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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 SF6 .......................................................................................................... 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 Kt1, Kt2 y Kt3
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, Kf, Kpp: (First Pole To Clear Factor) Factor de Primer Polo, expresado como
Kf según normas ANSI/IEEE y Kpp 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, ISC: (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 ISC
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, Kaf: (Transient amplitude factor) Factor de amplitud transitorio, expresado
como Ka según normas ANSI/IEEE y Kaf según normas IEC.
Kf, Kpp: (First Pole To Clear Factor) Factor de Primer Polo, expresado como
Kf según normas ANSI/IEEE y Kpp según normas IEC.
rms: (Root Mean Square) Valor eficaz o raíz cuadrada del valor cuadrático
medio.
SB: Potencia base.
SF6: (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 It 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 Isym y la
componente de corriente continua expresada como un porcentaje del valor
pico. Donde:t45% dc 100 e
−
= ⋅ en base a la constante de tiempo 45 [ms]
2
t sym
% dcI I 1 2
100� �
= + � �� �
(1.1). [13]
CAPACIDAD REQUERIDA DE INTERRUPCIÓN DE FALLAS TRIFÁSICAS
SIMÉTRICAS DEL INTERRUPTOR (Required symmetrical interrupting
capability for three-phase faults) [Isym]: 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 XL 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 SF6
(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 (SF6), 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]
Tiempo
�����
� Voltaje de recuperación
Voltaje de reencendido
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
(Va) y el voltaje de fase del sistema sin distorsiones (Vf), 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:
( )a 2 0
f 1 2 0 2 0
V Z ZFPTC 3
V Z Z Z Z Z
⋅= =
+ + ⋅(2.1)
Donde:
Z0,1,2 = 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 n n nZ R j X= + , si la falla está
relativamente lejos de los generadores de alimentación, las impedancias positivas
y negativas son iguales 1 2X X X= = , mientras que para la secuencia cero la
impedancia se convierte en 0 0 nZ j X 3 Z= + , que al reemplazar en la ecuación (2.1)
se obtiene:
( )( )
n 0 n
n 0 n
3R j X 3 XFPTC 3
jX 2 3R j X 3 X
+ +=
� �+ + + (2.2)
En el caso de neutro flotante (no puesto a tierra), el valor de la impedancia nZ = ∞
por lo que FPTC=1.5 y por el contrario, en sistemas sólidamente puestos a tierra
nZ 0= , que reemplazando en la ecuación (2.1) se tiene:
12
0
0
3 XFPTC
X 2 X=
+(2.3)
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 VA, VB, VC , IA, IB e IC en las fases respectivas y
cuyos correspondientes en componentes simétricas son V0, V1 y V2, e I0, I1 y I2. [2]
El polo abierto es simulado por la introducción de una impedancia infinita Z entre
los contactos del interruptor (VA=IAZ) 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:
= + + = =A 0 1 2 B CI I I I V V 0 (2.4)
De acuerdo a la definición de componentes simétricas, los voltajes V0, V1 y V2 se
presentan a continuación en función del operador a que es igual a j2 3e π .
( ) ( ) ( )2 2
0 A B C 1 A B C 2 A B C
1 1 1V V V V V V a V a V V V a V a V
3 3 3= + + = + + = + + (2.5)
Donde al reemplazar con la ecuación 2.5 se tiene:
A A0 1 2 0 1 2
V VV V V I I I
3 Z= = = + + = (2.6)
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 Z0, Z1 y Z2 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:
0 0 0 1 1 1 1 2 2 2V I Z V I Z E V I Z= = + = (2.7)
A 0 1 2V 3V 3V 3V= = = (2.8)
0 0 0 1 1 1 1 2 2 23V I 3Z 3V I 3Z 3E 3V I 3Z= = + = (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 SF6 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 simétrica1. 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 E2 para interrumpir la corriente de
cortocircuito nominal en el tiempo T2 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 E1 y E2
respectivamente, con una tasa de crecimiento exponencial R o RRRV que se
establece como 2 kV/µs.
1 f
2E K V
3= ⋅ ⋅
(3.1) 2 a f
2E K K V
3= ⋅ ⋅ ⋅
(3.2)
Donde:
Ka = Factor de amplitud transitorio Kf = 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 nominal
Tipo envolvente
FPTC Kf
Ka E2 R
[kV/µs] E1 T1 y T2
< 100 kV 1 - cos 1.5 1.54 1.88×V - - -
� 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 Ti como se aprecia en la figura 3.1.
22
Tiempo
Vol
taje
TT
E
EnvolventeExponencial - coseno
21
1
RE2
Figura 3.1 Envolvente TRV inicial
[ ]−= ω⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 6i b iE 2 I Z T 10 kV (3.3)
Donde:
� = 2·�·f = velocidad de la onda
I = corriente de falla en [kA]
Zb = 260 � = constante de impedancia
característica de barra
Ti = tiempo en alcanzar primer pico del TRV Ei en
[µs]
Voltaje nominal máximo[kV rms]
123 145 170 245 362 550 800
Tiempo primer pico de voltajeTi [µs]
0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1.0 1.1
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 Zeff 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:
L Se e e= + ( )L maxe d 1 M 2 3 E= ⋅ − ⋅ ⋅ ( )S L de 2 M t t= ⋅ ⋅ − (3.4)
L effR 2 M I Z= ⋅ω⋅ ⋅ ⋅ LL
L
et
R=
( )LG
LL LG
VI
X V I=
⋅λ +(3.5)
Donde:
d = factor pico constante = 1.6
e [kV] = valor del primer pico del TRV
Emax [kV] = voltaje máximo nominal
tL [µs] = tiempo en llegar al pico
IL [kA] = corriente de falla
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 = IL / 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.
Voltaje máximo nominal
[kV]
Corriente continua nominal
[A]
Fuerza estática horizontal Fuerza estática vertical
* Longitudinal
(N) Transversal
(N) Vertical (N)
menor a 100 1200 y menores
Mayores a 1200 A 500 750
400 500
500 750
123 a 170 2000 y menores Mayores a 2000
1000 1250
750 750
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 SLF2 y fallas terminales para interruptores de 100 kV o más,
mientras que la interrupción de fallas en líneas largas3 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.
( ) ( )c c Uc r pp af Uc
2U T% U T100 K U K K K
3= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (3.6)
Donde:
Ur = V = voltaje nominal del interruptor
Kpp = Kf = FPTC según Tabla 3.1
Kaf = Ka = Factor de amplitud transitorio según Tabla 3.1
Porcentajecapacidad
de interrupción
a
(Nota 1)
Multiplicadores para parámetros nominales
72.5 kV y menoresinteriores /
sistemas cable
72.5 kV y menoresexteriores /
sistemas línea 100 kV y mayores
Kuc Kt3 Kuc Kt3 Ku1 Kt1 Kuc Kt2 o Kt3
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
10 1.21 0.22 1.17 0.4 - - 1.17 / 1.26
(Nota 2) -
0.156 / 0.168 (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 Kuc es 1.17 para aplicaciones con kpp = 1.5 y 1.26 para aplicaciones con kpp = 1.3. NOTA 3. El multiplicador para Kt3 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
0.95
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
0 20 40 60 80 100
%
KUC, KU1
Kuc int/cables (sist � 72.5 kV) (Nota 2)
Kuc ext/líneas (sist � 72.5 kV) (Nota 1)
Ku1 (sist � 72.5 kV) (Nota 3)
Ku1 (sist � 72.5 kV, Kpp = 1.3)
Kuc (sist � 72.5 kV, Kpp = 1.5)
Figura 3.4 Porcentaje de capacidad de interrupción - Multiplicadores KUC y KU1 según Tabla 3.4.
Para interpolación según porcentaje de capacidad de interrupción [14]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40 60 80 100
Kt1, Kt2, Kt3
Kt3 int/cables (sist � 72.5 kV) (Nota 2)
Kt3 ext/líneas (sist � 72.5 kV) (Nota 1)
Kt1 (sist � 72.5 kV) (Nota 3)
Kt2 (sist � 72.5 kV, Kpp = 1.3) (Nota 3)
Kt2 (sist � 72.5 kV, Kpp = 1.5) (Nota 3)
Kt3 (sist � 72.5 kV, Kpp = 1.5)
Figura 3.5 Porcentaje de capacidad de interrupción - Multiplicadores Kt1, Kt2 y Kt3 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. Kt1, KU1 y Kt2 son aplicables a corrientes mayores al 30% de la capacidad de interrupción.
NOTA 4. Parámetros del TRV: UC (o U1) y t3 (o t1 o t2) se obtienen al multiplicar los valores dados
en ANSI C37.06 por los correspondientes multiplicadores KU y Kt
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.
Tiempo
Vo
ltaje 0.1 Isc
0.3 Isc
0.6 Isc
1.0 Isc
Sistemas mayores a 72.5 kV
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]
Tiempo
Vo
ltaje 0.3 Isc
0.1 Isc 1.0 Isc0.6 Isc
Sistemas de 72.5 kV o menores
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
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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 aparamenta4 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 [kV]
3.6 7.2 12 17.5 24 36 52 72.5 100 123 145 170 245
Series II [kV]
basado en la práctica actual de América del Norte 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 nominalUr
kV (valor r.m.s.)
Voltaje admisible nominal de corta duración a frecuencia de alimentación
Ud kV (valor r.m.s.)
Voltaje admisible nominal ante impulsos tipo rayo
Up kV (valor pico)
Valor común A través de la distancia
del aislamiento Valor común
A través de la distanciadel aislamiento
34
(1) (2) (3) (4) (5)
72.5 140 160 325 375
100 150 175 380 440
450 520
123 185 210 450 520
230 265 550 630
145 230 265 550 630
275 315 650 750
170 275 315 650 750
325 375 750 860
245
360 415 850 950
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 nominal
Ur
kV (valor r.m.s.)
Voltaje admisible nominal de corta
duración a frecuencia de alimentación
Ud kV (valor r.m.s.)
Voltaje admisible nominal de conmutación ante impulsos
Us kV (valor pico)
Voltaje admisible nominal ante impulsos tipo rayo
Up kV (valor pico)
Fase a tierra y entre fases
(nota 3)
A través de dispositivos
de conmutación
abierta y/o distancia de aislamiento
(nota 3)
Fase a tierra y a través de dispositivos
de conmutación
abierta
Entre fases
(notas 3 y 4)
A través de la distancia
del aislamiento
(notas 1, 2 y 3)
Fase a tierra y
entre fases
A través de dispositivos de conmutación abiertos y/o distancia de aislamiento
(notas 2 y 3) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
300 380 435 750 1 125
700 (+ 245) 950 950 (+ 170)
850 1 275 1 050 1 050 (+ 170)
362 450 520 850 1 275
800 (+ 295) 1 050 1 050 (+ 205)
950 1 425 1 175 1 175 (+ 205)
420 520 610 950 1 425
900 (+ 345) 1 300 1 300 (+ 240)
1 050 1 575 1 425 1 425 (+ 240)
550 620 800 1 050 1 680
900 (+ 450) 1 425 1 425 (+ 315)
1 175 1 760 1 550 1 550 (+ 315)
800 830 1 150 1 300 2 210
1 100 (+ 650) 1 800 1 800 (+ 455)
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
0.7 Ur 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 nominal
Ur
Voltaje admisible nominal de corta
Voltaje admisible nominal de conmutación ante impulsos
Us
Voltaje admisible nominal ante impulsos
tipo rayo
35
kV (valor r.m.s.)
duración a frecuencia de alimentación
Ud kV (valor r.m.s.)
kV (valor pico) UpkV (valor pico)
Fase a tierra y entre fases
(nota 3)
A través de dispositivos
de conmutación
abierta y/o distancia de aislamiento
(nota 3)
Fase a tierra y a través de dispositivos
de conmutación
abierta
Entre fases
(notas 3 y 4)
A través de la distancia
del aislamiento (notas 1, 2 y
3)
Fase a tierra y entre fases
A través de dispositivos de conmutación abiertos y/o distancia de aislamiento
(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 10n; 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
(ISC), 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 Ur, el factor
del primer polo o FPTC (First Pole To Clear Factor) kpp y el factor de amplitud kaf.
Donde:
U1[kV]= Primer voltaje de referencia
1 pp r
2U 0.75 k U
3= ⋅ ⋅ ⋅ (3.7)
t1[µs]= Tiempo en alcanzar U1, 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
c1
1 3
UUTCRV
t t= = (3.8)
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 kaf es igual a
1.4 para falla terminal y falla de línea corta, y 1.25 para condición fuera de fase.
c af pp r af 1
2U k k U k U
3= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ (3.9)
t2[µs]= Tiempo en alcanzar U2, para falla terminal y falla de línea corta es 4·t1,
mientras que para la condición fuera de fase está entre el valor de t2 y 2·t2 de falla
terminal
37
������
�
��
�
��
��
���
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 Uc en el caso de la representación de dos parámetros
���
������
� �
��
��
��
Figura 3.9 Representación TRV por una línea de referencia de dos parámetros y una línea de retardo. [11]
El tiempo de retardo td 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 c 3U t y
1 1U t según sea el caso para dos o cuatro
parámetros conjuntamente con el valor pico Uc 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.
Voltaje nominal
Ur [kV]
Tipo de prueba
Factor del
primer polo kpp
[p.u.]
Factor de
amplitud kaf
[p.u.]
Primer voltaje de referencia
U1
[kV]
Tiempo t1
[�s]
Valor pico del TRV Uc
[kV]
Tiempo t2
[�s]
Tiempo de
retardo td
[�s]
Voltaje U'
[kV]
Tiempo t'
[�s]
RRRVb
U1 / t1
[kV/�s]
100
Falla terminal
1.3 1.40 80 40 149 160 2 40 22 2
Falla de línea corta
1 1.40 61 31 114 124 2 31 17 2
Fuera de fase
2 1.25 122 80 204 160-320
2-8 61 48 1.54
123
Falla terminal
1.3 1.40 98 49 183 196 2 49 26 2
Falla de línea corta
1 1.40 75 38 141 152 2 38 21 2
Fuera de fase
2 1.25 151 98 251 196-392
2-10 75 59 1.54
145
Falla terminal
1.3 1.40 115 58 215 232 2 58 31 2
Falla de línea corta
1 1.40 89 44 166 176 2 44 24 2
39
Fuera de fase
2 1.25 178 116 296 232-464
2-12 89 70 1.54
170
Falla terminal
1.3 1.40 135 68 253 272 2 68 36 2
Falla de línea corta
1 1.40 104 52 194 208 2 52 28 2
Fuera de fase
2 1.25 208 136 347 272-544
2-14 104 81 1.54
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]
Factor del primer polo kpp
Multiplicadores
2do polo a despejar 3er polo a despejar
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]
Voltaje nominal Ur
[kV]
Factor de multiplicación para determinar U1 como función del valor r.m.s. de la
corriente de interrupción de cortocircuito Isc
*
f i
kV/ kA
Tiempo t i
[�s]
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 fi y ties:
f t Z 2i i i= ⋅ ⋅ ω ⋅
40
Donde:
2 f rω = ⋅ π ⋅ 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 tdL se presentan en la siguiente tabla.
41
Voltaje nominal
Ur [kV]
Número de conductores por
fase
Impedancia característica
Z[�]
Factor de pico
k
Factor RRRV s*
( )kV s kAµ� �
Tiempo de demora
tdL
[�s]
50 Hz 60 Hz
� 170 1 a 4 450 1.6 0.200 0.240 0.2
� 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] Ur V
100 kV o más 4 parámetros Exponencial-coseno
Factor de primer polo kpp kf
Factor de amplitud o Factor transitorio de amplitud
kaf ka
Primer voltaje de referencia para envolvente [kV]
U1
E1
para asíntota de componente (exponencial)
Tiempo en alcanzar primer voltaje [µs]
t1 t1
Voltaje pico del TRV [kV] UCE2
para componente (1-coseno)
42
Tiempo en alcanzar pico TRV [µs] (TRV 4 parámetros)
t2
t2
- para componente (1-coseno)- t2 = 1.138 × t3 o t3 = 0.88 × t2
para envolvente de 2 parámetros
Tasa de crecimiento TRV [kV/µs]
RRRV o U1 / t1
RRRV o R
Tiempo de retardo [µs] td td
Tiempo de referencia superior del tiempo de retardo [µs]
t’ tiempo en alcanzar U'
--
Voltaje de referencia superior del tiempo de retardo [kV]
U’ - U’ = UC/3 para
interruptores con voltaje nominal menor a 72.5 kV
- U’ = U1/2 para interruptores con voltaje nominal mayor a 72.5 kV
--
Tiempo en alcanzar valor pico TRV [µs]
t3- RRRV = UC/t3 en
envolvente de 2 parámetros
--
Voltaje transitorio del lado de la fuente, para falla de línea corta [kv]
UBD eS o VBD
Voltaje transitorio del lado de la línea, para falla de línea corta [kV]
UCD0 eL o VCD
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 – IEEE
ANSI C37.06
ANSI C37.06.1-2000
IEEE Std C37.04-1999
IEEE Std C37.010-1999 (R2005)
IEEE Std C37.011-2005
IEC
IEC 62271-100
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.
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
Caraguay 6972,251 kV1,047 p.u.8,786 deg
Caraguay 138144,745 kV1,049 p.u.10,363 deg
Esclusas 138144,910 kV1,050 p.u.10,652 deg
X_C_CARAGUAY
0,00 MW-13,16..
0,11 kA
98,79 deg
T_
AT
Q_
CA
R
86,23 MW4,88 Mvar36,60 %0,34 kA
7,12 deg-86,10..
-2,04 Mvar36,60 %0,69 kA-172,5..
C_CAR_UEG_4
39,48 MW7,15 Mvar
0,32 kA
-1,48 deg
C_CAR_UEG_3
31,65 MW5,91 Mvar
0,26 kA
-1,79 deg
C_CAR_UEG_1
14,98 MW2,13 Mvar
0,12 kA
0,68 deg
X_C_ESCLUSAS
-0,00 MW-33,08 Mvar
0,13 kA
100,65 deg
43,15 MW2,25 Mvar23,50 %0,17 kA7,67 deg
-43,11..-2,44 Mvar23,50 %0,17 kA-172,8..
43,15 MW2,25 Mvar23,50 %0,17 kA
7,67 deg
-43,11..-2,44 Mvar23,50 %0,17 kA-172,8..
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.
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
GEQ
ZEQ
SC1
UI
117.7L-1.03
V
117.7L-1.08 V
BTC1
LCC
BJC1LC
C
UI
BTLT
LCC
LT ES-CA
LC
C
BTLL1
LCC
BTLL2LCC
BTC0 BT2
BTTFHLCC BTTFBT3
TCAR
BC
T
AA
RTTCARCPAR
THTF
LC
C
TLTF
LC
C
BTLT2LCC
BT5
BTTFLLCC
TCUEG
LCC
29.86+j5.273
BTCG
I
TCUEG
BTUEGLCC
V
BT4
57.46L -3.1
V
BTC2LCC
I
C2
V
4.193
BTC2
I
V
V V
CPAR
I
V
RAM2
UI
11.07
I
ATQ CARAGUAY138/69/13.8 kV225 MVA
C212 MVAR
C130 MVAR
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 cortocircuito 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:
r
pp f
af a
U V 145 kVk k 1.3
k k 1.4
= == =
= =
SC SC1I I 31.5 kA
2 f 377 rads s
RRRV R 2 kV s
= =
ω = π =
= = µ
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:
= = × × =
= = µ
1 1 f
1 1
E U k V 2 3 115.43 kV
t E RRRV 57.72 s
= = × × × =
= × = µ
2 C f a
2 1
E U k k V 2 3 215.47 kV
t 4 t 230.86 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 Kt1, Kt2 y Kt3 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 = 115.432d = 1.6 t L = 8.3551 t 1 = 43.394 Zeff = 450 e S = 9.5327 U c = 208.349td = 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.
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.
Figura 4.4 Envolventes TRV nominales según normas IEC y ANSI/IEEE.
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
1,45 2,56 3,67 4,78 5,89 7,00[ms]-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250[kV]
ANSI/IEEE TRV en SC1 para falla trifásica terminal100%, 75%, 60%
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
1,45 1,65 1,85 2,05 2,25 2,45[ms]-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
[kV]
IEC - ANSI/IEEE TRV en SC1 para falla trifásica terminal
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.
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.
(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
0 4 8 12 16 20[ms]-250,0
-187,5
-125,0
-62,5
0,0
62,5
125,0
187,5
250,0
*103
TRV en SC1 - Operación de desconexión normal
50
Figura 4.6 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en condiciones normales del sistema
con descarga de C1.
Figura 4.7 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 3Ø.
(file APC_ESC_2015.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A c:RAM2A -SC1A
0 4 8 12 16 20[ms]-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
*103
TRV en SC1 fase A - Operación desconexión y descarga C1.
(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
0 2 4 6 8 10 12[ms]-150
-100
-50
0
50
100
150
*103
TRV en SC1 - Falla 3f
51
Figura 4.8 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 3Ø terminal.
Figura 4.9 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 1Ø fase A.
(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
0 4 8 12 16 20[ms]-150
-100
-50
0
50
100
150
*103
TRV en SC1 - Falla 3f terminal
(file APC_ESC_2015.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C c:RAM2A -SC1A
0 2 4 6 8 10 12[ms]-150
-100
-50
0
50
100
150
*103
TRV en SC1 fase A - Falla 1f
52
Figura 4.10 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 1Ø fase B.
Figura 4.11 Simulación TRV en SC1 por apertura interruptor en falla 1Ø fase C.
(file APC_ESC_2014_OPER.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C c:RAM2B -SC1B
0 2 4 6 8 10 12[ms]-150
-100
-50
0
50
100
150
*103
TRV en SC1 fase B - Falla 1f
(file APC_ESC_2014_OPER.pl4; x-var t) v:RAM2A -SC1A v:RAM2B -SC1B v:RAM2C -SC1C c:RAM2C -SC1C
0 2 4 6 8 10 12[ms]-150
-100
-50
0
50
100
150
*103
TRV en SC1 fase C - Falla 1f
53
Caso tdesc
ms tpico
ms TRVp
kV TCRVkV/��
TCRV NORMAS
kV/µs
Operación normal
Fase A 0.05 8.38 234.77 0.03
2.0 Fase B 5.58 13.96 234.63 0.03
Fase C 2.82 11.15 234.65 0.03
Falla 1Ø
Fase A 7.78 7.87 137.87 1.66
2.0 Fase B 5.01 5.09 140.96 1.72
Fase C 2.23 2.31 137.41 1.66
Falla 3Ø
Fase A 7.79 7.87 137.03 1.61
2.0 Fase B 4.69 4.77 127.76 1.54
Fase C 2.26 2.34 119.45 1.46
Falla 3Ø terminal
Fase A 7.72 7.81 137.73 1.62
2.0 Fase B 4.58 4.66 125.24 1.55
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
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Disjuntores». En: Transitórios elétricos e coordenação de isolamento:
Aplicação em sistemas de potencia de alta-tensão. Brasil: EDUFF (Editora
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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.
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Publication: Modeling and Analysis Transients Using Digital Programs.
Draft 2. IEEE PES Working Group 15.08.09, 2009. Pág. 75-98.
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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.
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Chichester, England: John Wiley & Sons Ltd., 2001. ISBN 0-471-48639-6
(Hardback); 0-470-84618-6 (Electronic). Pág. 15-119.
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ALBIZU, I.; EGUÍA, P.; TORRES, E.; VALVERDE, V.: Simulación de
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205-4808-1. Pág. 332-420.
57
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[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
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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 -
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[13] INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE
Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers. United
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[14] INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE
Application Guide for Transient Recovery Voltage for AC High-Voltage
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República Federal de Alemania, Berlin. SIEMENS AG Power
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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.
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Disponible en: <http://www.electropedia.org/>. Consultado el: 05 de abril
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IEEE. Disponible en: <http://www.ieee.org/about/index.html>. Consultado
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Consultado el: 15 de mayo de 2011.
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POWER & ENERGY SOCIETY. IEEE-PES. Home IEEE-PES. Disponible
en: <http://www.ieee-pes.org/>. Consultado el: 09 de mayo de 2014.
61
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 � (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 a traves de la distancia entre contactos abiertos entre los polos
275 kV 325 kV 325 kV
Voltaje de ensayo soportada a impulso tipo rayo respecto a tierra a traves de la distancia entre contactos abiertos entre los polos
650 kV 750 kV 750 kV
Distancia disruptiva en el aire respecto a tierra a traves de la distancia entre contactos abiertos entre los polos (Vease plano dimensional)
1250 mm 1400 mm
Distancia de fuga mínima a traves de los aisladoresrespecto a tierra a traves de la distancia entre contactos abiertos
3625 mm 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 bornes
según IEC 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
Equipo C1 Voltaje Nominal [kV]
138/79.67 Frecuencia [Hz] 60
Marca TRENCH BRASIL Salida total [kVAR]
30000 Reactor limitador de corriente [mH]
1.5
No de Serie
CEB13021N1204F1BZ BIL[kV] 750 Fluido Dieléctrico EDISOL VI
Seccionesserie
4 Bushing tipo
Porcelana Temperatura ambiente [°C]
-40/40
Elementos paralelo
12
Salida sección individual [kVAR]
625 Capacitancia [µF] 16.71
S/E CARAGUAY
Equipo C2 Voltaje Nominal [kV] 69/39.84 Frecuencia [Hz] 60
Seccionesserie 4 Salida total [kVAR] 12000 Capacitancia [µF] 13.37
Elementos paralelo 12
Salida sección individual [kVAR] 250 Bushing tipo Porcelana
AUTOTRANSFORMADORES
Equipo ATQ
(TCAR) Voltaje Nominal [kV]
138±2x25%/69±16x0.625%/13.8Frecuencia [Hz]
60
Marca CHINT
ELECTRIC CO LTD
Capacidad Nominal [kVA]
HV 135000/180000/225000 MV 135000/180000/225000
LV 45000/60000/75000
Pérdidas con carga medidas [kW] (445)
HV-MV(225MVA) 416.82
HV-LV(75MVA) 138.49
MV-LV(75) 148.68
Tipo Osfsz-
225000/138Enfriamiento ONAN/ONAF1/ONAF2
Impedancias de corto circuito
138/69(225MVA) 75% 2.60
69/13.8(75MVA) 6% 7.35
Fases 3 Tap H 1-5 Temperatura aceite / devanados [°K]
55 65 Conexión YNa0d1 LTC 1-17a/17b/17c-33
70
ANEXO C
VALORES CARACTERÍSTICOS DE EQUIPOS Y ELEMENTOS
IMPEDANCIAS CARACTERÍSTICAS TÍPICAS A 60 HZ [14]
Voltaje sistema [kV] Z0 [�] Z1a [�] Zeff
b [�]
Líneas aéreas
145 560 350 420
245 525 375 425
362 430c 280c 330c
550 430c 280c 330c
800 400c 265c 310c
Cables
72.5 Impedancia característica del cable depende del tipo de cable y configuración. Generalmente Z1 y Zeff
varían de 50 a 75 � con Z1 � Zeff
145
245
362
Barra colectora en SF6
Todos los voltajes 55 55
a Usado para fallas terminales trifásicas a tierra. b Usado para fallas de línea corta donde Zeff=(2Z1+Z0)/3 y Z0 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.