Selección de DPS para un sistema de potencia

Texto completo

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Trabajo sobre selección de DPS.

Curso.

Alto Voltaje.

Por:

Diego Hernández mejía.

C.C 1055830474

Docente:

Clara Rosa Rojo Ceballos.

Universidad Nacional de Colombia

Sede Medellín

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Se presenta el diagrama unifilar para el trabajo de selección de DPS.

Figura1. Diagrama unifilar del sistema. Sistema eléctrico:

LINEA: 12 Km longitud, R1=0.7 ohm/Km X1=0,7 ohm/km X0=1.2 ohm/km SISTEMA 1: 1100 MVA 110kV SISTEMA 2: 2100 MVA 210kV T1: 230KV/115KV/34.5KV XHL=0.10 (230KV-181MVA) (3Φ) XHT=0.06 (34.5KV-61MVA) XLT=0.04 (34.5KV-61MVA) T2: 3Φ 31MVA 34.5KV/10KV XT =0.10

CARGA: 10 MVARS tipo inductivo conectada en delta

Puntos de falla demarcados en la figura 1. Voltajes máximos 245 kV, 123kV, 36.5 kV. Y aterrizado X=2j Y aterrizado Y aterrizad o DELTA CARG A S2 S1 DELT A LINEA

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SOLUCION.

1. Las bases seleccionadas para el sistema son Vbase=210kV y MVA base=2100 Ahora procedemos a pasar por unidad el sistema.

Las zonas del sistema se demarcan en la figura 2.

Figura 1 Zonas del sistema

Ahora se procede a calcular las cantidades base del sistema del cual se han identificado 5 zonas como se muestra en la figura 2. El voltaje base se encuentra en la zona I los demás voltajes se calculan teniendo en cuenta la relación de transformación del trafo tridevanado T1 y del trafo T2, se usan las expresiones [1] y [2]

Zb=Vb 2 Sb [1] Ib= Sb 2

3 Vb [2]

Los resultados son mostrados en la tabla 1.

ZONAS BASES3ø (MVA) VLL B (KV) (kA)I B Z B (Ω) I 2100 105 11.55 5.25 II 2100 210 5.77 21 III 2100 31.5 38.49 0.473

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IV 2100 10.04 121.24 0.0476

Se continúa con el proceso esta vez corrigiendo la impedancia en por unidad:

 Impedancia total línea:

¿12∗0.7 (1+ j)=8.48(1+ j)ohm

Por unidad

Xp . u.Linea=

8.48(1+ j)

0.473 =17.756(1+ j)

 La impedancia por unidad del sistema 1:

Xp . u.S 1=Vb fab 2 Sb fab 1 Zb Nuevo= 1102 1100 1 5.25=2.095

 La impedancia por unidad del sistema 2:

Xp . u.S 1=Vb fab 2 Sb fab 1 Zb Nuevo = 2102 2100∗1 21 =1

 Impedancia por unidad del transformador 1:

ZH=1

2

(

ZHL+ZHTZ¿

)

[3]

ZT=12

(

ZHT+Z¿−ZHL

)

[4 ]

ZL=1

2

(

Z¿+ZHLZHT

)

[5]

(5)

Xp . u.Nuevo=Xp .u .fabVbfab 2 Sbfab 1 ZbNuevo[6] Xp . u.HL=0.1 2302 181 1 21=1.39 Xp . u.HT=0.062302 61 = 1 21=2.48 Xp . u.¿=0.04 34.52 61 ∗1 1.65 =1.65

Resolviendo las ecuaciones 3 a 5 se tiene que: Xp . u.H=1.11 Xp .u .L=0.28 Xp . u .T=1.37

 Impedancia por unidad del transformador 2:

Xp . u.T 2=0.1034.5 2 31

1

0.4725=8.13

 Impedancia por unidad de la carga:

Xp . u.carga=11 2 10

1

0.048=252.08

 Fuente para el sistema 1

Xp . u.V 1= Voltaje fuente Voltajebase zona=

110 105=1.05

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Falla 1 Falla 2 Xp . u.V 2= Voltaje fuente

Voltajebase zona= 210 210=1

Luego el SEP queda definido por las cantidades por unidad como lo muestra la figura 3.

+ 1 angulo 0 1 j 1.11 j 0.28 j 17.78 j 8.13 j 1. 37 j 2.09 j + 1.04 angulo 0 17.78 25 2. 08 j

Figura 2. Sistema por unidad.

2. Redes de secuencia.

Las redes de secuencia permiten obtener las componentes simétricas de los voltajes y corrientes en condición de falla, Para calcular el factor de aterrizamiento es necesario simplificar las redes de secuencia. Esta simplificación se hace por medio de herramientas circuitales como por ejemplo transformación de fuentes, transformaciones delta- estrella, etc. para finalmente llegar a las redes que se presentan continuación.

Se muestran las secuencias respectivas para la falla 1:

+ 1 angulo 0 1 j 1.11 j 0.28 j 17.78 j 8.13 j 1. 37 j 2.09 j + 1.04 angulo 0 17.78 25 2. 08 j Figura 3. Falla 1

(7)

 Secuencia positiva: + 1 angulo 0 2.11 j 2.37 j 280 j 1 .3 7 j + 1.04 angulo 0 17.71 + 1 angulo 0 2.47 j Falla 1 Va+

Figura 4. Simplificacion de secuancia positiva.

 Secuencia negativa: 2.11 j 2.37 j 280 j 1 .3 7 j R1 2.47 j Falla 1

Va-Figura 5 Simplificacion de secuencia negativa.

 Secuencia cero:

(8)

17.78 j 17.78 8.13 j 2 52 .0 8 j 1 9. 0 5 j 57 .6 4 j FALLA 1 Va0

Figura 6. Impedancia de secuancia cero.

3. Para calcular el factor de aterrizamiento en el punto de falla se deben conectar en serie las tres redes de secuencia simplificadas para determinar Ia0.

I0a= 1

(9)

+ 1 angulo 0 2.47 j 2.47 j 57 .6 4 j Va+ Va-Va0 + -+ -+ -Ia0

Figura 7. Circuito para determinar Ia0.

La corriente de falla IA se calcula con la siguiente expresión:

IA=3 Ia0=0.0479⦟−90

Para calcular Va1, Va2 y Va0:

Va 1 =1−Ia 0 Z1 Va 2 =−Ia 0 Z2 Va 0 =−Ia 0 Z0

Reemplazando en las ecuaciones:

Va

1

=0.960

(10)

Va0=−0.921

Los volatjes reales en la falla monofasica son:

VaF=Va0+Va1+Va0=−0.00000176 ≈ 0

VbF=Va0+a2Va1+a Va2=(1.63⦟−147.9)

VaF=0

Finalmente el factor de aterrizamiento se calcula con la expresión:

FA=Vfase sana durante la falla V prefalla [7 ]

FA=

|

0.4622−0.866 j 0.96

|

=1.7

4. Selección de DPS

Voltaje maximo de 36.5kV

Del enunciado del trabajo tenemos que las tensiones nominales del sistema son: Vn 1=34.5 kV VMáx 1=36 kV

Tensión máxima de operación continúa (por fase).

MCOV =VMáx

3 =20.78 kV

Sobre Voltaje temporal:

TOV =FAMCOV [8]

Donde FA es el factor de aterrizamiento y MCOV se calculo en el item anterior, reemplazando 8 obtenemos:

(11)

Voltajes nominales tentativos para el DPS: VR 1=MCOV FT 1 [9] VR 2= TOV FT 2 [10] Donde:

FT 1 es 0.8 que es un valor normalmente encontrado en el proceso de selección de DPS.

FT 2 es 1.06, para un tiempo de diseño de descarga de 10seg.

VR 1=25.98 kV VR 2=33.33 kV

Se selecciona VR 2 como voltaje de diseño, ya que VR 2>VR 1

Factor de tolerancia: Ya que la tensión del sistema es superior a 30 kV el factor de tolerancia será del 105% del voltaje nominal de diseño.

Vr=1.05∗VR 2 [11]

Vr=35 kV

En el catalogo de ABB se selecciona un DPS acorde al nivel de tension, la figura 8 muestra la selección.

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Figura 8. Caracteristicas de DPS para nivel de tension de tension de 36.5kV

Para un impulso de 10kA, 8/20μs el NPR= 93.3kV. Para un impulso de 0.5kA, 30/60μs el NPM= 74.1kV.

BIL y BSL.

Se calcula el mínimo valor para impulsos tipo rayo; definido como:

BIL=KrNPR[12]

Donde el factor Kr=1.25 (factor de seguridad); con lo que se obtiene una

tensión de 116.625 kV

Para normalizar estos valores, nos remitimos a los valores de niveles de aislamiento fase tierra normalizados.

BILNorm=145

Para el BSL utilizamos la ecuacion 13:

(13)

Con Km =0.83, para equipos sumergidos en aceite (Transformador

tridevanado).

BSL=120.35 kV

Ahora, con estos datos checamos que se cumpla la relación:

BSL NPM>1.2 BSL NPM= 120.35 74.1 =1.624>1.15

Con esto comprobamos que nuestros DPS seleccionados cumplen.

Voltaje maximo de 123 kV Vn 1=115kV VMáx 1=123 kV MCOV =VMáx

3 =71.01 kV TOV =FAMCOV =120.72kV VR 1=MCOV FT 1 = 71.01 0.8 =88.77 kV VR 2=TOV FT 2 = 120.72 1.06 =113.89kV Vr=1.05∗VR 2 Vr=119.6kV

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En el catalogo de ABB se selecciona un DPS acorde al nivel de tension, la figura 8 muestra la selección.

Figura 9. Caracteristicas de DPS para nivel de tension de tension de 123kV

Para un impulso de 10kA, 8/20μs el NPR= 273kV. Para un impulso de 0.5kA, 30/60μs el NPM= 234kV.

BIL=KrNPR=341.25 kV Kr=1.25 BILNorm=450 BSL=KmBIL=373.5 Km =0.83 BSL NPM>1.2 BSL NPM= 373.5 234 =1.59>1.15  Voltaje maximo de 245kV

(15)

Vn 1=230 kV VMáx 1=245 kV MCOV =VMáx

3 =141.45 kV TOV =FAMCOV =240.47 kV VR 1=MCOV FT 1 = 141.45 0.8 =176.81 kV VR 2=TOV FT 2 = 240.47 1.06 =226.86 kV Vr=1.05∗VR 2 Vr=238.20 kV

Figura 10. Caracteristicas de DPS para nivel de tension de tension de 245kV

Para un impulso de 10kA, 8/20μs el NPR= 536kV. Para un impulso de 0.5kA, 30/60μs el NPM= 438kV.

(16)

BIL=KrNPR=670 kV Kr=1.25 BILNorm=650 BSL=KmBIL=556.1 Km =0.83 BSL NPM>1.2 BSL NPM= 556.1 438 =1.27>1.15 5. DPS 36KV

Brief performance data System voltages (Um) 24 - 170 kV

Rated voltages (Ur) 18 - 144 kV

Nominal discharge current

(IEC) 10 kA

peak

Discharge current withstand strength:

High current 4/10 μs Low current 2 000 μs

100 kApeak600 Apeak

Energy capability: Line discharge class (IEC) [2 impulses, (IEC Cl. 8.5.5) Fulfils/exceeds requirements of ANSI transmission-line discharge test for 170 kV systems. Class 2 5.1 kJ/kV (Ur)] Short-circuit/Pressure relief capability 50 kA sym

External insulation Fulfils/exceeds standards Mechanical strength:

Specified long-term load (SLL) Specified short-term load (SSL)

1 000 Nm 1 600 Nm Service conditions: Ambient temperature Design altitude Frequency -50 °C to +45 °C max. 1 000 m 15 - 62 Hz 123kV

Brief performance data

Figura 11. DPS para 36 kV

(17)

System voltages (Um) 52 - 420 kV

Rated voltages (Ur) 42 - 360 kV

Nominal discharge current

(IEC) 20 kA

peak

Classifying current (ANSI/IEEE) 15 kApeak

Discharge current withstand strength:

High current 4/10 μs Low current 2 000 μs

100 kApeak1 500 Apeak

Energy capability: Line discharge class (IEC) [2 impulses, (IEC Cl. 8.5.5) Fulfils/exceeds requirements of ANSI transmission-line discharge test for 362 kV systems. Class 4 12.0 kJ/kV (Ur)] Short-circuit/Pressure relief capability 65 kA sym

External insulation Fulfils/exceeds standards Mechanical strength:

Specified long-term load (SLL) Specified short-term load (SSL)

2 500 Nm 4 000 Nm Service conditions: Ambient temperature Design altitude Frequency -50 °C to +45 °C max. 1 000 m 15 - 62 Hz 245kV

Brief performance data

System voltages (Um) 52 - 420 kV

Rated voltages (Ur) 42 - 360 kV

Nominal discharge current

(IEC) 10 kA

peak

Classifying current (ANSI/IEEE) 10 kApeak

Discharge current withstand strength:

High current 4/10 μs Low current 2 000 μs

100 kApeak1 000 Apeak

Energy capability: Line discharge class (IEC) [2 impulses, (IEC Cl. 8.5.5) Fulfils/exceeds requirements of ANSI transmission-line discharge test for 170 kV systems. Class 3 7.8 kJ/kV (Ur)] Short-circuit/Pressure relief capability 50 kAsym

External insulation Fulfils/exceeds standards Mechanical strength:

Specified long-term load (SLL) Specified short-term load (SSL)

2 500 Nm 4 000 Nm Service conditions: Ambient temperature Design altitude Frequency -50 °C to +45 °C max. 1 000 m 15 - 62 Hz Bibliografia. Figura 12. DPS para 123 kV Figura 13. DPS para 245 kV

(18)

Catalogos de ABB, “High Voltage Surge Arresters Buyer´s Guide”. Software TEXAS INSTRUMENTS. “Tina”.

Figure

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Referencias

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