L.Sayas P. Solución Aplicación 1 L.Sayas P. Tarea 1 Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f y Icc2f en la SE 981. L.Sayas P. MÉTODO DE LOS MVA 2768.1 A 60 kV Sistema A B 1 SCC B 1 1 SCC A 1 ST uCC 1 287,67 1 14 0,0816 SCC B 60/10 KV 14 MVA (17,5 MVA) 1 8,16% 3,476 10 3 5,8286 10 3 SCC B 1 rL + j xL C SCC B 9,3048 10 3 SCC B 107,47 MVA I CC B L.Sayas P. 107,47 MVA 6,2 KA 3 10 KV Tarea 1 Método de los MVA L.Sayas P. MÉTODO EN p.u. S B 100 MVA VB I 60 KV Impedancia de la fuente : 1,0 0º p.u. xS j SB 100 j j 0,347 p.u. SCC 287,67 Impedancia del transformador : xS (p.u.) zCC xS xT j 0,9305 A iCC xT (p.u.) B S 100 xT uCC B j 0,0816 S 14 N xT j 0,58286 p.u. IB u 1,0 1,0747 p.u. zCC 0,9305 SB 100MVA 5773,5 A 3 U B II 3 10 KV I CC iCC I B 1,0747 5773,5 A I L.SayasCCP. 6,2kA Tarea 2 Método p.u. L.Sayas P. Cálculo de fallas asimétricas • En algunas aplicaciones es necesario realizar cálculos de cortocircuitos desequilibrados (bifásico y monofásico). • Son las fallas de mayor probabilidad de ocurrencia. • Para este cálculo se emplea el método de las Componentes Simétricas. • Nota .- para el cálculo de cortocircuitos, se suele despreciar las corrientes de carga del sistema. L.Sayas P. Teoría de componentes simétricas • El análisis de un SD balanceado se efectúa utilizando sus equivalentes de monofásicos o unitarios. • Si el SD es desbalanceado o asimetrico (por fallas) resulta complicado • En el año 1918, el Doctor Charles F. Fortescue publicó su trabajo "Method of Symmetrical Coordinates Applied to the Solution of Poliphase Network", con lo cual se inicio los estudios de los sistemas eléctricos en situaciones de fallas asimétricas o desbalanceadas, mediante el METODO DE COMPONENTES SIMETRICAS L.Sayas P. Teoría de componentes simétricas “Fortescue” Propuso que un sistema trifásico desbalanceado puede descomponerse en tres sistemas de vectores balanceados llamados componentes secuencia positiva , negativa y cero. VT1 VS2 VT VR0 VS0 VT0 VR2 VR1 VS VR VS1 VT2 (+) (-) (0) Secuencia positiva RST Secuencia negativa RTS Secuencia homopolar L.Sayas P. Teoría de componentes simétricas L.Sayas P. Sistema de secuencia positiva. El operador a es un vector de magnitud la unidad y argumento 120° R1 120° 120° a =1 120° T1 120° S1 se cumple lo siguiente: S1 = a2 R1 T1 = a R1 L.Sayas P. Sistema de secuencia negativa. Asimismo se cumple: R2 120° S2 = a R2 120° T2 = a2 R2 S2 120° T2 L.Sayas P. Sistema de secuencia cero. 3 R o = 3 So = 3 To Ro So To L.Sayas P. Los tres vectores homopolares o de secuencia cero, son iguales en magnitud, dirección, y sentido. Valores reales en función de la secuencia • Un sistema eléctrico asimétrico, puede ser descompuesto en tres sistemas de simétricos diferentes e independientes (positiva, negativa y cero). VR Vo V 1 V 2 IR Io I1 I 2 VS Vo a V 1 aV 2 IS Io a I1 aI 2 VT Vo aV 1 a V 2 IT Io aI1 a I 2 2 2 2 L.Sayas P. 2 Valores de secuencia en función de la real 1 Io ( Ir Is It ) 3 1 I 1 ( Ir aIs a 2 It ) 3 • Se demuestra que : Iro Iso Ito 1 I 2 ( Ir a 2 Is aIt ) 3 IR IS IT 3 1 Vo (Vr Vs Vt ) 3 1 V 1 (Vr aVs a 2Vt ) 3 IR aIS a 2 IT Ir1 3 IR a 2 IS aIT Ir 2 3 1 V 2 (Vr a 2Vs aVt ) 3 L.Sayas P. Comentario • Las componentes de secuencia positiva, están presentes en cualquier condición (balanceada o desbalanceada, simétricos y asimétricos). • Las componentes de secuencia negativa, por tener secuencia diferente a las positivas, rompen el equilibrio establecido por el sistema positivo. • En otras palabras, cualquier desequilibrio introduce componentes de secuencia negativa. L.Sayas P. Comentario • Las componentes homopolares o de secuencia cero, sólo pueden aparecer cuando el sistema trifásico tenga una resultante (IR + IS + IT >0 ). Para que un red trifásica tenga resultante es preciso que dicha red tenga, al menos un punto a tierra. Por ejemplo: Una falla monofásica a tierra. Una falla bifásica a tierra. Las aperturas de fase o las cargas desequilibradas solamente producirán componente homopolar cuando exista un segundo punto de contacto a tierra. L.Sayas P. Redes de secuencia + • Reemplazar las impedancias de secuencia positiva en el sistema eléctrico en estudio, luego determinar el circuito Thévenin equivalente (Red monofásica activa, con impedancias directas) en el punto de falla. L.Sayas P. Ia1 + Z1 E Ua1 Red de secuencia positiva ( 1 ) Redes de secuencia • Reemplazar las impedancias de secuencia negativa y anular las fuentes de tensión existentes. De igual modo se determina la red de secuencia negativa (Red monofásica pasiva, con impedancias inversas) en el punto de falla. L.Sayas P. Ia2 + Z2 Ua2 Red de secuencia negativa ( 2 ) Redes de secuencia 0 • Asimismo se determina la red de secuencia cero (Red monofásica pasiva, con impedancias homopolares, Ia0 + Z0 Ua0 reemplazando las impedancias de secuencia cero) en el punto de falla. L.Sayas P. Red de secuencia cero ( 0 ) Generadores Z1 IR1 IR2 + ER Z2 + UR1 UR2 - - Red de secuencia positiva (1) o (+) Red de secuencia negativa (2) o (-) L.Sayas P. Generadores XO XO a:1 R 3ZN ZN=XT + a2 R XO XO XO ZN 3ZN Redes de secuencia cero según su conexión L.Sayas P. Transformadores XT S ZS P ZP ZT T Transformador de 2 devanados Transformador de 3 devanados Redes de secuencia positiva y negativa L.Sayas P. Transformadores de 3 devanados S P T X PS X PT X ST XP 2 X PS X ST X PT XS 2 X PT X ST X PS XT 2 L.Sayas P. Red de secuencia cero para los transformado res según su conexión. L.Sayas P. Red de secuencia cero para los transformadores según su conexión. L.Sayas P. Transformador de puesta a tierra (zig-zag) XT XT 3R Red de secuencia positiva y negativa Red de secuencia cero L.Sayas P. Circuitos de secuencia FALLAS TRANSVERSALES Uth I0 Z1 Z 2 Z 0 3Zf Ia1 Z1 Vth Va1 Ia2 Ia1 Z2 Va2 3Zf Z1 Vth Va1 Zf Ia2 Z2 Va2 Ia0 Z0 Va0 I1 f I 2 f FALLA MONOFASICA Uth Z1 Z 2 Z f FALLAS BIFASICA L.Sayas P. Circuitos de secuencia FALLAS TRANSVERSALES Ia1 Z1 Vth Ia2 Ia1 Z2 Z1 Va2 Va1 3Zf Vth Ia0 Va1 Z0 Va0 I 3k FALLA BIFASICA A TIERRA Uth 3 Z1 FALLAS TRIFASICA L.Sayas P. CORTOCIRCUITO EN UNA RED TRIFASICA. Conexión entre las redes de secuencia correspondiente a varios tipos de cortocircuitos en una red trifasica a a 30 c b b b 30 a 30 c 30 30 d d d c (0) (0) (0) (0) (-) (-) (-) (-) (+) (+) (+) (+) Linea a linea (f ) L.Sayas P. 2 lineas a tierra (f ) Trif asico (g) Trif asico a tierra (h) Tensiones homopolares • Para poder efectuar la detección de las tensiones homopolares simplemente hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico, tal como se muestra a continuación: L.Sayas P. Corriente homopolar • De igual manera, para la detección de la corriente homopolar hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico. L.Sayas P. Corriente homopolar • Sin embargo debido a que la corriente homopolar es muy pequeña en comparación de la corriente del alimentador y si la detección de la corriente se efectúa a través de la suma de tres transformadores de corriente, es posible que el resultado del filtro homopolar sea una corriente debido a la diferencia de corrientes de excitación que daría como resultado operaciones incorrectas. L.Sayas P. Corriente homopolar IR IS IT R Io = ( IR + IS + IT ) / 3 Ir Ir - Iex Iex Relé IR luego la corriente en el relé es : Irele = ( Ir - Iexr ) + ( Is - Iexs ) + ( It - Iext ) Irele = ( Ir + Is + It ) - ( Iexr + Iexs + Iext ) - si el sistema no tiene falla a tierra Irele = - ( Iexr + Iexs + Iext ) esta corriente puede originar operaciones incorrectas del relé L.Sayas P. Corriente homopolar • Para solucionar este problema debemos efectuar la suma de las tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético, lo cual da como resultado una corriente en el secundario del transformador siempre y cuando exista corriente homopolar en el sistema primario. Para poder introducir las tres fases dentro de un núcleo magnético la única forma es que el electroducto sea un cable. L.Sayas P. Corriente homopolar Para solucionar este inconveniente es preferible sumar las tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético IR IS IT Ir + Is + It Iex I rele I rele = ( Ir + Is + It ) - Iex L.Sayas P. Aplicación - Vector - Aplicación de fallas asimétricas - Calculo automático - Calculo automatico1 -Calculo automático 2 -Calculo de fallas con software L.Sayas P.