ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
ESTUDIO Y SIMULACIÓN DE VOLTAJES TRANSITORIOS DE RECUPERACIÓN ASOCIADOS A LA APLICACIÓN DE INTERRUPTORES
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO
ADRIANA ELIZABETH PORRAS CABEZAS [email protected]
DIRECTOR: ING. LUIS RUALES CORRALES [email protected]
Quito, Julio 2015 i
DECLARACIÓN
Yo Adriana Elizabeth Porras Cabezas, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
______Adriana E. Porras C. ii
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Adriana Elizabeth Porras Cabezas, bajo mi supervisión.
______Ing. Luis Ruales Corrales DIRECTOR DEL PROYECTO iii
AGRADECIMIENTOS
A Dios por las lecciones y bendiciones recibidas, por la oportunidad de cada día.
Al Ing. Luis Ruales por la oportunidad brindada para realizar este proyecto, por su guía acertada y por su paciencia.
A los ingenieros Transelectric y del Centro de Operación de Transmisión, por el ánimo y soporte brindado desde el momento en que los conocí, especialmente al Ing. José Mosquera, Ing. Francisco Torres e Ing. Luis Dután.
A mis familiares por sus gestos de cariño y el apoyo incondicional con los que siempre podré contar.
A mis amigos y compañeros por todos los momentos compartidos de risas, locuras y tristezas, por el acolite de siempre.
A todos los que estuvieron pendientes de mi avance en este proyecto y de mi mejora para ser la persona que soy, mil gracias por formar parte de mi vida.
… "Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica. Esa es la fuerza de voluntad." Albert Einstein.
“Nada es más estable en el hombre que su capacidad de cambiar.” de Reuven Feuerstein. iv
DEDICATORIA
Dedicado a mis padres Antonio y Nelly por su ejemplo y grandes anhelos de verme cumplir este sueño. A mis hermanos Carlos y Mónica, y mi cuñado Juan Pablo por su compañía y ocurrencias. A mi sobrino Tomás por toda la alegría y ternura con la que ha llenado en mi corazón. A toda la familia por permitirme compartir agradables momentos, brindándome su apoyo y su cariño incondicional. v
ÍNDICE
Declaración ...... i
Certificación ...... ii
Agradecimientos ...... iii
Dedicatoria ...... iv
Índice ...... v
Índice de gráficos ...... viii
Índice de tablas ...... x
Abreviaturas y simbología ...... xi
Glosario de terminos ...... xiii
Resumen ...... xviii
Presentación ...... xix
Capítulo 1 ...... 1
ANTECEDENTES ...... 1
1.1. Introducción ...... 1
1.2. Objetivos ...... 1
1.2.1 Objetivo general ...... 1
1.2.2 Objetivos específicos ...... 1
1.3. Alcance ...... 2
1.4. Justificación del proyecto ...... 2
Capítulo 2 ...... 4
MARCO TEÓRICO ...... 4
2.1. Definición y descripción de parámetros ...... 4
2.1.1 Generalidades de transitorios e interruptores ...... 4
2.1.2 Definición de voltaje transitorio de recuperación ...... 6
2.1.3 Características ...... 8 vi
2.1.4 Parámetros ...... 10
2.2. Métodos de cálculo ...... 14
2.2.1 Método por componentes simétricas ...... 15
2.2.2 Método de inyección de corriente...... 16
2.2.3 Método de apertura de interruptores ...... 18
Capítulo 3 ...... 19
NORMAS...... 19
3.1. Análisis de requerimientos Normas ANSI - IEEE ...... 20
3.1.1 Norma de Evaluación de configuración para Interruptores de Corriente Alterna de Alto Voltaje (Standard for Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers) ...... 20
3.1.2 Guía de aplicación para voltaje transitorio de recuperación para interruptores de corriente alterna de alto voltaje (Application Guide for Transient Recovery Voltage for AC High-Voltage Circuit Breakers)...... 23
3.2. Análisis de requerimientos Normas IEC ...... 31
3.2.1 Aparamenta de alto voltaje – interruptores de corriente alterna (High- voltage switchgear and controlgear - Alternating current circuit-breakers) .... 31
3.2.1 Guía de referencia para selección de interruptores ...... 42
Capítulo 4 ...... 44
SIMULACIÓN ...... 44
4.1. Presentación de ejemplo específico y determinación de caso de ocurrencia ...... 44
Capítulo 5 ...... 54
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...... 54
5.1. Conclusiones ...... 54
5.2. Recomendaciones ...... 55
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...... 56
ANEXOS ...... 61 vii
ANEXO A ...... 62
Programa computacional: Alternative Transients Program (ATP) ...... 62
ANEXO B ...... 68
Especificaciones y características de equipos representados en simulación ... 68
ANEXO C ...... 70
Valores característicos de equipos y elementos ...... 70
ANEXO D ...... 71
Resumen Normas ...... 71
viii
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Figura 2.1 Funcionamiento del interruptor al despejar una falla en un sistema de potencia...... 4
Figura 2.2 Diseño general de un interruptor de potencia trifásico con medio de extinción SF 6 ...... 5
Figura 2.3 Ejemplo de TRV de falla de línea corta ...... 6
Figura 2.4 Formas de onda del voltaje de reencendido y voltaje de recuperación. 8
Figura 2.5 TRV y voltaje de recuperación en circuitos resistivos, inductivos y capacitivos...... 9
Figura 2.6 Corriente, Voltaje de Recuperación y TRV ...... 10
Figura 2.7 Tasa de Crecimiento del Voltaje Transitorio de Recuperación (RRRV o TCRV) ...... 13
Figura 2.8 Despejo de la primera fase de una falla 3ø en una red balanceada por componentes simétricas ...... 15
Figura 2.9 Interconexión de redes de secuencia para la primera fase al despejar de una falla 3ø...... 16
Figura 2.10 Circuito equivalente del procedimiento simplificado para método de inyección de corriente ...... 17
Figura 3.1 Envolvente TRV inicial ...... 22
Figura 3.2 Envolventes del TRV del sistema y nominal del interruptor. [14] ...... 25
Figura 3.3 TRV característicos exponencial, oscilatorio y falla de línea corta. [14] ...... 26
Figura 3.5 Porcentaje de capacidad de interrupción - Multiplicadores K t1 , K t2 y K t3 según Tabla 3.4. Para interpolación según porcentaje de capacidad de interrupción ...... 28
Figura 3.7 Envolventes del TRV en sistemas en función de corriente de cortocircuito nominal (Isc) para sistemas de voltajes menores o iguales a 72.5 kV...... 29 ix
Figura 3.8 Representación TRV por una línea de referencia de cuatro parámetros y línea de retardo para T100, T60, falla de línea corta y condición fuera de fase. .. 37
Figura 3.9 Representación TRV por una línea de referencia de dos parámetros y una línea de retardo...... 37
Figura 4.1 Zona Las Esclusas – Caraguay 138 kV. Base SNI 2014 - Power Factory DigSILENT ...... 44
Figura 4.2 Zona Las Esclusas - Caraguay 138 kV simulado en ATP...... 45
x
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Parámetros nominales TRV ...... 21
Tabla 3.2 Tiempo al primer pico inicial del TRV ...... 22
Tabla 3.3 Esfuerzos mecánicos admisibles en los terminales del interruptor...... 23
Tabla 3.4 Factores de capacidad al TRV de interruptores a varios niveles de interrupción de fallas terminales...... 27
Tabla 3.5 Clasificaciones recomendadas para interruptores exteriores de 123 kV nominales o mayores, incluyendo interruptores aplicados en subestaciones aisladas en gas en sistemas de 60 Hz...... 30
Tabla 3.6 Voltajes nominales de hasta 245 kV - Rango I ...... 33
Tabla 3.7 Voltajes nominales mayores a 245 kV - Rango II ...... 33
Tabla 3.8 Niveles de aislamiento nominales para voltajes nominales de Rango I – Series I. Simplificada de la tabla original...... 34
Tabla 3.9 Niveles de aislamiento nominales para voltajes nominales de Rango II...... 34
Tabla 3.10 Niveles de aislamiento nominales adicionales en América del Norte para Rango II...... 35
Tabla 3.11 Valores estándar de TRV a - Voltajes nominales de 100 kV a 170 kV para sistemas sólidamente aterrados - Representación por cuatro parámetros. . 39
Tabla 3.12 Valores estándar de multiplicadores para TRV para el 2do y 3er polo a despejar para voltajes nominales mayores a 72.5 KV...... 39
Tabla 3.13 Valores estándar del ITRV - Voltajes nominales de 100 kV o mayores...... 40
Tabla 3.14 Valores estándar de características de línea para fallas de línea corta...... 41
Tabla 3.15 Resumen comparativo de términos entre las normas IEC y ANSI/IEEE ...... 42 xi
ABREVIATURAS Y SIMBOLOGÍA
AC: (Alternating Current) Corriente alterna. ANSI: (American National Standards Institute) Instituto Nacional Americano de Estándares, acredita a organizaciones y supervisa el desarrollo de estándares. ATP: (Alternative Transients Program) Programa Alternativo de Transitorios. ATPCC: (ATP Control Center) Centro de Control del Programa Alternativo de Transitorios. CB: (Circuit Breaker) Interruptor o disyuntor. DC: (Direct Current) Corriente directa o corriente continua.
FPTC, K f, K pp : (First Pole To Clear Factor) Factor de Primer Polo, expresado como
Kf según normas ANSI/IEEE y K pp según normas IEC. GIS: (Gas Insulated Metal Enclosed Switchgear) Interruptor o equipo encapsulado en celdas de metal con aislamiento de gas. HV: (High Voltage) Alto voltaje.
I, I SC : (Rated short-circuit breaking current) Corriente nominal de cortocircuito o corriente nominal de corte en caso de cortocircuito del
interruptor, expresado como I según normas ANSI/IEEE y como I SC según normas IEC.
IB: Corriente base. IEC: (International Electrotechnical Commission) Comisión Electrotécnica Internacional. IEEE: (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos que innova tecnología y educación mediante la asociación de profesionales de carreras eléctircas, electrónicas y afines. IEEE-PES: (IEEE Power & Energy Society) Sociedad de Potencia y Energía del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. IEEE-SA: (IEEE Standards Association) Organización parte del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos que desarrolla normas globales. xii
IEV: (International Electrotechnical Vocabulary) Vocabulario Electrotécnico Internacional.
Irms : Corriente eficaz o corriente rms. ISO: (International Organization for Standardization) Organización Internacional para la Estandarización. ITRV: (Initial Transient Recovery Voltage) Voltaje Transitorio de Recuperación Inicial.
Ka, K af : (Transient amplitude factor) Factor de amplitud transitorio, expresado
como K a según normas ANSI/IEEE y K af según normas IEC.
Kf, K pp : (First Pole To Clear Factor) Factor de Primer Polo, expresado como
Kf según normas ANSI/IEEE y K pp según normas IEC. rms: (Root Mean Square) Valor eficaz o raíz cuadrada del valor cuadrático medio.
SB: Potencia base.
SF 6: (Sulfur hexafluoride) Hexafluoruro de azufre. SLF: (Short Line Fault) Falla de línea corta. SNI: Sistema Nacional Interconectado. TC: Transformador de Corriente. TCRV, RRRV: (Rate of Rise Recovery Voltage) Tasa de Crecimiento del Voltaje Transitorio de Recuperación. TRV o TTR: (Transient Recovery Voltage) Voltaje Transitorio de Recuperación o Voltaje Transitorio de Restablecimiento por sus siglas en Portugués.
VB: Voltaje base.
Vrms : Voltaje rms o voltaje eficaz. xiii
GLOSARIO DE TERMINOS
La definición de los términos detallados a continuación han sido tomados de las referencias [11][13][27].
ARCO ELÉCTRICO: Considerado como un conductor gaseoso debido a que está constituido por electrones y gas ionizado a altas temperaturas (de 2500°C a 10000°C), con un comportamiento completamente diferente a los conductores sólidos, también variable debido a que sus características dependen del voltaje y su variación entre contactos, forma y materiales de los contactos, medio ambiente donde se induce, agentes ionizantes o desionizantes, entre otros. APARAMENTA: (Switchgear and controlgear) Referido al conjunto de equipos de maniobra, protección, control y medida, incluidos armarios y estructuras de soporte en instalaciones eléctricas. CAPACIDAD REQUERIDA DE INTERRUPCIÓN DE FALLAS TRIFÁSICAS ASIMETRICAS DEL INTERRUPTOR (Required asymmetrical interrupting capability for three-phase faults): Es el valor de la corriente eficaz total de
cortocircuito I t en amperios que se deberá interrumpir en el instante de separación de los contactos del interruptor al voltaje y secuencia de operación
nominal. Se determina en base a la corriente nominal simétrica I sym y la componente de corriente continua expresada como un porcentaje del valor
−t pico. Donde: % dc= 100 ⋅ e 45 en base a la constante de tiempo 45 [ms]
C% dc S 2 I= I 12 + D T (1.1). [13] t sym E100 U CAPACIDAD REQUERIDA DE INTERRUPCIÓN DE FALLAS TRIFÁSICAS SIMÉTRICAS DEL INTERRUPTOR (Required symmetrical interrupting
capability for three-phase faults) [I sym ]: Es el valor de la componente simétrica de corriente eficaz de cortocircuito en amperios que se deberá interrumpir en el instante de separación de los contactos del interruptor al voltaje y secuencia de operación nominal con una componente de corriente continua menor al 20% del valor de la componente simétrica. [13] xiv
CEBADO (Sparkover): Término usado cuando la descarga disruptiva ocurre en un dieléctrico líquido o gaseoso. CICLO DE OPERACIÓN O MANIOBRA DEL INTERRUPTOR: También conocido como secuencia de operación , se refiere al orden o sucesión de operaciones desde una posición a otra. El orden estándar para un interruptor se define como O-t-CO-t’-CO donde O se refiere a una operación de apertura (Open), CO al cierre y apertura (Close-Open), t’ es 3 minutos y t puede ser 0.3 segundos para recierre rápido o caso contrario es 15 segundos. [13] Para mantenimientos de los interruptores se refieren a ciclos de maniobra mecánicos que no es más que la cantidad de ciclos realizados por el interruptor y ciclos maniobras de corrientes de operación y cortocircuito en los que se consideran las condiciones de carga o altas corrientes soportadas. CONTORNEO (Flashover): Término usado cuando la descarga disruptiva ocurre sobre la superficie de un dieléctrico sólido en un medio líquido o gaseoso. CONDICIONES NORMALES O USUALES DE OPERACIÓN: Se refiere a la operación del equipo con respecto a sus especificaciones nominales de acuerdo a la aplicación y diseño para las que fueron determinados. [13] CORRIENTE ASIMÉTRICA: Se refiere a la corriente alterna que presenta variaciones con respecto al eje, cuya causa es la relación proporcional entre
la reactancia inductiva X L y la resistencia R de un circuito. Generalmente es una función seno-exponencial simétrica con respecto a su componente DC, donde su componente senoidal determina el valor eficaz de la corriente simétrica y su componente exponencial determina la desviación DC. CORRIENTE CONTINUA NOMINAL: Es el límite de corriente establecido a ser continuamente soportado sin exceder los límites de temperaturas en aislamientos, conexiones y componentes de los interruptores. Algunos de los valores estándares se presentan más adelante en la Tabla 3.3 Esfuerzos mecánicos admisibles en los terminales del interruptor. ([13] tabla 4) y para su mejor entendimiento se recomienda revisar la figura 8 de la norma IEC 62271- 100. [11][13] CORRIENTE SIMÉTRICA: Se refiere a la corriente alterna que no presenta variaciones con respecto al eje, es decir, cuando ningún fenómeno transitorio sigue a la iniciación de la misma. Se expresa por su valor rms. xv
CORRIENTE DE PRIMER CICLO: También llamada corriente momentánea, es la corriente de medio ciclo después de iniciada la falla. CORRIENTE DE INTERRUPCIÓN: También llamada corriente de apertura de contacto que relaciona la corriente soportada por el interruptor al aislar una falla. Se define como la corriente de cortocircuito en un tiempo de 3 a 5 ciclos después de iniciada la falla y es asimétrica ya que contiene una componente continua o DC. DESCARGA DISRUPTIVA (Disruptive discharge): Fenómeno asociado con la falla de aislamiento bajo esfuerzo eléctrico, en el que la descarga cruza completamente el aislamiento bajo prueba, reduciendo el voltaje entre los electrodos a cero o cerca de cero. Aplicable a descargas en dieléctricos sólidos, líquidos y gaseosos o combinaciones de estos. DESCARGA DISRUPTIVA NO SOSTENIDA (Non sustained disruptive discharge): También conocida como NSDD es la descarga disruptiva entre los contactos de un interruptor en vacío durante el período de frecuencia de recuperación de voltaje de la alimentación resultante en un flujo de corriente de alta frecuencia que se relaciona con la capacitancia parásita cerca del interruptor, que se interrumpe después de uno o varios lazos de corriente de alta frecuencia. FACTOR DE PRIMER POLO (First Pole to Clear Factor FPTC): Es la relación del voltaje a frecuencia de alimentación a través del polo a abrir antes de ocurrir una interrupción en los otros polos y el voltaje a frecuencia de alimentación que ocurre a través del polo o los polos después de la interrupción en todos los polos cuando se interrumpe cualquier corriente simétrica, el mismo que influye en la capacidad del interruptor al TRV. FACTOR DE PUESTA A TIERRA: En casos de falla a tierra este factor relaciona el voltaje de las fases sanas con el voltaje antes de la falla y dependiendo de la efectividad de la puesta a tierra del neutro de la fuente su valor cambia. FALLA ASIMÉTRICA: Este tipo de falla da lugar a la circulación de corrientes desequilibradas, la misma que puede ser una falla monofásica a tierra, bifásica o bifásica a tierra. FALLA SIMÉTRICA: Este tipo de falla da lugar a la circulación de corrientes equilibradas, la cual hace referencia generalmente a fallas trifásicas. xvi
FALLA TERMINAL (Terminal Fault): Falla que ocurre en los terminales del interruptor o muy cerca de los mismos. En las normas las fallas terminales trifásicas son la referencia para la determinación del TRV ya que resultan en la condición para la mayor corriente de cortocircuito, debido a que la impedancia total de cortocircuito es igual a la impedancia del lado de la fuente.[20] FALLA DE LÍNEA CORTA (Short Line Fault SLF): Falla que ocurre en una línea aérea cercana al interruptor, en donde, la corriente de falla no se determina únicamente con la impedancia del lado de la fuente o de la red, sino también influye la impedancia del tramo de línea desde el interruptor y el lugar de la falla. FRECUENCIA NOMINAL DEL SISTEMA: (Rated Power Frecuency) Es la frecuencia nominal del sistema de potencia para la cual está diseñada para operar un equipo, en nuestro sistema operamos a 60 [Hz]. INTERRUPTOR AUTOMÁTICO (MECÁNICO) (Circuit-breaker CB): Dispositivo de conmutación mecánico que debe permitir el paso e interrupción de corrientes en condiciones operativas del circuito y que también soporta por un tiempo específico e interrumpiendo corrientes bajo condiciones anormales ante una falla. INTERRUPTOR DE TANQUE MUERTO (Dead tank CB): Interruptor cuyo tanque que soporta la cámara de interrupción de arco se encuentra a potencial de tierra, es decir, el tanque no forma parte del circuito activo. INTERRUPTOR DE TANQUE VIVO (Live tank CB): Interruptor cuyo tanque que soporta la cámara de interrupción de arco se encuentra a potencial de línea, es decir, el tanque está dentro del aislador o bushing y forma parte del circuito activo. LÍNEA CORTA (Short line): Línea de transmisión no mayor a 80 km. LÍNEA MEDIA (Médium line): Línea de transmisión entre 80 y 160 km. MANIOBRA DEL INTERRUPTOR: También conocido como operación del interruptor y se refiere a una acción de apertura o cierre del interruptor. PERFORACIÓN (Puncture): Término usado cuando la descarga disruptiva ocurre a través de un dieléctrico sólido. xvii
TRV INHERENTE: Valores obtenidos al trabajar con interruptores ideales tanto para evaluación y aplicaciones del TRV (simulaciones), despreciándose los efectos del tipo de arco interrumpido y del tipo de interruptor usado; obteniéndose de esta manera una forma de onda referencial determinada únicamente por los parámetros del sistema. [14] xviii
RESUMEN
Debido al constante cambio al que está sujeto el sistema eléctrico del país y con ello el ingreso de diferentes proyectos de expansión, el presente trabajo muestra una revisión de las normas existentes ANSI, IEEE e IEC referentes a la selección de interruptores en base al Voltaje Transitorio de Recuperación o TRV.
Con la determinación del TRV se obtiene la soportabilidad de esfuerzos eléctricos que deben poseer los interruptores al momento de una desconexión ya sea en estado operativo normal del sistema o ante eventos de falla.
Se presenta la metodología descrita en las normas para la determinación del TRV y se realiza la simulación en el programa para análisis de transitorios electromagnéticos ATP.
La simulación en ATP se realiza para el caso específico del interruptor del banco de capacitores de 30 MVAR a 138 kV en la subestación Las Esclusas con la topología para el año 2014 en condición de demanda máxima del sistema, representado completamente la zona Las Esclusas – Caraguay 138 kV y un equivalente del sistema hasta la barra de 138 kV de la subestación Las Esclusas.
Se realiza la comparación del TRV del interruptor calculado según las diferentes normas y se presentan las respectivas curvas de soportabilidad ante una falla trifásica verificando que cubre el esfuerzo eléctrico requerido ante dichas condiciones del sistema.
Finalmente se manifiestan conclusiones, recomendaciones y anexos con descripción del procedimiento de la simulación y un resumen de las normas consultadas. xix
PRESENTACIÓN
En el capítulo 1 se presenta objetivos y justificación del proyecto, que son la razón de la realización del mismo.
En el capítulo 2 se muestra inicialmente las generalidades de transitorios y se continúa con el fundamento teórico para el entendimiento del TRV, definiciones y descripciones de parámetros para cálculos.
En el capítulo 3 se especifica cada una de las normas presentando sus metodologías para la determinación del TRV y su representación de curvas de soportabilidad.
En el capítulo 4 se presenta el ejemplo a simular, considerando en este caso, el disyuntor del banco de capacitores de 30 MVAR a 138 kV a ingresar en la subestación Las Esclusas y los cálculos del TRV con respecto a las normas presentadas.
En el capítulo 5 se presentan las conclusiones y recomendaciones del proyecto realizado.
En los Anexos A y B se presentan tanto información relevante para realizar la simulación en ATP como los parámetros ingresados en cuadros resumen de las características de los equipos respectivamente.
En el Anexo C se presentan valores característicos de equipos según las normas IEEE, mientras que, en el Anexo D se presenta un resumen general de las normas ANSI, IEC e IEEE usadas y relacionadas a este proyecto. 1
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES
1.1. INTRODUCCIÓN
La demanda creciente en el país conjuntamente con la política de cambio de la matriz energética obliga a que el sistema eléctrico integrado (generación, transmisión y distribución) se mantenga en una constante expansión para garantizar la calidad del servicio eléctrico. Debido a este incremento significativo de la demanda de energía y al cambio constante del sistema que trae consigo el aumento de corrientes de cortocircuito, se precisa actualizar equipos y mejorar la coordinación y acciones operativas para aislar la zona afectada y minimizar los efectos producidos en el sistema cuando ocurre una falla.
Bajo esta premisa para la interrupción de las corrientes de cortocircuito existen varios factores a considerar y uno de ellos es el voltaje transitorio de recuperación que es uno de los parámetros a considerar para dimensionar a los interruptores, el cual es el motivo de este trabajo de titulación.
1.2. OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar un estudio sobre los efectos de los voltajes transitorios de recuperación (TRV) en interruptores.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar un estudio descriptivo de los voltajes transitorios de recuperación (TRV) en interruptores, así como parámetros y métodos de determinación. 2
Analizar los requerimientos de las normas ANSI e IEC para la especificación de interruptores.
Aplicación a un caso específico mediante simulación en el programa computacional Alternative Transients Program (ATP).
Calcular valores de TRV para el caso aplicado de ocurrencia en el Sistema Nacional de Transmisión.
Establecer conclusiones y recomendaciones que incluyan las fortalezas y debilidades de interruptores ante dichas eventualidades.
1.3. ALCANCE
En este trabajo se presenta una introducción a los eventos de falla e interrupción que dan lugar al origen de los voltajes transitorios de recuperación, centrándose en la descripción de los parámetros, métodos de cálculo y determinación de las frecuencias naturales de oscilación para los interruptores q actuarán ante dichos eventos, tomando como base las especificaciones de las normas ANSI e IEC.
Se presentará una guía de referencia para la selección de interruptores y especificaciones para los voltajes transitorios de recuperación (TRV) fundamentándose en las de las normas ANSI e IEC.
La visión se encauzará desde un punto de vista teórico, y se complementará mediante la simulación digital de un caso de estudio y el fenómeno del TRV en el programa computacional Alternative Transients Program (ATP).
1.4. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
Debido a que las fallas que se producen en el sistema eléctrico son de naturaleza impredecible, es necesario el estudio de uno de los procesos que se originan en la 3
interrupción de las mismas, como son los voltajes transitorios de recuperación (TRV) en los interruptores.
Con el desarrollo de la tecnología, en la actualidad se pueden determinar parámetros característicos del fenómeno y a la vez realizar la simulación digital con las herramientas computacionales cada vez más especializadas en el área de análisis de fenómenos eléctricos. De esta manera se pretende mostrar de una forma clara y accesible el comportamiento de dicho fenómeno.
Adicional a las simulaciones que se presentaran para una mejor comprensión del tema, se proyecta aportar con un enfoque lo más claro posible del fenómeno referenciándose en las normas ANSI e IEC actuales, facilitando el acceso y manejo a este tipo de información que poco se trata en la carrera estudiantil por tener un enfoque más técnico y característico.
Con el estudio de este fenómeno en interruptores se trata de identificar fortalezas y debilidades de los equipos ante dichas eventualidades sin que hasta ahora se disponga de guías que incorporen todos los factores que influyen sobre el mismo.
4
CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO
2.1.
2.1.1 GENERALIDADES DE TRANSITORIOS E INTERRUPTORES
Un transitorio eléctrico es un fenómeno que se presenta frente a un cambio repentino en las condiciones del sistema, generalmente de muy corto tiempo y que sucede por fallas o en sí por la operación de interruptores en el sistema, pudiendo causar daños en sus componentes ya que implican corrientes o voltajes excesivos debido a la redistribución de energía para mantener la estabilidad del sistema, que es gobernada por el principio de conservación de energía. [2]
Una falla en un sistema de potencia se puede interpretar como una conexión a tierra en algunos casos o como una situación que causa desequilibrio entre las fases del sistema de potencia. [4]
Por otra parte, los interruptores como equipos de protección automáticos que despejan fallas y aíslan las áreas afectadas simultáneamente mediante su operación de apertura como se puede apreciar en la figura 2.1, pero también deben actuar correctamente como su principal función al cumplir operaciones de cierre para energizar elementos o alimentar cargas. [6][19]
Figura 2.1 Funcionamiento del interruptor al despejar una falla en un sistema de potencia. [6]
La desconexión y aislamiento en los interruptores ocurre cuando la corriente cruza por cero, mediante un proceso de extinción de arco debido a la tendencia de 5
continuidad del circuito por la conservación de flujo magnético en las inductancias del mismo y que se lleva a cabo en la unidad ruptora mostrada en la figura 2.2. Después del proceso de interrupción y de la extinción del arco, se produce el Voltaje Transitorio de Recuperación o TRV por sus siglas en Ingles, debido a que se origina un voltaje entre los contactos del interruptor que tiende a reencender dicho arco al tratar de mantener la continuidad del circuito. [2][6]
1 Soporte (Base) 2 Armario de mando (Control cabinet) 3 Armario de la unidad motriz (Operating mechanism cabinet) 4 Indicador de posición (Switching position indicator) 5 Aislador de apoyo (Post insulator) 6 Unidad ruptora (Interrupter unit)
Figura 2.2 Diseño general de un interruptor de potencia trifásico con medio de extinción SF 6 (modelo 3AP1 FI) [15]
En consecuencia, estos equipos deben ser diseñados en concordancia eléctrica, mecánica y térmica para soportar los procesos mencionados con un buen rendimiento en las operaciones subsiguientes, por lo que, el TRV es uno de los parámetros que determina la soportabilidad o capacidad de operación de un interruptor al no superar su capacidad térmica y dieléctrica. [1][4][6]
Actualmente existe gran variedad de interruptores que se los puede clasificar según el material y sistema usado para la extinción de arco. Los tipos más comunes son los interruptores de aceite, de hexafloruro de azufre (SF 6), con soplado auto- neumático, de ruptura al aire y con autoformación de gases extintores.
Las desventajas en los interruptores se deben a la presencia del arco eléctrico por su comportamiento variable e impredecible que deben ser capaces de extinguir, y según la clasificación del interruptor, sus desventajas también pueden ser el peso y tamaño, los requerimientos de inspección y mantenimiento periódicos, costos y 6
vida útil que puede verse reducida por el continuo aumento de corrientes de cortocircuito, desgaste por fricción debido a la cantidad de ciclos de maniobra mecánicos y ciclos de maniobra a corrientes de cortocircuito, adicionalmente puede presentarse riesgos de incendio o explosión en interruptores de volumen de aceite.
Las ventajas que presentan los disyuntores igualmente dependen del tipo de interruptor, que gracias a las constantes investigaciones, avances de la tecnología y descubrimiento de materiales aislantes facilitan su construcción tanto como el mejoramiento de los mecanismos utilizados para la extinción del arco que a su vez reducen los tiempos de operación, disponibilidad de operaciones manual y automática para la mayoría de tipos interruptores, además de la interrupción de corrientes capacitivas sin dificultad en interruptores neumáticos.
2.1.2 DEFINICIÓN DE VOLTAJE TRANSITORIO DE RECUPERACIÓN
El Voltaje Transitorio de Recuperación, TRV por sus siglas en inglés (Transient Recovery Voltage) o TTR por sus siglas en portugués (Tensión Transitoria de Restablecimiento), es el voltaje transitorio que aparece entre los contactos de un interruptor después de la interrupción de corriente, es decir, se determina como la diferencia de tensiones entre los contactos del interruptor (lado de alimentación o fuente y lado de carga o lado de falla) y tierra al momento de despejar una falla como se puede apreciar en la figura 2.3.[1][2]
Figura 2.3 Ejemplo de TRV de falla de línea corta [19] 7
Por su definición, el TRV está relacionado con la respuesta del sistema a una interrupción de corriente en su cruce por cero a la frecuencia de alimentación o del sistema y que está formada por una o más componentes que oscilan a frecuencias naturales que se atenúan de forma exponencial por las resistencias del circuito.[6]
Debido a que el arco pierde rápidamente conductividad durante el proceso de interrupción a medida que la corriente instantánea se aproxima a cero, luego de la extinción de la corriente se genera el TRV como la diferencia de voltajes de respuesta del sistema. La operación de interrupción es correcta si el interruptor es capaz de soportar el TRV y la frecuencia del voltaje de recuperación del sistema, debido a que la amplitud no es un factor determinante; y es exitosa dependiendo de la capacidad de controlar y extinguir los arcos originados en el proceso. [6][19]
Después de despejar una falla, el sistema de potencia cambia sus condiciones, al estado en que solo el voltaje de recuperación a frecuencia del sistema está presente a través de los contactos del interruptor, siendo en la corriente cero, que el arco se extingue, apareciendo el TRV que oscila de cero al valor pico del voltaje de recuperación. [1][6]
El resultado del TRV es un voltaje con un transitorio inicial de frecuencia elevada y de rápida extinción, y cuyo objetivo de cálculo es el de determinar una envolvente de esfuerzos que debe soportar un interruptor ante operaciones de apertura o corte de corriente. [3][19]
Precisar breves descripciones de los términos afines como Voltaje de Recuperación (Recovery Voltage) y Voltaje de Reencendido (Restriking Voltage), es necesario a fin de evitar confusiones.
Siendo la definición del voltaje de reencendido el voltaje transitorio inmediato a la corriente cero entre los contactos del interruptor durante el proceso de interrupción de corriente, es decir, el voltaje de frecuencia natural que está presente en la extinción del arco, mientras que, el voltaje de recuperación se define como el voltaje rms de frecuencia nominal que aparece entre los contactos del interruptor 8
después de la extinción definitiva del arco, como se muestra en la figura 2.4 para una mejor comprensión. [24]
Voltaje de reencendido
Voltaje de recuperación
Tiempo
Figura 2.4 Formas de onda del voltaje de reencendido y voltaje de recuperación. [2]
2.1.3 CARACTERÍSTICAS
El valor del TRV depende de las características y los parámetros que definen el sistema al que se encuentren conectados los terminales del interruptor (tipo de neutro, tipo de carga y tipo de conexión) y el tipo de falla despejada el TRV presenta formas de onda diferentes, las cuales se presentan más adelante. [2][6]
Es importante considerar el máximo voltaje que aparece a través de los polos del interruptor durante el TRV por la posibilidad existente de reencendidos, que a su vez, pueden causar perturbaciones transitorias de amplitud mucho mayor y dañar a los equipos.
Por facilidad y para una mejor comprensión, se describe el comportamiento del TRV en circuitos básicos resistivos, inductivos y capacitivos como se puede apreciar en la figura 2.5. En un circuito inductivo al despejarse una falla el interruptor opera en corriente cero, en el terminal del interruptor el voltaje en corriente cero es máxima, por ende, la potencia es mínima y el voltaje en el terminal del lado de alimentación alcanza el voltaje de alimentación en el fenómeno del TRV. [19] 9
La interrupción en un circuito resistivo puro ocurre cuando el voltaje de alimentación es cero, por lo tanto el voltaje de recuperación no posee componente transitoria, mientras que, en un circuito dominantemente capacitivo el pico de voltaje en los elementos capacitivos ocurrirá en el momento de la interrupción de corriente, proporcionando además una componente continua al TRV para este tipo de circuito. [19]
Figura 2.5 TRV y voltaje de recuperación en circuitos resistivos, inductivos y capacitivos [19]
Por otra parte, la combinación de componentes de frecuencias naturales con la componente de frecuencia industrial determina la magnitud inicial del TRV que se propaga a través del sistema, se refleja en puntos de discontinuidades y retorna al punto de partida, reflejándose nuevamente para sumarse al valor inicial, aportando al aumento de los valores del TRV hasta amortiguarse por completo.
Es posible analizar a la onda inicial del TRV como la formada por dos componentes, una transitoria de alta frecuencia resultante de la composición de los modos de oscilación de la red, y la otra, de baja frecuencia que es la componente de frecuencia industrial que depende de las fuentes y de la topología de la red.
Debido a esta característica se puede separar a este voltaje en dos intervalos de tiempo: el primero mientras existe el transitorio de voltaje, seguido del segundo durante el cual solo existe voltaje a la frecuencia de alimentación, conocido también como voltaje de recuperación que ya se mencionó anteriormente y que se puede apreciar en la figura 2.6. 10
Figura 2.6 Corriente, Voltaje de Recuperación y TRV [19]
También se puede realizar un análisis por separado de la respuesta en el lado de la alimentación y en el lado de la carga del interruptor cuyos resultados pueden ser obtenidos en una línea de tiempo. La proporción del voltaje del sistema a través de cada elemento de interrupción del circuito se determina por la impedancia de cada elemento a la frecuencia de alimentación. [5][19]
2.1.4 PARÁMETROS
Generalmente los datos característicos de placa de un interruptor incluyen los datos referentes al TRV, los que dependen del nivel de voltaje nominal para su clasificación y la aplicación según cada norma.
Entre los parámetros que generalmente encontramos en sus datos de placa tenemos: - Pico de voltaje transitorio de recuperación (Transient Recovery Voltage Peak) [kV] - Tiempo al pico del voltaje transitorio de recuperación (Time to Crest of Transient Recovery Voltage) [µs]
En algunos tipos de interruptor también se hace referencia a la Tasa de crecimiento del voltaje transitorio de recuperación (Rate of Rase of Recovery Voltage) (RRRV) [kV/µs] que se describe más adelante. [2][3][5]
Para referencia y ejemplo en el ANEXO B se puede revisar los datos de placa del interruptor instalado en el banco de capacitores de la S/E Las Esclusas 138 kV. 11
2.1.4.1. Factor de primer polo o FPTC
Este factor determina la relación entre el voltaje a través del primer polo despejado
(V a) y el voltaje de fase del sistema sin distorsiones (V f), debido a que al operar un interruptor uno de sus polos opera primero en el cruce inmediato de la corriente por cero después de recibida la orden de apertura. Representado también como kpp , varía dependiendo de la conexión del neutro (sólidamente puesto a tierra o flotante) y se lo calcula de la siguiente manera:
V Z⋅ Z FPTC=a = 3 2 0 (2.1) Vf ZZ 120(+ Z ) + ZZ 20 ⋅ Donde:
Z 0,1,2 = Impedancias de secuencia cero, positiva y negativa respectivamente.
El accionamiento independiente de cada fase del interruptor es de aquellos de mando monopolar que se controlan mediante relés de mando sincronizado y que operan en el cruce inmediato de la corriente por cero después de recibida la orden, mientras que, los interruptores con accionamiento simultáneo de las fases son los de mando tripolar.
Cuando se trata de un sistema puesto a tierra, en el que el neutro de la conexión Y del transformador es una impedancia compleja Zn= R n + jX n , si la falla está relativamente lejos de los generadores de alimentación, las impedancias positivas y negativas son iguales X1= X 2 = X , mientras que para la secuencia cero la impedancia se convierte en Z0= jX 0 + 3Z n , que al reemplazar en la ecuación (2.1) se obtiene: 3R+ jX( + 3X ) FPTC= 3 n 0 n (2.2) F V jX+ 23RHn + jX( 0 + 3X n ) X
En el caso de neutro flotante (no puesto a tierra), el valor de la impedancia Z n = ∞ por lo que FPTC=1.5 y por el contrario, en sistemas sólidamente puestos a tierra
Zn = 0 , que reemplazando en la ecuación (2.1) se tiene: 12
3 X FPTC = 0 (2.3) X+ 2 X 0
2.1.4.2. Pico del TRV
El valor pico del TRV permite determinar su severidad, y es el punto máximo inicial del mismo, el cual tiene una estrecha relación con la tasa de crecimiento del voltaje de recuperación como se puede apreciar en la figura 2.7.
Debido a que no existe una forma específica de onda del TRV, esta puede presentar más de un pico por lo que la importancia incide en el pico máximo. [1][6]
2.1.4.3. Tasa de crecimiento del Voltaje Transitorio de Recuperación RRRV
La Tasa de Crecimiento del Voltaje de Recuperación (Rate of Rise of the Recovery Voltaje - RRRV) o TCRV, es un parámetro que representa la variación del TRV en el tiempo y que también define la severidad del TRV en el interruptor desde el punto de vista de conmutación.
Corresponde a la derivada de la curva del TRV con respecto al tiempo y calculada respecto al origen, por lo tanto, los valores alcanzados por el TRV no deben ser mayores a la soportabilidad dieléctrica del medio de extinción para evitar una ruptura del dieléctrico. [1]
Los circuitos en los que ocurren las más altas tasas de crecimiento, son aquellos que tienen altas frecuencias naturales y aquellos en los que se despejan fallas de línea corta dependiendo del tiempo en el ciclo de voltaje al cual opera el interruptor. En la figura 2.7 se muestran las TCRV, siendo la de mayor importancia para cálculos la Tasa media de crecimiento al pico máximo del TRV. 13
i. Pico máximo del TRV y Tasa media de crecimiento de cero al pico máximo del TRV. ii. Primer pico del TRV y Tasa media de crecimiento de cero al primer pico del TRV. iii. Tasa máxima de crecimiento, expresada como la tangente de la curva del TRV que pasa por el origen. iv. Máximo valor instantáneo del TRV.
Figura 2.7 Tasa de Crecimiento del Voltaje Transitorio de Recuperación (RRRV o TCRV) [1]
La sensibilidad a la RRRV presentada en (i) y (ii) es mayor en los interruptores en aceite, mientras que, en los interruptores en aire comprimido y en SF6 es mayor a las presentadas en (iii) y (iv), respectivamente. [5]
El periodo en el que existe riesgo de reignición del arco eléctrico por la tasa de crecimiento del TRV es aquel inmediatamente después de la extinción del mismo.
La observación de la TCRV o RRRV se da en los instantes iniciales, máximo hasta la ocurrencia del primer pico máximo del TRV, en tiempos del orden de 100 µs. Los valores de la RRRV en los instantes subsecuentes son menores que los anteriores, y por tanto, ya no exigen al interruptor de manera tan severa.
Para el cálculo de la RRRV es necesario únicamente el conocimiento de la evolución del TRV en instantes iníciales, cuyos valores son conservativos ya que no consideran las capacitancias parásitas de los circuitos existentes de cada lado del interruptor, adicionalmente conocer sus valores es útil para determinar la severidad de la onda del TRV.
De manera general según la ubicación de la falla, la falla terminal es más severa para el valor pico del TRV, mientras que la falla de línea corta es más severa para el valor de la RRRV. 14
2.2. MÉTODOS DE CÁLCULO
Los métodos para determinar el TRV requieren la resolución de procesos matemáticos complejos para una situación en particular del sistema, esto debido a las características y el número elevado de elementos que los componen; por lo que se utiliza programas computacionales para el cálculo de transitorios electromagnéticos que proporcionan resultados satisfactorios y en menor tiempo mediante simulación.
Los métodos para determinar el TRV previstos dependen de dos grupos de factores como son: las características del circuito (inductancia, capacitancia, resistencia, impedancia, etc.) y los originados de las características del interruptor (voltaje de arco, conductividad post arco, capacitores y resistencias de conmutación, etc.).
Según el método de cálculo empleado y por tratarse de un fenómeno transitorio, el valor del TRV puede cambiar, conforme se desee obtener su valor máximo o la tasa de crecimiento.
Cuando la operación de apertura del interruptor se inicia en el subsecuente cruce por cero de las corrientes de fases en su secuencia de operación, una fase se interrumpe primero, por lo que es posible obtener diferentes resultados según el caso. Por ejemplo si se trata de un sistema balanceado con neutro puesto a tierra los tres polos del interruptor realizan trabajos iguales; mientras que en un sistema con neutro flotante o puesto a tierra a través de una impedancia, la interrupción de la primera fase es más severa y la carga tiende a distribuir el potencial en las otras fases que aún siguen conectadas. [3][4]
Según la secuencia de operación de los polos de los interruptores, de los elementos de la red eléctrica considerados en los cálculos, del modelo de representación de los elementos y del método de cálculo empleado para una situación particular de falla, el valor del TRV puede cambiar y por tratarse de un fenómeno transitorio, el cálculo exacto requiere la resolución de procesos matemáticos complejos, conforme se desee obtener su valor máximo o la tasa de crecimiento. 15
2.2.1 MÉTODO POR COMPONENTES SIMÉTRICAS
Este método de cálculo reemplaza el circuito con la asimetría de una falla por tres circuitos balanceados para resolver el transitorio en componentes de secuencia positiva, negativa y cero y que puede ser aplicado en más de una forma.
A continuación se presenta la aplicación de este método para fallas trifásicas en un sistema, el cual presenta a los voltajes entre los contactos del interruptor muy asimétricos cuando el primer polo del interruptor es abierto y los otros aún siguen cerrados como se muestra en la Figura 2.8 en donde los voltajes y corrientes del interruptor son designados como V A, V B, V C , I A, I B e I C en las fases respectivas y cuyos correspondientes en componentes simétricas son V 0, V 1 y V 2, e I 0, I 1 y I 2. [2]
El polo abierto es simulado por la introducción de una impedancia infinita Z entre los contactos del interruptor (V A=I AZ) cuya representación y conexión en redes de secuencia del interruptor se representa en la Figura 2.9.
Figura 2.8 Despejo de la primera fase de una falla 3ø en una red balanceada por componentes simétricas [2] Donde:
IIIIA012=++ VV0 BC == (2.4)
De acuerdo a la definición de componentes simétricas, los voltajes V 0, V 1 y V 2 se presentan a continuación en función del operador a que es igual a ej2π 3 .
1 12 1 2 V0=++( VVV ABC1 ) V =++( VaVaV AB C2 ) V =++( VaVaV A BC ) (2.5) 3 3 3 Donde al reemplazar con la ecuación 2.5 se tiene: V V VVV===A III ++= A (2.6) 0123 012 Z 16
Figura 2.9 Interconexión de redes de secuencia para la primera fase al despejar de una falla 3ø [2]
Las impedancias de secuencia designadas por Z 0, Z 1 y Z 2 corresponden a las vistas en el sistema equilibrado a través de los contactos del interruptor en cualquiera de las fases, por lo que en términos de las impedancias de secuencia reescribiendo las ecuaciones anteriores se tienen:
VIZ000= VIZE 1111 =+ VIZ 222 = (2.7)
V= 3V = 3V = 3V A 0 1 2 (2.8)
3V000= I3Z 3VI3Z3E 1111 =+ 3V 222 = I3Z (2.9)
Donde la corriente en la fase abierta y el voltaje que aparece a través del circuito abierto en el primer polo del interruptor corresponde al TRV, el cual resulta de la suma de las respuestas de las redes de secuencia y que se interconectan de acuerdo a la Figura 2.9 para dar valores verdaderos de respuesta del sistema.
Como se mencionó este método se puede aplicar de diferentes maneras. Sin embargo no es recomendable para fallas asimétricas ya que no está bien adaptado para este tipo de fallas, debido a que, visto desde los contactos ya no se busca un sistema equilibrado como en una falla trifásica y estos casos se trata de resolver como los cálculos de cortocircuito con componentes simétricas.
2.2.2 MÉTODO DE INYECCIÓN DE CORRIENTE
Este método de cálculo utiliza el principio de superposición en el que inicialmente se calculan las tensiones y corrientes del circuito en condiciones de falla, a 17
continuación se sustituye el polo del interruptor a operar por una fuente de corriente de igual amplitud y de señal contraria a la corriente a ser interrumpida para calcular nuevamente las tensiones y corrientes bajo estas condiciones.
El resultado se obtiene de la superposición de las dos etapas y, por lo tanto, es solamente aplicable a sistemas lineales.
Sin embargo, existe un procedimiento simplificado de este método para determinar la ecuación de la curva del TRV que corresponde al cálculo para la operación del primer polo a interrumpir en una falla trifásica sin tierra. Como ejemplo el circuito en la figura 2.10 se presenta al interruptor en los terminales de una línea en cuatro etapas, donde se inicia con la representación del sistema y se lo va simplificando con equivalentes de los elementos del propio sistema.
Figura 2.10 Circuito equivalente del procedimiento simplificado para método de inyección de corriente
En la figura 2.10 las fuentes de voltaje están conectadas a un barra a través de una reactancia equivalente L, una capacitancia C equivalente de la barra y equipos a ella ligados, la línea de falla representada por su impedancia Z y las líneas también representadas por su impedancia Z. [1] 18
Inicialmente se calcula las corrientes y tensiones bajo condiciones de falla, luego se eliminan las fuentes y se sustituye el primer polo a abrir por una fuente de corriente de señal igual y contraria a la corriente a ser interrumpida, calculándose tensiones y corrientes nuevamente bajo estas condiciones, cuya respuesta final será la superposición de las dos repuestas.[1][5]
2.2.3 MÉTODO DE APERTURA DE INTERRUPTORES
Este método de cálculo se basa en la resolución de las ecuaciones diferenciales obtenidas directamente a partir del circuito que contiene la falla (método convencional), al que se impone la condición de conmutación para despejar la falla permitiendo considerar también los efectos de elementos no lineales.
Debido a la complejidad de los métodos de cálculo presentados se utilizan programas computacionales para simulación y de esta manera obtener los valores del TRV, facilitando de esta manera el proceso de obtención del TRV.
Adicionalmente, como complemento de los métodos de cálculo descritos, en el siguiente capítulo, referente a las normas, se presenta un resumen aplicativo de parámetros pertinentes a este estudio. [1] 19
CAPÍTULO 3 NORMAS
Dado que los interruptores se pueden clasifican por la tecnología usada para la interrupción y según el tipo de ambiente descrito anteriormente, los más usados en el SNI son interruptores en SF 6 y en aceite, y para su selección se fundamenta en estándares o normas que especifican y reglamentan procesos para garantizar la operabilidad y proporcionan patrones para la selección del equipo adecuado.
La consideración de la tecnología de operación de los mecanismos depende de la aplicación y del usuario quien verificará que el equipo cumpla con las especificaciones solicitadas.
Las principales características para especificar interruptores contemplan el dimensionamiento en función de su voltaje, frecuencia y corriente nominal, capacidad de interrupción nominal (corrientes de cortocircuito), capacidad de soportar el TRV y la RRRV, tiempos de interrupción de fallas, tiempo de interrupción nominal y tiempo de apertura nominal, características que hacen necesaria las consideraciones específicas presentes en normas con respecto al TRV y que se presentan a continuación.
En las normas con el fin de simplificar procedimientos, se desprecia el efecto del tipo de interruptor en el TRV, siendo específico el uso de un interruptor ideal que cerrado tiene impedancia terminal cero, y abierto o en corriente cero su impedancia terminal cambia de cero a infinito, además de considerar que realiza las operaciones de apertura al instante de corriente cero.
Respecto a las normas de interés para este estudio, el TRV es definido para interruptores trifásicos y adicionalmente en el ANEXO D se pone a disposición una descripción del estado actual de las normas referidas. 20
3.1. ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS NORMAS ANSI - IEEE 3.1.1 NORMA DE EVALUACIÓN DE CONFIGURACIÓN PARA INTERRUPTORES DE CORRIENTE ALTERNA DE ALTO VOLTAJE (STANDARD FOR RATING STRUCTURE FOR AC HIGH-VOLTAGE CIRCUIT BREAKERS) [12][13][23][31]
Especificaciones de características y normativas de operación de los interruptores se dan en la norma IEEE Std C37.04-1999, reconocida y aceptada por ANSI por lo que también se la encuentra como ANSI/IEEE Std C37.04 , en la que también se aprecia la armonización existente con las normas IEC en lo que respecta al FPTC, factores de amplitud de transitorios, valores de impedancia característica para fallas de línea corta y constantes de amplitud, proporcionando adicionalmente una detalla explicación del cálculo de parámetros de la envolvente del TRV y el TRV inicial.
Se cataloga a interruptores a voltajes de operación menores a 100 kV y mayores a 100 kV, en los que los sistemas de 100 kV o menos pueden operar sin conexión a tierra, mientras que sistemas de 100 kV o más que pueden o no ser sólidamente puestos a tierra.
Entre las principales especificaciones expresa que la capacidad de interrupción requerida de corriente asimétrica es determinada del valor de la componente simétrica y componente continua expresada como un porcentaje del valor pico de la corriente simétrica 1. El valor requerido del porcentaje de la componente continua se basa en un tiempo estándar de 45 ms que corresponde a valores de la relación X/R de 14 y 17 a 50 y 60 Hz respectivamente, con tiempo de retransmisión asumido de ½ ciclo.
El interruptor deberá interrumpir entre el 85% y 100% de su capacidad de interrupción asimétrica a su voltaje de operación, operar en los tres ciclos estándar de funcionamiento: (O - 15 s - CO - 3 min - CO, u O - 0.3 s - CO -3 min - CO para
1 Revisar en glosario de términos y ecuación (1.1) 21
interruptores de rápida reconexión automática). También deberá funcionar entre su corriente continua nominal y el 85% de su capacidad de interrupción asimétrica.
Respecto al máximo voltaje nominal del interruptor, en interruptores de voltaje nominal de 100 kV o menos, la envolvente nominal del TRV se representa por una forma de onda de 1- coseno, cuya magnitud E 2 para interrumpir la corriente de cortocircuito nominal en el tiempo T 2 depende de los valores fijados para interruptores dentro de este rango; y para interruptores de voltaje nominal de 100 kV o más, la envolvente nominal del TRV se representa por una forma de onda resultante de la combinación de una función exponencial y una función 1- coseno, en donde las magnitudes de las componente se representa por E 1 y E 2 respectivamente, con una tasa de crecimiento exponencial R o RRRV que se establece como 2 kV/µs.
2 2 E1= K f ⋅ ⋅ V EKK2= a ⋅⋅ f ⋅ V 3 3 (3.1) (3.2) Donde:
Ka = Factor de amplitud transitorio K f = FPTC V = Voltaje nominal máximo del interruptor
E1 = Magnitud de componente exponencial del TRV nominal
E2 = Magnitud de componente 1-coseno del TRV nominal
Interruptor Tipo FPTC R Ka E2 E1 T1 y T2 nominal envolvente Kf [kV/µs] < 100 kV 1 - cos 1.5 1.54 1.88×V - - - 1 100 kV exp - cos 1.3 1.4 1.49×V 2 1.06 × V Ver ANSI C37.06 Tabla 3.1 Parámetros nominales TRV ([13] Tabla 2)
El valor inicial del TRV únicamente en subestaciones con aislamiento de gas o encapsuladas puede despreciarse, mientras que para interruptores de 100 kV o mayores con capacidad de interrupción de corriente de cortocircuito de 31.5 kA o más debe tener una capacidad para TRV inicial para fallas monofásicas a tierra, en que el TRV inicial crece linealmente desde el origen hasta el primer pico de voltaje
Ei en el tiempo T i como se aprecia en la figura 3.1. 22
−6 Ei=ω⋅ 2 ⋅⋅ I Z b ⋅ T i ⋅ 10[ kV ] (3.3) Envolvente Exponencial - coseno
Voltaje Donde: R 2 4 E 2 = 2· ·f = velocidad de la onda I = corriente de falla en [kA] E1 Zb = 260 = constante de impedancia Tiempo T2 T1 característica de barra
Ti = tiempo en alcanzar primer pico del TRV E i en Figura 3.1 Envolvente TRV inicial [µs]
Voltaje nominal máximo 123 145 170 245 362 550 800 [kV rms] Tiempo primer pico de voltaje 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1.0 1.1 Ti [µs] Tabla 3.2 Tiempo al primer pico inicial del TRV ([13] Tabla 3)
Aunque no es necesario calcular las fallas de línea corta tanto como las fallas terminales para el TRV, los parámetros están en términos de la impedancia característica efectiva de la línea de falla Z eff y el factor de amplitud d que por simplificación se consideran valores constantes. El tiempo de retardo para interruptores de 245 kV o mayores es 0.5 µs y para menores de 245 kV es 0.2 µs. Siendo los cálculos de la capacidad al TRV para fallas de línea corta como se presentan a continuación:
e= eL + e S eL=⋅−⋅ d1M( ) 23E ⋅ max eS=⋅ 2Mt ⋅( L − t d ) (3.4)
eL VLG RL= 2 ⋅ω⋅ MIZ ⋅⋅ eff tL = IL = (3.5) RL XL⋅λ + ( V LG I ) Donde:
d = factor pico constante = 1.6 tL [µs] = tiempo en llegar al pico
e [kV] = valor del primer pico del TRV IL [kA] = corriente de falla
Emax [kV] = voltaje máximo nominal
Zeff [ ] = impedancia característica constante = 450 eL [kV] = contribución al TRV del lado de la línea eS [kV] = contribución al TRV del lado de alimentación o fuente td [µs] = tiempo de retardo del TRV en el lado de alimentación o fuente
RL [kV/µs] = RRRV = tasa de crecimiento del TRV I [kA] = corriente de cortocircuito nominal
M = I L / I = relación de la corriente de falla y la corriente de cortocircuito nominal 23
VLG [kV] = voltaje línea - tierra del sistema ( = distancia desde el interruptor abierto al punto de falla
Sin embargo en casos donde se conectan varías líneas, el factor de amplitud se limita a 1.4, es decir, un mayor valor del factor de amplitud se especifica para valores nominales menores de corrientes de cortocircuito ya que menos líneas están conectadas. [13]
Entre otras características también presenta valores de esfuerzo mecánico que deben soportar los terminales del interruptor, en la que indica que el usuario debe considerar todas las fuerzas que actúan en los conductores conectados a los terminales del interruptor como fuerzas del viento, hielo, sísmicas y cortocircuito.
Fuerza estática vertical Voltaje máximo Corriente continua Fuerza estática horizontal * nominal nominal Longitudinal Transversal [kV] [A] Vertical (N) (N) (N) 1200 y menores 500 400 500 menor a 100 Mayores a 1200 A 750 500 750
2000 y menores 1000 750 750 123 a 170 Mayores a 2000 1250 750 1000
245 Todas 1250 1000 1250 362 a 800 Todas 1750 1250 1250 * Fuerzas en el eje vertical son ascendentes y descendentes. Tabla 3.3 Esfuerzos mecánicos admisibles en los terminales del interruptor. ([13] tabla 4)
3.1.2 GUÍA DE APLICACIÓN PARA VOLTAJE TRANSITORIO DE RECUPERACIÓN PARA INTERRUPTORES DE CORRIENTE ALTERNA DE ALTO VOLTAJE (APPLICATION GUIDE FOR TRANSIENT RECOVERY VOLTAGE FOR AC HIGH-VOLTAGE CIRCUIT BREAKERS) [14][22]
Los procedimientos y cálculos estándar necesarios para aplicar a clasificaciones de TRV nominales en interruptores de corriente alterna a voltajes nominales mayores a 1000 V se presentan en la norma IEEE C37.011-2005 , la misma que está 24
armonizada con los nuevos requerimientos en las normas IEEE Std C37.04 y ANSI C37.06 .
En esta norma la evaluación de la capacidad de un interruptor resulta de la comparación del TRV nominal del interruptor frente a las funciones típicas de la envolvente del sistema, cuya forma de onda puede ser oscilatoria, exponencial, triangular o una combinación de estas, siendo las más severas las dos primeras.
Se describe que la capacidad frente al TRV de interruptores de 72.5 kV o menos es por dos parámetros en general, mientras que para interruptores de 100 kV o más es por dos parámetros en aquellos en que la corriente de cortocircuito es menor al 30% de su capacidad y cuatro parámetros para interruptores cuya corriente de cortocircuito es mayor al 30% de su capacidad.
En lo que respecta la clasificación del TRV aplicados a fallas en sistemas de 72.5 kV o menos asume que los sistemas pueden funcionar sin conexión a tierra, en sistemas de 72.5 a 170 kV los sistemas pueden funcionar sólidamente puestos a tierra o no, mientras que para sistemas de 245 kV o más determina que funcionan sólidamente puestos a tierra. Dicha capacidad al TRV se puede definir por la combinación de SLF 2 y fallas terminales para interruptores de 100 kV o más, mientras que la interrupción de fallas en líneas largas 3 no es cubierta por la capacidad nominal del TRV.
Actualmente en base a evaluaciones de las diferentes configuraciones de sistemas, las normas asumen que para corrientes de falla terminal entre el 10% y 30% en sistemas mayores a 72.5 kV y para todas las corrientes de falla terminal en sistemas menores a 72.5 kV le corresponde la envolvente descrita por dos parámetros.
Los interruptores tienen la capacidad de interrumpir corrientes asimétricas siempre y cuando las condiciones apliquen dentro de sus características, donde el TRV que
2 Ver en abreviaturas y simbología. 3 Revisar en Glosario de términos. 25
se produce es generalmente menos severo que el ocurrido por corrientes simétricas debido a que en el momento de la interrupción el voltaje de alimentación es menor al valor pico.
3.1.2.1. Selección del interruptor
Las clasificaciones del TRV para interruptores se basan en la aplicación de fallas trifásicas a tierra con los valores del TRV pico, establecidos según tipos de puesta a tierra predominantes en las respectivas tensiones del sistema, las mismas que establecen un límite de soportabilidad. Y a pesar de que las fallas trifásicas (sin tierra) son las que producen los picos más altos del TRV, su probabilidad de ocurrencia es baja por lo que no se consideran para los cálculos del TRV.
La capacidad de un interruptor es suficiente, si con los parámetros nominales su envolvente del TRV según corresponda (2 o 4 parámetros) es mayor a la envolvente del TRV del sistema en el punto de aplicación como puede apreciarse en la Figura 3.2 Envolventes del TRV del sistema y nominal del interruptor. [14], por lo que, si el límite de soportabilidad es superado a corriente nominal de cortocircuito o si se excede la soportabilidad del interruptor, se debe realizar un cambio de interruptor o realizar modificaciones en el sistema de tal manera que cambie y/o mejore las características del TRV esperado en el sistema; el mismo que generalmente se consigue con la adición de capacitores en barras o líneas.
Figura 3.2 Envolventes del TRV del sistema y nominal del interruptor. [14] 26
Adicionalmente este procedimiento proporciona una comparación entre las dos regiones en las que existe la probabilidad de un reencendido (en las proximidades del voltaje pico máximo o durante el TRV inicial en el que la RRRV es máxima).
3.1.2.2. Consideraciones de aplicación
Las características predominantes del TRV de un sistema generalmente se representan por respuestas exponenciales, oscilatorias o triangulares que se pueden apreciar en la figura 3.3.
Cada una de las cuales es el resultado típico de ciertas situaciones, tal es el caso de un TRV exponencial el cual se produce cuando al menos un transformador y una línea están en el lado sin falla del interruptor cuando se despeja una falla trifásica, mientras que un TRV oscilatorio ocurre cuando una falla es limitada por un transformador o un reactor en serie sin líneas de transmisión o cables cuya impedancia característica se presente como amortiguamiento.
Finalmente un TRV triangular que resulta de fallas de línea corta en líneas de transmisión, cuya impedancia Z determina la naturaleza de la TRV con una RRRV mayor al experimentado con las otras formas de TRV y magnitudes menores de voltaje pico.
Figura 3.3 TRV característicos exponencial, oscilatorio y falla de línea corta. [14]
La envolvente de prueba del TRV debe ser mayor que la envolvente de referencia de un TRV específico, resultando de la misma manera una posible comparación 27
con la capacidad de un interruptor al TRV y el TRV del sistema obtenido mediante cálculos.
El valor pico de la soportabilidad del interruptor y los parámetros que definen la envolvente de un TRV varían con el nivel de la corriente de cortocircuito, obteniéndose, mediante interpolación usando multiplicadores con los valores de los parámetros correspondientes a la corriente de cortocircuito dada partiendo de los parámetros nominales definidos para el 100 % de la corriente de cortocircuito, los mismos que se definen en la norma IEEE C37.06 correspondiente a la fecha de la norma IEEE Std C37.011-2005 y se presentan a continuación.
2 UT%()= UT100K ( ) ⋅=⋅⋅⋅⋅ U K K K (3.6) c c Uc r3 pp af Uc Donde:
Ur = V = voltaje nominal del interruptor
Kpp = K f = FPTC según Tabla 3.1
Kaf = K a = Factor de amplitud transitorio según Tabla 3.1
Porcentaje Multiplicadores para parámetros nominales capacidad 72.5 kV y menores 72.5 kV y menores de interiores / exteriores / 100 kV y mayores interrupción a sistemas cable sistemas línea
(Nota 1) Ku c Kt 3 Ku c Kt 3 Ku 1 Kt 1 Ku c Kt 2 o Kt 3
100 1 1 1 1 1 1 1 1 - 60 1.07 0.44 1.07 0.67 1 0.67 1.07 0.5 - 30 1.14 0.22 1.13 0.4 - - 1.13 - 0.211 1.17 / 1.26 0.156 / 0.168 10 1.21 0.22 1.17 0.4 - - - (Nota 2) (Nota 3)
NOTA 1. Para otro porcentaje de la capacidad de interrupción, la interpolación se puede hacer como se muestra en la figura 3.4. NOTA 2. El multiplicador para Ku c es 1.17 para aplicaciones con kpp = 1.5 y 1.26 para aplicaciones con kpp = 1.3. NOTA 3. El multiplicador para Kt 3 es 0.156 para aplicaciones con kpp = 1.5 y 0 .168 para aplicaciones con kpp = 1.3. a. La relación entre la componente de corriente simétrica de la corriente considerada para la relación requerida en la capacidad de interrupción simétrica que se expresa en porcentaje (def. IEEE C37.04) Tabla 3.4 Factores de capacidad al TRV de interruptores a varios niveles de interrupción de fallas terminales. [13][14] 28
KUC , K U1
1.3 Kuc int/cables (sist 0 72.5 kV) (Nota 2) Kuc ext/líneas (sist 0 72.5 kV) (Nota 1) 1.25 Ku1 (sist 1 72.5 kV) (Nota 3) Ku1 (sist 1 72.5 kV, Kpp = 1.3) Kuc (sist 1 72.5 kV, Kpp = 1.5) 1.2
1.15
1.1
1.05
1
%
0.95 0 20 40 60 80 100
Figura 3.4 Porcentaje de capacidad de interrupción - Multiplicadores K UC y K U1 según Tabla 3.4. Para interpolación según porcentaje de capacidad de interrupción [14]
Kt1 , K t2 , K t3
1 Kt3 int/cables (sist 0 72.5 kV) (Nota 2) Kt3 ext/líneas (sist 0 72.5 kV) (Nota 1) Kt1 (sist 1 72.5 kV) (Nota 3) Kt2 (sist 1 72.5 kV, Kpp = 1.3) (Nota 3) Kt2 (sist 1 72.5 kV, Kpp = 1.5) (Nota 3) 0.8 Kt3 (sist 1 72.5 kV, Kpp = 1.5)
0.6
0.4
0.2
0 0 20 40 60 80 100
Figura 3.5 Porcentaje de capacidad de interrupción - Multiplicadores K t1 , K t2 y K t3 según Tabla 3.4. Para interpolación según porcentaje de capacidad de interrupción [14]
NOTA 1. Para interruptores exteriores y/o sistemas de línea de 72.5 kV o menos. NOTA 2. Para interruptores interiores y/o sistemas de cable de 72.5 kV o menos.
NOTA 3. K t1 , K U1 y K t2 son aplicables a corrientes mayores al 30% de la capacidad de interrupción.
NOTA 4. Parámetros del TRV: U C (o U 1) y t 3 (o t 1 o t 2) se obtienen al multiplicar los valores dados en ANSI C37.06 por los correspondientes multiplicadores K U y K t 29
Una representación de las características generales de las envolventes del TRV descritas en IEEE C37.04b en función de la magnitud de la corriente de falla se presentan a continuación en las figuras 3.6 y 3.7.
Sistemas mayores a 72.5 kV
0.1 Isc 0.3 Isc Voltaje 0.6 Isc
1.0 Isc
Tiempo
Figura 3.6. Envolventes del TRV en sistemas en función de corriente de cortocircuito nominal (Isc) para sistemas de voltajes mayores a 72.5 kV. [14]
Sistemas de 72.5 kV o menores
0.3 Isc 0.6 Isc 0.1 Isc 1.0 Isc Voltaje
Tiempo
Figura 3.7 Envolventes del TRV en sistemas en función de corriente de cortocircuito nominal (Isc) para sistemas de voltajes menores o iguales a 72.5 kV. [14]
Los parámetros y datos usados en este trabajo se pueden revisar en el ANEXO B.
A continuación la clasificación recomendada para interruptores exteriores de 123 kV o mayores, incluyendo interruptores aplicados en subestaciones aisladas en gas en sistemas de 60 Hz según ANSI C37.06-2000 [8] que en manera estándar ya presenta los valores para determinar la envolvente del TRV. 30
Clasificaciones Factor Corriente TRV Nominal (5) Tiempo Corriente Voltaje Tiempo de Nominal Corriente Nominal de Tiempo de Máximo de de Cierre y Máximo Tiempo Nominal Tasa Interrupción Línea Rango Continua Cortocircuito Retardo Retardo Bloqueo Nominal a Valor Pico Nominal Nominal No. de Nominal y de Nominal Permisible Nominal (1) T2 R (3) Voltaje [A, rms] Corta Duración T1 de Disparo (2) [kV, rms] (4) [kV/µs] [ms] K [kA, rms] [µs] Y [s] [kA, pico] Col 1 Col 2 Col 3 Col 4 Col 5 Col 6 Col 7 Col 8 Col 9 Col 10 1 123 1 1200, 2000 31.5 260 2 2 50 1 82 2 123 1 1600, 2000, 3000 40 260 2 2 50 1 104 3 123 1 2000, 3000 63 260 2 2 50 1 164 4 145 1 1200, 2000 31.5 310 2 2 50 1 82 5 145 1 1600, 2000, 3000 40 310 2 2 50 1 104 6 145 1 2000, 3000 63 310 2 2 50 1 164 7 145 1 2000, 3000 80 310 2 2 50 1 208 8 170 1 1600, 2000 31.5 360 2 2 50 1 82 9 170 1 2000, 3000 40 360 2 2 50 1 104 10 170 1 2000, 3000 50 360 2 2 50 1 130 11 170 1 2000, 3000 63 360 2 2 50 1 164 12 245 1 1600, 2000, 3000 31.5 520 2 2 50 1 82 13 245 1 2000, 3000 40 520 2 2 50 1 104 14 245 1 2000, 3000 50 520 2 2 50 1 130 15 245 1 2000, 3000 63 520 2 2 50 1 164 16 362 1 2000, 3000 40 775 2 2 33 1 104 17 362 1 2000, 3000 50 775 2 2 33 1 130 18 362 1 2000, 3000 63 775 2 2 33 1 164 19 550 1 2000, 3000 40 1325 2 2 33 1 104 20 550 1 3000, 4000 50 1325 2 2 33 1 130 21 550 1 3000, 4000 63 1325 2 2 33 1 164 22 800 1 2000, 3000 40 1530 2 2 33 1 104 23 800 1 3000, 4000 50 1530 2 2 33 1 130 24 800 1 3000, 4000 63 1530 2 2 33 1 164 (1) El voltaje nominal se basa en ANSI C84.1 es el voltaje máxima para la que está diseñado el interruptor y el límite superior de operación. (2) La clasificación de cierre y bloqueo [kA, pico] del interruptor es 2.6 veces la corriente nominal de cortocircuito. (Si se expresa en términos de [kA, rms] de la corriente total, el valor equivalente es 1.55 veces la corriente nominal de cortocircuito. (3) La clasificación en esta columna son el máximo intervalo de tiempo esperado durante una operación de apertura entre el instante de energización del circuito de disparo y la interrupción del circuito principal en los contactos de arco primarios bajo determinadas condiciones. Los valores se pueden exceder bajo ciertas condiciones que se especifican en ANSI/IEEE C37.04 sub-clausula relativa a “Tiempo de interrupción nominal”. (4) Si la fuente de potencia del interruptor es un transformador o un banco de transformadores y no existen sustanciales capacitores o alimentadores de carga conectados al lado de la fuente del interruptor, el TRV puede ser más severas que las cubiertas en esta tabla. Los valores de T 2 para estas aplicaciones están en desarrollo.
(5) La clasificación de la envolvente del TRV es de la forma “exponencial – coseno”. E 2 = 1.49 veces el voltaje máxima nominal, E1 = 1.3 ⋅ 23 veces el voltaje máximo. Ver curvas envolventes TRV en ANSI/IEEE C37.04. Tabla 3.5 Clasificaciones recomendadas para interruptores exteriores de 123 kV nominales o mayores, incluyendo interruptores aplicados en subestaciones aisladas en gas en sistemas de 60 Hz. [ANSI C37.06-2000 - Tabla 3] 31
3.2. ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS NORMAS IEC
3.2.1 APARAMENTA DE ALTO VOLTAJE – INTERRUPTORES DE CORRIENTE ALTERNA (HIGH-VOLTAGE SWITCHGEAR AND CONTROLGEAR - ALTERNATING CURRENT CIRCUIT-BREAKERS) [10][11][16]
Las especificaciones de interruptores automáticos de alto voltaje se contemplaban en la norma IEC 60056 y fue sustituida por la norma IEC 62271-100 , anulando de la misma forma a las normas IEC 61633 e IEC 62271-308 a las cuales incluye en la nueva publicación; debiendo leerse suplementariamente con la norma IEC 62271-1 , ya que hace referencia a la misma.
Se aplica a interruptores automáticos de corriente alterna en instalaciones interiores o exteriores que operan en frecuencias de 50 y 60 Hz en sistemas con voltajes mayores a 1 kV, presenta normas armonizadas IEC e IEEE con respecto a las formas de onda de TRV de voltaje nominal de 100 kV o más, introducción de sistemas de cable y línea con sus TRV asociados a voltajes menores a 100 kV; centrándose más en lo referente al TRV. [29]
En el presente trabajo se analiza la edición disponible más actualizada de las normas, en este caso IEC 62271-100 Ed. 1.1 publicada en mayo de 2003, que a su vez hace referencia a cláusulas de la norma IEC 60694 publicada en 1996. La norma incluye a equipos de operación y dispositivos auxiliares de los interruptores, pues no están contemplados, interruptores con mecanismos dependientes de acción manual por consideraciones de seguridad, interruptores para uso en equipos de tracción eléctrica, interruptores para conmutación de cargas inductivas y los usados en líneas como by-pass en paralelo con capacitores en serie, ya que los dos últimos por ejemplo, se consideran en las normas IEC 61233 e IEC 60143-2 respectivamente. 32
Las condiciones normales de servicio de aparamenta 4 de interiores y exteriores incluyen detalles en estados de temperatura ambiental, influencia de radiación solar, altitud, contaminación, humedad, vibración e interferencias electromagnéticas inducidas para una adecuada operación. Mientras que para condiciones especiales de operación presenta referencias de requerimientos y/o procedimientos que incluyen factores de corrección para algunos casos y referencia a otras normas en otros. En la sección de definición de términos especificados por funcionalidades, algunos son referidos de las normas IEC 60694 e IEC 60050-441 , sin embargo, existe información disponible de terminología de las normas de IEC en la página web de Electropedia-IEV Online. [27]
Entre las definiciones se detalla la categorización de interruptores según la resistencia eléctrica de las partes, probabilidad de reencendido y resistencia mecánica de los elementos, haciendo una clasificación según el requerimiento de mantenimiento de las piezas eléctricas, probabilidad de interrupción de corriente capacitiva y cantidad de operaciones estimada de diseño respectivamente.
De la misma manera como se presenta en las normas, entre las características nominales principales que deben cumplir los interruptores, incluyendo equipos de operación y dispositivos auxiliares son: a) Voltaje nominal b) Nivel de aislamiento nominal c) Frecuencia nominal d) Corriente normal nominal e) Corriente de corta duración admisible nominal f) Valor pico de la corriente admisible nominal g) Duración nominal de cortocircuito h) Voltaje de alimentación nominal de cierre y apertura de equipos y dispositivos auxiliares i) Frecuencia de alimentación nominal de cierre y apertura de equipos y dispositivos auxiliares
4 Revisar en Glosario de términos. 33
j) Suministro de presión de gas comprimido nominal y/o alimentación hidráulica para operación, interrupción y aislamiento, según corresponda k) Corriente de interrupción nominal de cortocircuito l) Voltaje Transitorio de Recuperación relacionado a la corriente de interrupción nominal de cortocircuito m) Corriente de cierre nominal de cortocircuito n) Secuencia de operación nominal o) Tiempos nominales
Los valores estándar de los niveles de tensiones pueden encontrarse en la norma IEC 60038 , sin embargo, los niveles estándares para interruptores se presentan a continuación, ya que varían de la norma debido a las características del TRV:
RANGO I: Para voltajes nominales de hasta 245 kV Series I 3.6 7.2 12 17.5 24 36 52 [kV] 72.5 100 123 145 170 245 Series II basado en la práctica actual de América del Norte [kV] 4.76 8.25 15 25.8 38 48.3 72.5 Tabla 3.6 Voltajes nominales de hasta 245 kV - Rango I
RANGO II: Para voltajes nominales mayores a 245 kV [kV] 300 362 420 550 800 Tabla 3.7 Voltajes nominales mayores a 245 kV - Rango II
El nivel de aislamiento nominal de aparamenta se especifica por el voltaje admisible de impulso tipo rayo de fase a tierra, y se selecciona de valores dados en tablas.
En la Tabla 3.8 el valor común se aplica a fase tierra, entre fases y a través del dispositivo de conmutación abierto, a menos que se especifique lo contrario. Mientras que para interruptores de voltaje nominal igual o mayor a 300 kV, el valor estándar del voltaje admisible nominal a frecuencia de alimentación y el voltaje admisible nominal ante impulsos a través del dispositivo de conmutación abierta se presentan en las columnas (3) y (6) en la Tabla 3.9 y Tabla 3.10.
Voltaje admisible nominal de corta Voltaje admisible nominal ante Voltaje nominal duración a frecuencia de alimentación impulsos tipo rayo Ur Ud Up kV (valor r.m.s.) kV (valor pico) kV A través de la distancia A través de la distancia (valor r.m.s.) Valor común Valor común del aislamiento del aislamiento 34
(1) (2) (3) (4) (5) 72.5 140 160 325 375 380 440 100 150 175 450 520 185 210 450 520 123 230 265 550 630 230 265 550 630 145 275 315 650 750 275 315 650 750 170 325 375 750 860 360 415 850 950 245 395 460 950 1 050 460 530 1 050 1 200 Tabla 3.8 Niveles de aislamiento nominales para voltajes nominales de Rango I – Series I. Simplificada de la tabla original. [11]
Voltaje admisible Voltaje admisible nominal de Voltaje admisible nominal nominal de corta conmutación ante impulsos ante impulsos tipo rayo duración a frecuencia de Us Up alimentación Voltaje kV (valor pico) kV (valor pico) nominal Ud kV (valor r.m.s.) Ur A través de A través de Fase a dispositivos Fase a tierra dispositivos de Entre A través de la kV tierra y de y a través de conmutación fases distancia Fase a (valor entre conmutación dispositivos abiertos y/o del tierra y r.m.s.) fases abierta y/o de distancia de (notas 3 y aislamiento entre fases distancia de conmutación aislamiento 4) (notas 1, 2 y 3) (nota 3) aislamiento abierta (nota 3) (notas 2 y 3) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 750 1 125 950 950 (+ 170) 300 380 435 700 (+ 245) 850 1 275 1 050 1 050 (+ 170) 850 1 275 1 050 1 050 (+ 205) 362 450 520 800 (+ 295) 950 1 425 1 175 1 175 (+ 205) 950 1 425 1 300 1 300 (+ 240) 420 520 610 900 (+ 345) 1 050 1 575 1 425 1 425 (+ 240) 1 050 1 680 1 425 1 425 (+ 315) 550 620 800 900 (+ 450) 1 175 1 760 1 550 1 550 (+ 315) 1 300 2 210 1 800 1 800 (+ 455) 800 830 1 150 1 100 (+ 650) 1 425 2 420 2 100 2 100 (+ 455) NOTA 1 Columna (6) es también aplicable a algunos interruptores, ver IEC 60056. NOTA 2 En la columna (6), los valores en paréntesis son valores pico de voltaje a frecuencia de alimentación Ur 2 3 aplicados al terminal opuesto (voltaje combinado). En la columna (8), los valores en paréntesis son valores pico de voltaje a frecuencia de alimentación 0.7Ur 2 3 aplicados al terminal opuesto (voltaje combinado). Ver Anexo D de IEC 60694. NOTA 3 Valores de la columna (2) son aplicables: a) para pruebas tipo, fase a tierra, b) para pruebas de rutina, fase a tierra, fase a fase, y a través de los dispositivos de conmutación abiertos. Valores de las columnas (3), (5), (6) y (8) son aplicables solo para pruebas tipo. NOTA 4 Estos valores se obtienen al usar los factores de multiplicaicón presentados en la tabla 3 de IEC 60071- 1. Tabla 3.9 Niveles de aislamiento nominales para voltajes nominales de Rango II. [11]
Voltaje Voltaje admisible nominal de Voltaje admisible Voltaje admisible nominal conmutación ante impulsos nominal ante impulsos nominal de corta Ur Us tipo rayo 35
duración a frecuencia kV ( valor pico ) Up kV de alimentación kV (valor pico) (valor Ud r.m.s.) kV (valor r.m.s.) A través de A través de Fase a dispositivos Fase a tierra A través de la dispositivos de tierra y de y a través de Entre fases distancia Fase a conmutación entre conmutación dispositivos del tierra y abiertos y/o fases abierta y/o de (notas 3 y aislamiento entre distancia de distancia de conmutación 4) (notas 1, 2 y fases aislamiento (nota 3) aislamiento abierta 3) (nota 3) (notas 2 y 3) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 362 520 610 950 1 425 800 (+ 295) 1300 1 300 (+ 205) 550 710 890 1 175 2 210 900 (+ 450) 1800 1 800 (+ 315) Las notas son iguales a las de la Tabla 3.9 Tabla 3.10 Niveles de aislamiento nominales adicionales en América del Norte para Rango II. [11]
Los valores estándar de corrientes nominales se especifican en la norma IEC 60059 , en las series R10 que comprenden valores de 1 - 1.25 -1.6 - 2 - 2.5 - 3.15 - 4 - 5 - 6.3 - 8 y sus productos por 10 n; los valores estándar de frecuencia para alto voltaje es 50 Hz o 60 Hz; y las clases de materiales aislantes se tratan en la norma IEC 60085 .
El tiempo nominal de duración de cortocircuito es de 1 s, siendo recomendado para casos específicos o según las necesidades tiempos de 0.5 s, 2 s y 3 s máximo.
El valor del TRV relacionado a la corriente nominal de interrupción de cortocircuito
(I SC ), es la referencia al voltaje que forma parte del límite del TRV previsto de circuitos en los que el interruptor debe soportar bajo condiciones de falla.
Las formas de onda varían de acuerdo a la disposición de los circuitos, posibilitando en algunos sistemas con voltajes mayores a 100 kV, donde las corrientes de cortocircuito son relativamente grandes en relación a la máxima corriente de cortocircuito en el punto bajo consideración, una forma de onda en la que el TRV contiene un primer periodo con alta tasa de crecimiento, seguido por un periodo de baja tasa de crecimiento. Esta forma de onda es generalmente representada por una curva conformada por tres segmentos de línea definidos por cuatro parámetros al igual que en las normas ya presentadas. 36
De acuerdo a esta norma la onda del TRV puede tener diferentes formas, definiéndose mediante una envolvente que se compone de tres segmentos consecutivos, en cambio, cuando la onda se aproxima a la de una oscilación amortiguada en una sola frecuencia, la envolvente se resuelve en dos segmentos consecutivos. Sin embargo pueden darse casos en los que los parámetros dan una forma más severa, la cual debe ser tratada como excepción y ser objeto de un acuerdo. [11]
La representación del TRV se la realiza en función del voltaje nominal U r, el factor del primer polo o FPTC (First Pole To Clear Factor) k pp y el factor de amplitud k af. Donde:
U1[kV]= Primer voltaje de referencia
2 U= 0.75k ⋅ ⋅⋅ U (3.7) 1 ppr 3 t1[µs]= Tiempo en alcanzar U 1, para fuera de fase (para fallas terminales) es el doble.
Según el caso de representación, sea dos o cuatro parámetros, el valor de la tasa de crecimiento del voltaje transitorio de recuperación o RRRV se determina de los voltajes de referencia y sus respectivos tiempos U U TCRV =1 = c (3.8) t1 t 3
Uc[kV]= Segundo voltaje de referencia en el caso de cuatro parámetros y referencia de voltaje (valor pico de TRV) en el caso de dos parámetros, donde k af es igual a 1.4 para falla terminal y falla de línea corta, y 1.25 para condición fuera de fase. 2 UkkU=⋅⋅⋅ =⋅ kU (3.9) c af pp r3 af 1
t2[µs]= Tiempo en alcanzar U 2, para falla terminal y falla de línea corta es 4·t1, mientras que para la condición fuera de fase está entre el valor de t 2 y 2·t 2 de falla terminal 37
3
Figura 3.8 Representación TRV por una línea de referencia de cuatro parámetros y línea de retardo para T100, T60, falla de línea corta y condición fuera de fase. [11]
t3[µs]= Tiempo en alcanzar U c en el caso de la representación de dos parámetros
3 Figura 3.9 Representación TRV por una línea de referencia de dos parámetros y una línea de retardo. [11]
El tiempo de retardo t d para la línea de retardo del TRV que se aprecia en la Figura 3.8 y Figura 3.9, inicia en el eje de tiempo a un retraso de tiempo nominal, paralela a la primera sección de la línea de referencia del TRV, terminando en el voltaje de referencia u’ cuyo tiempo para alcanzarlo es t’, tiene diferentes valores según el nivel de voltaje, el que para voltajes mayores a 72.5 kV es de 2 µs para fallas terminales.
3.2.1.1. Valores estándar del TRV relacionados a la corriente nominal de interrupción del interruptor 38
Los valores estándar para interruptores trifásicos de voltajes nominales menores a 100 kV utilizan dos parámetros, mientras que para voltajes nominales de 100 kV o mayores se utilizan cuatro parámetros tanto para sistemas sólidamente puestos a tierra y con neutro flotante.
Dichos valores se presentan en tablas que incluyen valores de la tasa de
crecimiento presentada como Uc t 3 y U1 t 1 según sea el caso para dos o cuatro
parámetros conjuntamente con el valor pico U c que puede usarse con propósito de especificación del TRV, las cuales se presentan en la tabla 3.11.
Para la obtención de valores de la RRRV y Uc para el segundo y tercer polo a despejar se compensa por un factor a la RRRV del primer polo, los que se han determinado considerando únicamente fallas trifásicas, valor pico del TRV (Uc) proporcional al valor instantáneo de la frecuencia de alimentación del voltaje de recuperación en la interrupción, válida para pruebas de servicio T10, T30, T60, T100 y T100a los cuales se presentan en la tabla 3.12.
Factor Valor Factor Primer Tiempo Voltaje del pico RRRV b de voltaje de Tiempo Tiempo de Voltaje Tiempo nominal Tipo de primer del amplitud referencia t 1 t 2 retardo U' t' Ur prueba polo TRV U1 / t 1 kaf U1 [)s] [)s] td [kV] [)s] [kV] kpp Uc [kV/ )s] [p.u.] [kV] [)s] [p.u.] [kV]
Falla 1.3 1.40 80 40 149 160 2 40 22 2 terminal Falla de 100 línea 1 1.40 61 31 114 124 2 31 17 2 corta Fuera 160- 2 1.25 122 80 204 2-8 61 48 1.54 de fase 320 Falla 1.3 1.40 98 49 183 196 2 49 26 2 terminal Falla de 123 línea 1 1.40 75 38 141 152 2 38 21 2 corta Fuera 196- 2 1.25 151 98 251 2-10 75 59 1.54 de fase 392 Falla 1.3 1.40 115 58 215 232 2 58 31 2 terminal 145 Falla de línea 1 1.40 89 44 166 176 2 44 24 2 corta 39
Fuera 232- 2 1.25 178 116 296 2-12 89 70 1.54 de fase 464 Falla 1.3 1.40 135 68 253 272 2 68 36 2 terminal Falla de 170 línea 1 1.40 104 52 194 208 2 52 28 2 corta Fuera 272- 2 1.25 208 136 347 2-14 104 81 1.54 de fase 544 a En caso de fallas de línea corta: Cantidades de TRV y tiempo son las del circuito de alimentación. b RRRV = Tasa de crecimiento del voltaje de recuperación. Tabla 3.11 Valores estándar de TRV a - Voltajes nominales de 100 kV a 170 kV para sistemas sólidamente aterrados - Representación por cuatro parámetros. [11]
Multiplicadores Factor del primer polo 2do polo a despejar 3er polo a despejar kpp RRRV Uc RRRV Uc Para sistemas aterrados solidamente 1.3 0.95 0.98 0.70 0.77 Para sistemas no aterrados solidamente 1.5 0.70 0.58 0.70 0.58 Tabla 3.12 Valores estándar de multiplicadores para TRV para el 2do y 3er polo a despejar para voltajes nominales mayores a 72.5 KV. [11]
Factor de multiplicación para determinar U1 como función del valor r.m.s. de la Voltaje nominal corriente de interrupción de cortocircuito Tiempo * Isc Ur t i [kV] f i [)s] kV/ kA 50 Hz 60 Hz 100 0.046 0.056 0.4 123 0.046 0.056 0.4 145 0.046 0.056 0.4 170 0.058 0.070 0.5 245 0.069 0.084 0.6 300 0.081 0.098 0.7 362 0.092 0.112 0.8 420 0.092 0.112 0.8 550 0.116 0.139 1.0 800 0.159 0.191 1.1 NOTA Estos valores cubren fallas monofásicas y trifásicas, basadas en el supuesto de que la barra y los elementos conectados a la misma pueden ser representadas por una impedancia resultante Zi de alrededor de 260 para tensiones nominales menores a 800 kV y una impedancia Zi de alrededor de 325 en el caso de tensiones nominales de 800 kV. La relación entre f i y t i es:
ftZi= i ⋅ i ⋅ω⋅ 2 40
Donde: ω=2 ⋅π⋅ f r es la frecuencia angular correspondiente a la frecuencia nominal del interruptor. * Los voltajes pico iniciales actuales se obtienen al multiplicar los valores en estas columnas por el valor r.m.s. de la corriente de interrupción de cortocircuito Tabla 3.13 Valores estándar del ITRV - Voltajes nominales de 100 kV o mayores. [11]
Existen dos alternativas de secuencias de operación nominales para los interruptores, indicando el tipo de operación como O para operación de apertura y CO para operación de cierre seguida de una operación de apertura; seguidas de los intervalos de tiempo entre operaciones sucesivas en minutos o segundos, las que se presentan a continuación:
O - t - CO - t’ – CO
Donde t representa 3 min para interruptores no destinados a una rápida reconexión automática o 0.3 s para interruptores destinados a una rápida reconexión automática (tiempo muerto o tiempo entre la extinción final del arco en todos los polos del interruptor y el primer restablecimiento de corriente en cualquier polo); y t’ representa 3 min, 15 s o 1 min para interruptores destinados para una rápida reconexión automática.
CO - t’’ - CO Donde t’’ se expresa en segundos y representa 15 s para interruptores no destinados a una rápida reconexión automática.
De acuerdo a esta norma, las características de fallas de línea corta son necesarias en interruptores trifásicos diseñados para conexión directa a líneas de transmisión aéreas, de voltajes de 52 kV o mayores y corriente de interrupción de cortocircuito mayor a 12.5 kA, los valores estándar del factor RRRV basados en la impedancia de alimentación Z de 450 , el factor pico k y el tiempo de demora del lado de la línea t dL se presentan en la siguiente tabla. 41
Factor RRRV Voltaje Tiempo de Número de Impedancia Factor s* nominal demora conductores por característica de pico FkVµ s kA V Ur H( ) X t dL fase Z[ ] k [kV] [)s] 50 Hz 60 Hz 0 170 1 a 4 450 1.6 0.200 0.240 0.2 1 245 1 a 4 450 1.6 0.200 0.240 0.5
NOTA Estos valores cubren las fallas de línea corta tratadas con esta norma. Para líneas muy cortas no todos los requisitos se pueden cumplir. Los procedimientos para acercarse a líneas muy cortas se dan en la guía de aplicación de esta norma (Actualmente preparado por CIGRE WG 13-11). Tabla 3.14 Valores estándar de características de línea para fallas de línea corta. [11]
Como puede apreciarse los cálculos y la determinación de la envolvente del TRV se realiza con la misma metodología, entre sí difieren en los nombres de términos y valores límites de voltaje para la clasificación, es decir, entre 72.5 y 100 kV mayores o menores.
La comparación entre los términos definidos por las diferentes normas para la determinación de límites del TRV servirá para una mejor apreciación, y dado que constantemente se desarrollan investigaciones para actualizar o reafirmar el contenido de las mismas, es notable la tendencia a la homologación entre las mismas. En la tabla 3.15 se presenta un cuadro comparativo de los términos utilizados entre las diferentes normas.
Termino Norma IEC Normas ANSI/IEEE
Voltaje nominal [kV] U r V
100 kV o más 4 parámetros Exponencial-coseno
Factor de primer polo k pp k f
Factor de amplitud o Factor kaf k a transitorio de amplitud
E1 Primer voltaje de referencia U1 para asíntota de componente para envolvente [kV] (exponencial)
Tiempo en alcanzar primer t1 t 1 voltaje [µs]
E2 Voltaje pico del TRV [kV] U C para componente (1-coseno) 42
t2 Tiempo en alcanzar pico TRV - para componente (1-coseno) [µs] t2 - t 2 = 1.138 × t 3 o t 3 = 0.88 × t 2 (TRV 4 parámetros) para envolvente de 2 parámetros Tasa de crecimiento TRV RRRV o RRRV o R [kV/µs] U1 / t 1 Tiempo de retardo [µs] td td Tiempo de referencia superior t’ -- del tiempo de retardo [µs] tiempo en alcanzar U' U’ - U’ = U C/3 para interruptores con voltaje Voltaje de referencia superior nominal menor a 72.5 kV -- del tiempo de retardo [kV] - U’ = U 1/2 para interruptores con voltaje nominal mayor a 72.5 kV
t3 Tiempo en alcanzar valor pico -- - RRRV = U C/t 3 en TRV [µs] envolvente de 2 parámetros
Voltaje transitorio del lado de la fuente, para falla de línea corta UBD e S o V BD [kv]
Voltaje transitorio del lado de la línea, para falla de línea corta UCD0 e L o V CD [kV] Tabla 3.15 Resumen comparativo de términos entre las normas IEC y ANSI/IEEE
3.2.1 GUÍA DE REFERENCIA PARA SELECCIÓN DE INTERRUPTORES
Una breve guía se presenta para facilitar la selección de interruptores, sin embrago, debido a que actualmente existe la tendencia de homologación de términos y valores estándar entre las normas ANSI e IEC tal vez en el futuro no se requiera seleccionar una de estas para tener un modelo a seguir.
1. Obtención de parámetros del circuito para simulación de acuerdo al requerimiento, no es necesario simular gran parte del sistema, con la determinación del circuito equivalente es suficiente. 2. Seleccionar la norma a seguir, ya que de esta depende la bibliografía que requerirá ser consultada y según el caso también se referirá a otros textos no mencionados. 3. 43
NORMA A SEGUIR BIBLIOGRAFÍA NECESARIA ANSI C37.06 ANSI C37.06.1-2000 ANSI – IEEE IEEE Std C37.04-1999 IEEE Std C37.010-1999 (R2005) IEEE Std C37.011-2005 IEC 62271-100 IEC o IEC 62271-SER (repositorio completo de normas IEC)
4. Determinar términos de acuerdo a la tabla 3.15 según la norma seleccionada. 5. Realizar simulación y validar la información ingresada en condiciones normales del circuito. 6. Simular una falla trifásica terminal en el disyuntor a determinar y verificar si los resultados obtenidos cumplen con los términos obtenidos del literal 3, de no ser el caso se requerirá adicionar inductancias y/o resistencias al interruptor para no sobrepasar la envolvente del TRV según la norma escogida. 7. Una vez verificado en la simulación que cumple lo descrito en las normas, es posible seleccionar el disyuntor que cumpla con las características determinadas. 44
CAPÍTULO 4 SIMULACIÓN
4.1. PRESENTACIÓN DE EJEMPLO ESPECÍFICO Y DETERMINACIÓN DE CASO DE OCURRENCIA
Se puede obtener varios casos de ocurrencia para el análisis de un interruptor en particular, ya que cada caso varía según el tipo y el lugar de falla. En este proyecto se tomó el ejemplo para simulación del Plan de expansión de Transmisión, del que se presenta la simulación del TRV en el interruptor del banco de capacitores de 30 MVAR a 138 kV en la subestación Las Esclusas, el mismo que ingresó en operación a finales del año 2014.
Esclusas 138 144,910 kV 1,050 p.u. 10,652 deg -0,00 MW 43,15 MW 43,15 MW -33,08 Mvar 2,25 Mvar 2,25 Mvar 23,50 % 23,50 % 0,13 kA 0,17 kA 0,17 kA 100,65 deg 7,67 deg 7,67 deg
X_C_ESCLUSAS
-43,11.. -43,11.. -2,44 Mvar -2,44 Mvar 23,50 % 23,50 % 0,17 kA 0,17 kA -172,8.. -172,8.. Caraguay 138
144,745 kV 1,049 p.u. 10,363 deg 86,23 MW 4,88 Mvar 36,60 % -86,10.. 0,34 kA -2,04 Mvar 7,12 deg 36,60 % 0,69 kA -172,5.. T_ATQ_CAR Caraguay 69
72,251 kV 1,047 p.u. 8,786 deg 14,98 MW 31,65 MW 39,48 MW 0,00 MW 2,13 Mvar 5,91 Mvar 7,15 Mvar -13,16..
0,12 kA 0,26 kA 0,32 kA 0,11 kA 0,68 deg -1,79 deg -1,48 deg 98,79 deg
X_C_CARAGUAY C_CAR_UEG_1 C_CAR_UEG_4 C_CAR_UEG_3
Figura 4.1 Zona Las Esclusas – Caraguay 138 kV. Base SNI 2014 - Power Factory DigSILENT
En la Figura 4.1 Zona Las Esclusas – Caraguay 138 kV. Base SNI 2014 - Power Factory DigSILENT se presenta la zona a simular en ATP, cuya información presentada se ha tomado de la base modelada en Power Factory DigSILENT del 45
SNI en el Centro de Operación de Transmisión de CELEC EP – Transelectric. El equivalente de todo el sistema hasta la barra principal de 138 kV de la subestación Las Esclusas se obtuvo para el escenario en condiciones máximas del sistema y en época de alta hidrología del año 2014.
GEQ 117.7L-1.03
BTC0 V LCC ZEQ LCC LCC BT2
BTC1 BTLT BTLL1
LCC BJC1
LT ES-CA RAM2 LCC
CPAR V
UI BTLT2 BTLL2 BTTFH BT3 LCC LCC LCC V BTTF
SC1 V
UI V
117.7L-1.08 V THTF LCC
CPAR RTTCAR A
A TCAR BCT ATQ CARAGUAY 138/69/13.8 kV UI TLTF 225 MVA
57.46L -3.1 BTUEG BTTFL LCC BTC2 BT4 V LCC LCC LCC V BT5
11.07 I V
C1 29.86+j5.273 I BTC2 I
30 MVAR I BTCG 4.193
TCUEG LCC C2
TCUEG
C2 12 MVAR I
Figura 4.2 Zona Las Esclusas - Caraguay 138 kV simulado en ATP.
Debido a que la subestación Las Esclusas y Caraguay están conectadas radialmente al anillo troncal de 230 kV del SNI, el equivalente requerido se obtiene aplicando la reducción de sistemas eléctricos radiales mediante un cortocircuito monofásico en el nodo que se requiere determinar el equivalente excluyendo la zona a modelar en ATP. Se obtienen las impedancias de secuencia positiva y negativa del equivalente del sistema en el nodo aplicado y su representación en 46
ATP se presenta en la Figura 4.2 Zona Las Esclusas - Caraguay 138 kV simulado en ATP. [18]
Las impedancias obtenidas para el circuito equivalente del sistema se representan en ATP como impedancias RL acopladas simétricas , cuyos parámetros son las impedancias de secuencias positiva y cero; y que para un mejor conocimiento del programa se describen los elementos utilizados en la simulación en el ANEXO A, mientras que, en el ANEXO B se presentan los valores característicos de los equipos.
Por simplificación tanto para cálculos y simulación según lo recomendado en las normas, se considera la operación de un interruptor ideal cuyo enfoque principal está en los voltajes presentes en sus terminales y que dependen de la topología de la red y de sus parámetros. De acuerdo a las características de la red a la que se acoplará el interruptor se determinan los valores nominales del interruptor SC1 (según los estándares referirse a Tabla 3.5 Clasificaciones recomendadas para interruptores exteriores de 123 kV nominales o mayores, incluyendo interruptores aplicados en subestaciones aisladas en gas en sistemas de 60 Hz. [ANSI C37.06- 2000 - Tabla 3]), considerando que el voltaje nominal del sistema a acoplarse es 138 kV, la corriente nominal a soportar es 1300 A y que la mayor corriente de cortocircuito obtenida de la base del SNI es 28.183 kA se tiene:
V= 145 kV (Voltaje nominal interruptor) I= 31.5 kA (Corriente nominal de corte en c ortocircuito del interruptor)
De acuerdo a las normas IEC 62271-100, ANSI/IEEE Std C37.04 y según datos de tablas presentadas los valores correspondientes para los cálculos para el sistema son:
ISC SC1 = I = 31.5kA Ur = V = 145kV
kpp= k f = 1.3 ω=2 π f = 377rads s RRRV= R = 2kV µ s kaf= k a = 1.4 47
De donde se obtienen los valores se obtienen los valores para la envolvente correspondiente al 100% (T100) de su capacidad nominal de corriente de falla:
E1==×× U 1 k f V 23 = 115.43kV
t1= E 1 RRRV = 57.72 µ s
E2= U C =××× k f k a V 23 = 215.47kV
t2=×= 4 t 1 230.86 µ s
A continuación se presenta los cálculos para envolventes de soportabilidad relacionada para 60% (T60) y 75% (T75) de su capacidad nominal de corriente de falla. Los cálculos se realizan incluyendo los valores de cortocircuito de línea de acuerdo a la ecuación 3.6 y mediante la interpolación en la Figura 3.5 Porcentaje de capacidad de interrupción - Multiplicadores K t1 , K t2 y K t3 según Tabla 3.4. Para interpolación según porcentaje de capacidad de interrupción [14]se obtienen los multiplicadores k correspondientes para T60 y T75. [14][22]
De acuerdo a la tabla 3.5 se tiene;
V=145 kV Icc=31.5 kA.
Envolventes de soportabilidad para 75% (T75):
M = 0.75 e L = 47.3568 I L = 23.625 = 376.99 R L = 5.6680 U 1 = 115.432 d = 1.6 t L = 8.3551 t 1 = 43.394 Zeff = 450 e S = 9.5327 U c = 208.349 td = 2 e T = 56.8895 t 2 = 151.166
Envolventes de soportabilidad para 60% (T60) donde factores k de Tabla 3.4 Factores de capacidad al TRV de interruptores a varios niveles de interrupción de fallas terminales. [13][14] :
e L = 75.7709 M = 0.60 I L = 18.9
R L = 4.5344 ku 1 = 1.000 U 1 = 115.432
t L = 16.7102 k t 1 = 0.670 t 1 = 38.670
e S = 17.6523 k u c = 1.070 U c = 230.557 48
e T = 93.4231 k t 2 = 0.500 t 2 = 115.432
Los valores obtenidos para graficar las envolventes determinan que el interruptor soporta fácilmente este tipo de falla. La presentación en la simulación de las envolventes para falla trifásica terminal se aprecian en la Figura 4.3.
ANSI/IEEE TRV en SC1 para falla trifásica terminal 100%, 75%, 60% 250 [kV] 200
150
100
50
0
-50
-100
-150 1,45 2,56 3,67 4,78 5,89 [ms] 7,00 APC_ESC_2014_P15.pl4: v:RAM2C -SC1C v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B APC ESC 2014 P15 F 3F TERM TRV 100.ADF: vTRVstd APC ESC 2014 P15 F 3F TERM TRV 75.ADF: vTRV75 APC ESC 2014 P15 F 3F TERM TRV 60.ADF: vTRV60
Figura 4.3 Envolventes TRV para falla trifásica terminal del sistema según ANSI/IEEE.
Los valores para la envolvente según la norma IEC se han tomado de las tablas y de los cálculos presentados anteriormente.
IEC - ANSI/IEEE TRV en SC1 para falla trifásica terminal 250 [kV] 200
150
100
50
0
-50
-100
-150 1,45 1,65 1,85 2,05 2,25 [ms] 2,45 APC_ESC_2014_P15.pl4: v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C APC ESC 2014 P15 F 3F TERM TRV IEC.ADF: vTRVstdIEC APC ESC 2014 P15 F 3F TERM TRV IEEE 100.ADF: vTRVstdIEEE
Figura 4.4 Envolventes TRV nominales según normas IEC y ANSI/IEEE. 49
Como puede apreciarse, no existe una diferencia significativa de los valores obtenidos de las envolventes del TRV entre las diferentes normas. A continuación para el análisis y comparación de la TCRV se muestran las simulaciones de apertura del interruptor SC1 para operación normal y ante fallas monofásicas y trifásicas presentando al final un cuadro resumen de los valores obtenidos y comparados con los valores descritos en las normas.
TRV en SC1 - Operación de desconexión normal 250,0 *10 3 187,5
125,0
62,5
0,0
-62,5
-125,0
-187,5
-250,0 0 4 8 12 16 [ms] 20 (file APC_ESC_2015.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C c:RAM2A -SC1A c:RAM2B -SC1B c:RAM2C -SC1C
Figura 4.5 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en condiciones normales del sistema con C1 cargado.
Como se puede apreciar en la Figura 4.5 al tratarse del interruptor de un banco de capacitores en la simulación esta condición en particular considera que este permanece cargado, por lo que el TRV no llega a amortiguarse hasta el voltaje del lado de alimentación y por lo contrario al simular la descarga del banco C1 se puede verificar el amortiguamiento del TRV como en la Figura 4.6. 50
TRV en SC1 fase A - Operación desconexión y descarga C1. 250 *10 3 200
150
100
50
0
-50
-100
-150 0 4 8 12 16 [ms] 20 (file APC_ESC_2015.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A c:RAM2A -SC1A
Figura 4.6 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en condiciones normales del sistema con descarga de C1.
TRV en SC1 - Falla 3f 150
*10 3
100
50
0
-50
-100
-150 0 2 4 6 8 10 [ms] 12 (file APC_ESC_2015.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C c:RAM2A -SC1A c:RAM2B -SC1B c:RAM2C -SC1C
Figura 4.7 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 3Ø. 51
TRV en SC1 - Falla 3f terminal 150
*10 3
100
50
0
-50
-100
-150 0 4 8 12 16 [ms] 20 (file APC_ESC_2015.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C c:RAM2A -SC1A c:RAM2B -SC1B c:RAM2C -SC1C
Figura 4.8 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 3Ø terminal.
TRV en SC1 fase A - Falla 1f 150
*10 3
100
50
0
-50
-100
-150 0 2 4 6 8 10 [ms] 12 (file APC_ESC_2015.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C c:RAM2A -SC1A
Figura 4.9 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 1Ø fase A. 52
TRV en SC1 fase B - Falla 1f 150
*10 3
100
50
0
-50
-100
-150 0 2 4 6 8 10 [ms] 12 (file APC_ESC_2014_OPER.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C c:RAM2B -SC1B
Figura 4.10 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 1Ø fase B.
TRV en SC1 fase C - Falla 1f 150
*10 3
100
50
0
-50
-100
-150 0 2 4 6 8 10 [ms] 12 (file APC_ESC_2014_OPER.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C c:RAM2C -SC1C
Figura 4.11 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 1Ø fase C. 53
TCRV t t TRV TCRV Caso desc pico p NORMAS ms ms kV kV/ j kV/µs Fase A 0.05 8.38 234.77 0.03 Operación Fase B 5.58 13.96 234.63 0.03 2.0 normal Fase C 2.82 11.15 234.65 0.03 Fase A 7.78 7.87 137.87 1.66 Falla 1Ø Fase B 5.01 5.09 140.96 1.72 2.0 Fase C 2.23 2.31 137.41 1.66 Fase A 7.79 7.87 137.03 1.61 Falla 3Ø Fase B 4.69 4.77 127.76 1.54 2.0 Fase C 2.26 2.34 119.45 1.46 Fase A 7.72 7.81 137.73 1.62 Falla 3Ø Fase B 4.58 4.66 125.24 1.55 2.0 terminal Fase C 2.21 2.29 116.45 1.44 Tabla 4.1 Cuadro resumen comparativo de la TCRV entre simulación y normas.
Como se puede apreciar en ninguno de los casos simulados se supera el valor de la TCRV descrito en las normas ANSI, IEC e IEEE. 54
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
No existe mayor diferencia para la evaluación del TRV entre las diferentes normas IEC y ANSI/IEEE, pues el procedimiento de cálculo es similar. La diferencia existente se presenta en los nombres de los términos que en versiones actualizadas de las normas se evidencia una homologación tanto de cálculos como de términos.
De las simulaciones realizadas para la determinación de la Tasa de Crecimiento del Voltaje de Recuperación TCRV se determina que el mayor valor se obtuvo en falla monofásica 1.72 kV/µs, mientras que el menor valor se obtuvo en la maniobra sin falla presente 0.03 kV/µs sin superar los valores límites establecidos en las normas de 2 kV/µs.
También se verifica la estrecha relación existente entre la TCRV y el valor pico del TRV, ya que mediante las simulaciones se obtiene el mayor valor en la maniobra sin falla presente 234.77 kV cuando el capacitor está inicialmente cargado y el menor valor en la maniobras con falla trifásica presente 116.45 kV.
De lo mencionado anteriormente también se concluye que para el caso de interruptores de bancos de capacitores se debe controlar el accionamiento de apertura de interruptores con mando sincronizado ya que se puede correr el riesgo de sobrepasar la soportabilidad del TRV pico máximo al realizar maniobras cuando el capacitor está cargado.
Se concluye que las características el interruptor del banco de capacitores 138 kV en la subestación Las Esclusas es adecuado, ya que cumple con la soportabilidad necesaria al TRV. 55
5.2. RECOMENDACIONES
Para este tipo de estudio no es necesario tener una simulación a detalle de todo el sistema, pues es factible trabajar con una versión simplificada del mismo.
Las características técnicas que debe cumplir un interruptor deberán especificarse en base a una norma, ya sea ANSI, IEEE o IEC es importante regirse a una de estas ya que constantemente se realizan estudios e investigaciones para su revisión o actualización considerando también los nuevos tipos de interruptores.
Se recomienda un estudio de técnicas o procedimientos para la localización de puntos de inserción de dispositivos o equipos en el sistema para la atenuación de la RRRV y el TRV (mejoramiento en la soportabilidad de los interruptores al TRV, reduciendo los valores pico).
Para evaluaciones y estudios de equipos nuevos o existentes se recomienda considerar el crecimiento y modificaciones que sufrirá el sistema, ya sea para un determinado periodo de tiempo o una rutina periódica de verificación sin dejar de lado la vida útil de los equipos. La misma que debería fundamentarse en una estadística del número de operaciones del interruptor y de ocurrencia de fallas.
El programa ATP es una herramienta útil para el análisis de transitorios, sin embargo se requiere un grado de conocimiento mínimo para la representación de un sistema, tal es el caso, que en la simulación de fallas, al representar la inductancia existente entre los terminales del interruptor mediante una inductancia del orden 10 mH se evidencia un efecto de amortiguamiento y desfase.
Como ayuda para una fácil comprensión del programa ATP se recomienda la revisión del texto: “Simulación de sistemas eléctricos” presentado en la bibliografía en el numeral [7], donde se encuentra información detallada para la simulación de sistemas, sin dejar de lado al Rulebook de ATP. 56
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
REFERENCIAS ESPECIALIZADAS
[1] AMON FILHO, Jorge: «Tensão de Restabelecimiento Transitória de Disjuntores». En: Transitórios elétricos e coordenação de isolamento: Aplicação em sistemas de potencia de alta-tensão. Brasil: EDUFF (Editora da Universidade Federal Fluminense),1987. Pág. 340-369. ISBN 85–228- 0069-3. [2] GREENWOOD, Allan: Electrical Transients in Power Systems. Second edition. Troy, New York: John Wiley & Sons, Inc. (Wiley-Interscience publication), 1990. Pág. 126-147. [3] KERI, A. J. F.; GOLE, A. M.; MARTINEZ VELASCO, J. IEEE Special Publication: Modeling and Analysis Transients Using Digital Programs. Draft 2. IEEE PES Working Group 15.08.09, 2009. Pág. 75-98. [4] HIMANSHU, B.; MUHAMMAD, A.; PRAVEEN, K. Power System Transients: Effects of Transient Recovery Voltages on Circuit Breaker Ratings. Term Project EE5220., 2008. 22 p. [5] SALLES TEIXEIRA, Julio: «Cálculo da Tensão de Restabelecimiento Transitória». En: Disjuntores e Chaves: Aplicação em sistemas de potência. Niterói, RJ: EDUFF (Editora da Universidade Federal Fluminense), 1995. Pág. 78-107. ISBN 85–228-0165-7. [6] VAN DER SLUIS, Lou: Transients in Power Systems. First edition. Chichester, England: John Wiley & Sons Ltd., 2001. ISBN 0-471-48639-6 (Hardback); 0-470-84618-6 (Electronic). Pág. 15-119. [7] ZAMORA, M. I.; MAZÓN, A. J.; FERNANDEZ, E.; SAGASTABEITIA, K. J.; ALBIZU, I.; EGUÍA, P.; TORRES, E.; VALVERDE, V.: Simulación de Sistemas Eléctricos. Madrid: Pearson Educación S.A., 2005. ISBN 84- 205-4808-1. Pág. 332-420.
57
NORMAS Y MANUALES
[8] AMERICAN NATIONAL STANDARD INSTITUTE. AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis - Preferred Ratings and Related Required Capabilities. United States of America: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2003. 26 p. (ANSI C37.06- 2000). ISBN 0-7381-3595-X SS95093. [9] AMERICAN NATIONAL STANDARD INSTITUTE. Guide for High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis - Designated “Definite Purpose for Fast Transient Recovery Voltage Rise Times”. United States of America: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2003. 12 p. (ANSI C37.06.1-2000). ISBN 0-7381-3597-6 SS95094. [10] INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. International Standard: Common specifications for High-voltage switchgear and controlgear Edition 2.2. Switzerland: International Electrotechnical Commission, 2002. 225 p. (IEC 60694:1996+A1:2000+A2:2002). [11] INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. International Standard: High-voltage switchgear and controlgear - Part 100: High- voltage alternating-current circuit-breakers Edition 1.1. Switzerland: © International Electrotechnical Commission, 2003. 579 p. (IEC 62271-100 © CEI:2001+A1:2002). [12] INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE Standard for Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers - Corrigendum 1. United States of America: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1999. 29 p. (IEEE Std C37.010™-1999 (R2005)). ISBN 0-7381-1782-X SS94774. [13] INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers. United States of America: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2006. 29 p. (ANSI/IEEE Std C37.04™-1999 (R2006). [14] INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE Application Guide for Transient Recovery Voltage for AC High-Voltage Circuit Breakers. United States of America: Institute of Electrical and 58
Electronics Engineers, Inc., 2006. 62 p. (ANSI/IEEE Std C37.011™-2005). ISBN 0-7381-4813-X SS95378. [15] SIEMENS AG. POWER TRANSMISSION AND DISTRIBUTION HIGH VOLTAGE, Instrucciones de servicio Interruptor de potencia 3AP1FI, AG. República Federal de Alemania, Berlin. SIEMENS AG Power Transmission and Distribution High Voltage, 2010. 112 p. ISBN 927 10345 923 A
PAPERS
[16] CIRED - 19 th International Conference on Electricity Distribution: Test experiences with new medium voltage TRV requirements in IEC 62271- 100. Paper 0387. (May, 2007). Vienna: CIRED, 2007. 4 p. Biennal. [17] FONSECA, Antonio. Reducción de Sistemas de Potencia Mallados para Estudios de Estado Estable - Casos Aplicados. En: JORNADAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA (JIEE). (23ª : 2010 : Quito). XXIII Jornadas en Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Volumen 23. Quito: Escuela Politécnica Nacional, 2010. p. 100-109. [18] SWITCHING TRANSIENTS TASK FORCE - IEEE Modeling and Analysis of System Transients Working Group: Modeling Guidelines for Switching Transients. En: SPECIAL PUBLICATION, MODELING AND SIMULATION WORKING GROUP 15.08. Report Prepared by the Switching Transients Task Force of the IEEE Modeling and Analysis of System Transients Working Group, 2007. 24 p.
ARTÍCULOS
[19] R. W., Alexander; DUFOURNET D., Alstom: Transient Recovery Voltage (TRV) For High-Voltage Circuit Breakers. 41p. 59
[20] ABB AB HIGH VOLTAGE PRODUCTS. Live Tank Circuit Breakers, Application Guide. Edition 1.1, 2009-06. 1HSM 9543 23-02en. Consultado el: 05 de abril de 2014.
GUÍAS DE AYUDA
[21] H. K., Høidalen; O. G., Dahl: ATPDraw Help Contents . ATPDraw Windows version 5.8p2 NTNU/SINTEF, Norway.
REFERENCIAS ELECTRÓNICAS
[22] AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE. About ANSI. Disponible en:
ANEXOS 62
ANEXO A PROGRAMA COMPUTACIONAL: ALTERNATIVE TRANSIENTS PROGRAM (ATP)
La información presentada a continuación se ha tomado de la información presentada en las referencias bibliográficas [3][7][16][18][21].
El programa ATP es una herramienta digital para la simulación de fenómenos transitorios de naturaleza electromagnética y electromecánica en un sistema eléctrico, en donde la representación de la red a simular estará condicionada por la información obtenida y el tipo de estudio a realizar. En este estudio se detallarán únicamente los elementos utilizados en la modelación digital del ejemplo presentado,
Este software resuelve sistemas eléctricos calculando el valor que adquieren las variables con el tiempo mediante modelos que caracterizan el comportamiento de sus elementos constitutivos, los mismos que son parametrizables, permitiendo la resolución de sistemas con estructuras de hasta 6000 nodos, 10000 ramas, 900 fuentes, 1200 interruptores, 90 máquinas síncronas y 2250 elementos no lineales. También integra varias aplicaciones que incluyen el compilador de ATP y programas complementarios que facilitan su uso y a los que se puede acceder fácilmente desde el Centro de Control de ATP o ATPCC (ATP Control Center).
De forma práctica para una simulación se inicia creando el modelo gráfico del sistema a estudiar en ATPDraw (archivo de extensión .adp o .cir ) del que se obtiene el archivo fuente (extensión .atp ) junto con los archivos de extensiones .lis y .pl4 donde se registran los resultados de la simulación, que se visualizan en el editor de textos (.lis). La salida gráfica se puede revisar en un visualizador gráfico apropiado ya sea GTPPLOT , PCPLOT , PLOTXY o TPPLOT (.pl4); siendo el visualizador más usado en nuestro medio el PLOTXY. Como requisito necesario para la inicialización de la simulación, el sistema debe tener condiciones de estado estable previo al transitorio. 63
Actualmente se pueden encontrar varios textos que describen el programa ATP, su funcionamiento, aplicaciones integradas, metodología de solución aplicada y programas complementarios además de guías para la modelación de elementos con sus respectivas variables.
La construcción del modelo a simular debe considerar la dependencia de ciertos elementos, si el estudio se realiza en el dominio de frecuencias; lo que no sucede cuando se realiza el estudio en el dominio del tiempo. El modelo una vez terminado y comprobado en condiciones estables permite verificar en la simulación ya sea nuevos diseños, mejoras, extensiones o investigación de algún tipo de fenómeno como es el caso de este trabajo.
Al iniciar una modelación es necesario definir parámetros específicos de la simulación en el cuadro de diálogo de ajustes de ATP disponible en SETTINGS/SIMULATIONS habilitando los parámetros de acuerdo al tipo de simulación a realizar entre dominio del tiempo, dominio de frecuencia o harmónicos.
En este caso trabajamos en el dominio del tiempo y los parámetros a definir son la duración de los pasos de tiempo de simulación (delta T=1E-6) y el tiempo de simulación (Tmax=0.02), las unidades con las que se ingresarán los parámetros de los elementos son: unidades de inductancias por (Xopt=0) en [mH] y de capacitancias (Copt=0) en [µF.
También se tiene disponible otras pestañas como OUTPUT, FORMAT, SWITCH/UM y VARIABLES que se han dejado con los valores por defecto, mientras que los parámetros de la pestaña LOAD FLOW se cambian a los valores generales presentados en la guía de ayuda de ATP; todo esto dentro de los parámetros que se requieren definir para este caso de estudio puesto que también se tiene más opciones para habilitar tal como se indica en la figura A.1.
64
Figura A.1 Menú y ventana de diálogo de definición de parámetros generales para simulación en ATP.
A continuación se presentan las características de los elementos utilizados en el ejemplo de estudio, cuya descripción la pueden obtener de las ayudas antes mencionadas. Se podrá observar el menú de selección del elemento, simbología sin definir parámetros (por defecto en color rojo), simbología del elemento con parámetros definidos (según las características seleccionadas algunos elementos cambian un poco respecto a la simbología original) y ventana de diálogo del elemento para el ingreso de los mismos.
LÍNEAS DE TRANSMISIÓN: En este ejemplo se selecciona el modelo LCC que calcula los parámetros según la geometría de la línea y de las características de los conductores. Generalmente para líneas de longitud menor a 100 Km se utiliza el modelo de circuito 4 (aproximación discreta a parámetros distribuidos constantes) por lo que en este caso se lo utiliza para representar barras y conexiones entre bahías. Para soluciones donde se consideran ondas viajeras, pérdidas y según el caso se toma en cuenta la dependencia de la frecuencia de ciertos parámetros, se utiliza el modelo JMarti (aproximación de la impedancia característica y la constante de propagación por funciones racionales) que en este caso y generalmente se usa para la representación de líneas de transmisión.
La simulación de barras y conexiones entre bahías se realiza usando el modelo tipo PI, en el que se especifica un valor de resistividad alto de 10000 ohm*m para representar el aislamiento existente entre la barra y tierra, que adicionalmente se conecta al final de las mismas con resistencias del mismo valor y conectadas a 65
tierra para no dejar nodos sin conexión; siendo la diferencia principal entre la simulación de barras, bahías y líneas la configuración de los conductores y los valores de resistividad. Ver figura A.2.
Figura A.2 Menú de selección, simbología y ventana de dialogo para líneas de transmisión.
TRANSFORMADORES: Dado que en este estudio se dispone de los datos de placa presentados en el ANEXO B, para su modelación se utilizan los transformadores de la rutina BCTRAN, en el que se ingresan parámetros referentes a la estructura del transformador, valores nominales característicos y valores de pruebas del transformador, que finalmente requerirá validación de la información y generación del archivo de tipo BCTRAN. [21]
Figura A.3 Menú de selección, simbología y ventana de dialogo para transformadores.
FUENTE DE VOLTAJE O CORRIENTE ALTERNO: Para la fuente de voltaje se dispone del elemento ACSOURCE que en estado estable representa el tipo de 66
fuente seleccionada ya sea corriente o voltaje monofásico o trifásico con función coseno con referencia a tierra que es con la que generalmente trabaja ATP o sin esta, también dispone de la opción fase 3x1 que habilita el control total de cada valor de fase de la fuente.
Figura A.4 Menú de selección, simbología y ventana de dialogo para fuentes de voltaje.
INTERRUPTORES: En este caso utilizan los elementos SWIT_3XT que son interruptores 3Ø controlados por tiempo y que trabajan idealmente realizando la operación de apertura o cierre al cruce por cero de la corriente de cada fase después de haber recibido la señal de operación.
Figura A.5 Menú de selección, simbología y ventana de dialogo para interruptores.
IMPEDANCIA EQUIVALENTE: Esta impedancia se la representa mediante el elemento LINESY_3 de impedancias RL simétricas de líneas acopladas de 67
secuencia positiva y cero. Las unidades de R y L a ingresar se las define inicialmente en los ajustes de ATP.
. Figura A.6 Menú de selección, simbología y ventana de dialogo para impedancias equivalentes.
IMPEDANCIAS: Estas se las representa mediante el elemento RLC3 de impedancias RLC, cuyas unidades se las define inicialmente en los ajustes de ATP.
Figura A.7 Menú de selección, simbología y ventana de dialogo para impedancias RLC.
Una mala representación de las pérdidas en una simulación produce diferencias representativas en valores máximos, mientras que por efecto de inducciones ocurren desplazamientos de tiempo. 68
ANEXO B ESPECIFICACIONES Y CARACTERÍSTICAS DE EQUIPOS REPRESENTADOS EN SIMULACIÓN
INTERRUPTOR S/E ESCLUSAS (SC1)
Capacidad de aislamiento [15] Voltaje nominal 145 kV Voltaje de ensayo soportada a frecuencia industrial respecto a tierra 275 kV a traves de la distancia entre contactos abiertos 325 kV entre los polos 325 kV Voltaje de ensayo soportada a impulso tipo rayo respecto a tierra 650 kV a traves de la distancia entre contactos abiertos 750 kV entre los polos 750 kV Distancia disruptiva en el aire respecto a tierra a traves de la distancia entre contactos abiertos entre los polos 1250 mm (Vease plano dimensional) 1400 mm Distancia de fuga mínima a traves de los aisladores respecto a tierra 3625 mm a traves de la distancia entre contactos abiertos 4250 mm
Datos eléctricos [15]
Tension nominal 145 kV
Frecuencia nominal 60 Hz
Corriente nominal de servicio 2000 A
Corriente nominal de corte en caso de cortocircuito 31,5 kA
Corriente nominal de corte de línea aérea (1,4 p.u.) 50 A
Corriente nominal de corte de cable (1,4 p.u.) 160 A Voltaje Transitorio de Recuperación para fallos en los según IEC bornes 115/215 kV Corriente nominal de cierre en cortocircuito 81,9 kA
Duracion nominal del cortocircuito 3 s
Secuencia nominal de maniobra A-0,3s-CA-3min-CA 69
BANCO DE CAPACITORES
S/E ESCLUSAS Voltaje Equipo C1 138/79.67 Frecuencia [Hz] 60 Nominal [kV] Salida total Reactor limitador Marca TRENCH BRASIL 30000 1.5 [kVAR] de corriente [mH] No de CEB13021N1204F1BZ BIL[kV] 750 Fluido Dieléctrico EDISOL VI Serie Secciones Bushing Temperatura 4 Porcelana -40/40 serie tipo ambiente [°C] Salida Elementos sección 12 625 Capacitancia [µF] 16.71 paralelo individual [kVAR]
S/E CARAGUAY Voltaje Nominal Equipo C2 69/39.84 Frecuencia [Hz] 60 [kV] Secciones 4 Salida total [kVAR] 12000 Capacitancia [µF] 13.37 serie Elementos Salida sección 12 250 Bushing tipo Porcelana paralelo individual [kVAR]
AUTOTRANSFORMADORES
ATQ Voltaje Frecuencia Equipo 138±2x25%/69±16x0.625%/13.8 60 (TCAR) Nominal [kV] [Hz] HV-MV(225MVA) Pérdidas 416.82 CHINT Capacidad HV 135000/180000/225000 con carga HV-LV(75MVA) Marca ELECTRIC Nominal MV 135000/180000/225000 medidas 138.49 CO LTD [kVA] LV 45000/60000/75000 [kW] (445) MV-LV(75) 148.68 Impedancias 138/69(225MVA) Osfsz- de corto 75% 2.60 Tipo Enfriamiento ONAN/ONAF1/ONAF2 225000/138 circuito 69/13.8(75MVA) 6% 7.35 Fases 3 Tap H 1-5 Temperatura aceite / 55 Conexión YNa0d1 LTC 1-17a/17b/17c-33 devanados 65 [°K] 70
ANEXO C VALORES CARACTERÍSTICOS DE EQUIPOS Y ELEMENTOS
IMPEDANCIAS CARACTERÍSTICAS TÍPICAS A 60 HZ [14]
a b Voltaje sistema [kV] Z 0 [ ] Z 1 [ ] Z eff [ ]
145 560 350 420 245 525 375 425 Líneas aéreas 362 430 c 280 c 330 c 550 430 c 280 c 330 c 800 400 c 265 c 310 c 72.5 Impedancia característica del cable 145 depende del tipo de cable y Cables 245 configuración. Generalmente Z 1 y Z eff varían de 50 a 75 con Z 1 C Z eff 362 Barra colectora en Todos los voltajes 55 55 SF 6 a Usado para fallas terminales trifásicas a tierra. b Usado para fallas de línea corta donde Z eff =(2Z 1+Z 0)/3 y Z 0 se determina a frecuencias características de interrupción. c Haz de conductores asumido para clase de líneas de 362 kV y más. Los valores no consideran el choque de conductores. Sin embargo se ha demostrado que en 420 kV la impedancia característica varía entre 434 y 450 considerando la contracción del haz durante una falla.
PARÁMETROS TÍPICOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN A 60 HZ [18]
Nivel de Voltaje [kV] 230 345 500 765 No circuitos 2 1 1 1 Conductores/fase 1 2 3 4 Cables tierra 1 2 2 2 - [ -m] 100 100 100 100
X1 [ /km] 0.5 0.38 0.38 0.34
R1 [ /km] 0.052 0.032 0.018 0.017
X0 [ /km] 2.5 1.3 1.2 1.009
R0 [ /km] 0.49 0.341 0.33 0.33
C1 [µF/km] 0.0088 0.012 0.013 0.013
C0 [µF/km] 0.0041 0.0083 0.0075 0.0093 71
ANEXO D RESUMEN NORMAS
El presente resumen de normas se lo ha realizado en base a la información disponible en las páginas web de cada organización y que han sido presentadas en las referencias bibliográficas: [22][23][24][26][30][31][32].
IEEE es la asociación profesional encargada de fomentar la innovación tecnológica, contribuyendo al desarrollo con apoyo de la labor de la Fundación IEEE y cuyo propósito para continuar con sus objetivos en el desarrollo de temas de diseño, construcción y operación de equipos, aparamenta y hardware de los mismos en circuitos eléctricos está a cargo del Comité de Aparamenta C37 (Switchgear Committee) de la IEEE-PES que provee información sobre potencia y energía eléctrica promoviendo la investigación, desarrollo, planificación, diseño, construcción, mantenimiento, instalación y operación de equipos, estructuras, materiales y sistemas de alimentación, incluyendo medición y control. [30][32]
Por otro lado ANSI es una organización sin fines de lucro que representa y refuerza la posición de mercado de Estados Unidos supervisando la creación, publicación y uso de normas en casi todos los sectores, miembro de otras organizaciones a nivel regional y colaborador de IEEE, actualmente es representante oficial de ISO e IEC en Estados Unidos a través del Comité Nacional. [22]
Finalmente IEC es la organización que publica normas internacionales, formada por comités electrotécnicos que favorecen a la cooperación internacional en la normalización en temas de campos eléctricos y electrónicos conocidos colectivamente como la electrotecnia, los mismos que sirven de base para la regulación, revisión constante y actualización con la participación de 80 subcomités que forman parte de 94 comités técnicos de IEC hasta la fecha. [24] Las normas de interés para este estudio han sido preparadas por los subcomités 17A y 17C del comité técnico 17 a cargo del tema: Aparamenta (Switchgear and controlgear). 72
ANSI C37.06: Norma para Interruptores de Alto Voltaje AC Nominal en Base a Corrientes Simétricas con preferencia en clasificaciones y capacidades requeridas para Voltajes superiores a 1000 V (Standard for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis - Preferred Ratings and Related Required Capabilities for Voltages Above 1000 V) Publicada en 2009. Última edición reemplazada: ANSI/IEEE C37.06-2000. Norma en estado activo.
IEC 60038: Normas de Voltajes IEC (IEC Standard Voltages). Última edición: IEC 60038 Ed. 7.0 publicada en junio de 2009. Permanencia programada hasta 2015. IEC 60050-441: Vocabulario Electrotécnico Internacional – Aparamenta y fusibles (International Electrotechnical Vocabulary - Switchgear, controlgear and fuses). Realizada por el subcomité 1. Última edición: IEC 60050-441 Amd.1 Ed. 2.0 publicada en julio de 2000. Permanencia programada hasta 2014. IEC 60056 : Interruptores de alto voltaje de corriente alterna (High-voltage alternating-current circuit-breakers). Realizada por el subcomité 17A. Última edición reemplazada: IEC 60056 Ed. 4.0 publicada en marzo de 1987. Cancelada y sustituida por: IEC 62271-100 desde 2001. IEC 60059: Norma de corrientes nominales IEC (IEC standard current ratings). Realizada por el comité técnico C 8. Última edición: IEC 60059 Amd. 1 Ed. 2.0 publicada en junio de 2009. Permanencia programada hasta 2020. IEC 60060-1 : Técnicas para pruebas de alto voltaje – Parte 1: Definiciones generales y requerimientos para pruebas (High-voltage test techniques - Part 1: General definitions and test requirements). Realizada por el comité técnico C 42. Última edición: IEC 60060-1 Ed. 3.0 publicada en septiembre de 2010. Permanencia programada hasta 2017. IEC 60071 : Coordinación de aislamiento – Parte 1: Definiciones, principios y reglas; Parte 2: Guía de aplicación; Parte 4: Guía computacional para coordinación y modelamiento de redes eléctricas; Parte 5: Procedimientos para estaciones convertidoras en alto voltaje de corriente directa HVDC (Insulation co-ordination - Part 1: Definitions, principles and rules; Part 2: Application guide; Part 4: Computational guide to insulation co-ordination and modelling of electrical networks; Part 5: Procedures for high-voltage direct current (HVDC) converter 73
stations). Realizada por el comité técnico C 28. Última edición : IEC 60071-SER ed 1.0 publicada en octubre de 2014. Contiene IEC 60071-1 ed8.1, IEC 60071-2 ed3.0, IEC 60071-4 ed1.0, IEC 60071-5 ed1.0 IEC 60085 : Aislamiento eléctrico – Evaluación térmica y designación (Electrical insulation - Thermal evaluation and designation). Realizada por el comité técnico C 112. Última edición: IEC 60085 Ed. 4.0 publicada en noviembre de 2007. Permanencia programada hasta 2018. IEC 60143-2: Capacitores en serie para sistemas de potencia – Parte 2: Equipos de protección para bancos de capacitores en serie (Series capacitors for power systems - Part 2: Protective equipment for series capacitor banks). Realizada por el comité técnico C 33. Última edición reemplazada: IEC 60143-2 Ed. 1.0 publicada en agosto de 1994. Última edición : IEC 60143-2 Ed. 2.0 publicada en diciembre 2012. Permanencia programada hasta 2020. IEC 60694: Especificaciones comunes para aparamenta de alto voltaje (Common specifications for High Voltage switchgear and controlgear Standard). Realizada por los subcomités 17A y 17C. Última edición reemplazada: IEC 60056 Ed. 4.0 publicada en marzo de 1987. Cancelada y sustituida por: IEC 62271-100 desde 2001. IEC 61233: Interruptores de alto voltaje de corriente alterna – Conmutación de cargas inductivas (High-voltage alternating-current circuit-breakers - Inductive load switching). Realizada por el subcomité 17A. Última edición reemplazada: IEC 61233 Ed. 1.0 publicada en julio de 1994. Cancelada y sustituida por: IEC 62271-110 desde 2005. IEC 61633: Interruptores de alto voltaje de corriente alterna – Guía de procedimientos de pruebas de cortocircuito y conmutación para interruptores blindados y tanque muerto (High-voltage alternating-current circuit-breakers – Guide for short circuit and switching test procedures for metal enclosed and dead tank circuit breakers). Realizada por el subcomité 17A. Última edición reemplazada: IEC 61633 Ed. 1.0 publicada en abril de 1995. Cancelada y sustituida por: IEC 62271-100 desde 2001. IEC 62271-1: Aparamenta de alto voltaje - Parte 1: Especificaciones comunes (High-voltage switchgear and controlgear - Part 1: Common specifications). 74
Realizada por el subcomité 17A. Última edición: IEC 62271-1 Consol. with Am1 publicada en agosto de 2011. IEC 62271-100 Ed1.1-2003: Aparamenta de alto voltaje – Parte 100: Interruptores de corriente alterna (High-voltage switchgear and controlgear – Part 100: High- voltage alternating-current ciruit-breakers). Realizada por el subcomité 17A. Última edición: IEC 62271-100 Ed. 2.1 publicada en septiembre de 2012. IEC 62271-308: Aparamenta de alto voltaje – Parte 308: Guía para pruebas de servicio para interrupción de cortocircuito asimétrico T100a (High-voltage switchgear and controlgear – Part 308: Guide for asymmetrical short circuit breaking test duty T100a). Realizada por el subcomité 17A. Última edición reemplazada: IEC 62271-308 Ed. 1.0 publicada en agosto de 2002. Cancelada y sustituida por: IEC 62271-100 desde 2001. IEC 62271-SER: Aparamenta de alto voltaje –Todas las partes (High-voltage switchgear and controlgear - ALL PARTS). Publicada en abril de 2014. Contiene todas las normas referentes a aparamenta de alto voltaje (IEC 62271-1 ed1.1, IEC 62271-3 ed1.0, IEC 62271-4 ed1.0, IEC 62271-100 ed2.1, IEC 62271-101 ed2.0, IEC 62271-102 ed1.2, IEC 62271-103 ed1.0, IEC 62271-104 ed1.0, IEC 62271-105 ed2.0, IEC 62271-106 ed1.0, IEC 62271-107 ed2.0, IEC 62271-108 ed1.0, IEC 62271-109 ed2.1, IEC 62271-110 ed3.0, IEC 62271-111 ed2.0, IEC 62271-112 ed1.0, IEC 62271-200 ed2.0, IEC 62271-201 ed2.0, IEC 62271-202 ed2.0, IEC 62271-203 ed2.0, IEC 62271-204 ed1.0, IEC 62271-205 ed1.0, IEC 62271-206 ed1.0, IEC 62271-207 ed2.0, IEC/TR 62271-208 ed1.0, IEC 62271-209 ed1.0, IEC/TS 62271-210 ed1.0, IEC 62271-211 ed1.0, IEC/TR 62271-300 ed1.0, IEC/TR 62271-301 ed2.0, IEC/TR 62271-302 ed1.0, IEC/TS 62271-304 ed1.0, IEC/TR 62271-305 ed1.0, IEC/TR 62271-306 ed1.0, IEC/TR 62271-310 ed2.0, IEC/IEEE 62271-37-082 ed1.0). 4556 páginas.
IEEE Std C37.04-1999 (R2006): Norma de clasificación de Estructuras para Interruptores de Corriente de Alto Voltaje AC (Standard for Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers). Comprende los voltajes estándares desde 4.76 a 800 kV con corrientes nominales continuas de 600 a 3000 A de acuerdo a como se presentan en ANSI C37.06-1997, estableciendo las características con las que 75
debe cumplir el interruptor. Realizada por el grupo de trabajo HVCB. Última edición reemplazada: IEEE Std C37.04-1979. Norma en estado activo: IEEE Std C37.04-1999 (R2006) Revisión de IEEE Std C37.04-1979. Interruptores para generadores son cubiertos en la norma IEEE Std C37.013. IEEE Std C37.06-2009: Norma para interruptores de Alto Voltaje AC clasificados en base a Corrientes Simétricas – Clasificación Preferente y Relacionada a las Capacidades de Voltajes mayores a 1000 V (IEEE Standard for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis--Preferred Ratings and Related Required Capabilities for Voltages Above 1000 V). Realizada por el grupo de trabajo HVCB-WG. Última edición reemplazada: IEEE Std - C37.06-2000. Norma en estado activo. IEEE Std C37.010-1999 (R2005): Guía de Aplicación para Interruptores de Corriente de Alto Voltaje AC nominal en base a corrientes simétricas (Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis). Realizada por el grupo de trabajo HVCB-WG C37.010. Últimas ediciones reemplazadas e incluidas: IEEE Std C37.010-1979, ANSI/IEEE C37.04-1979 y ANSI C37.06-1979. Norma en estado activo. IEEE Std C37.011-2005: Guía de Aplicación para Voltaje Transitorio de Recuperación en Interruptores de Corriente de Alto Voltaje AC (Application Guide for Transient Recovery Voltage for AC High-Voltage Circuit Breakers). Realizada por el grupo de trabajo HVCB-WG C37.011. Última edición reemplazada: IEEE Std C37.011-1994. Norma en estado activo y reconocido como norma ANSI.