FALLAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

FALLAS EN

SISTEMAS DE

DISTRIBUCIÓN

SISTEMAS DE PROTECCIÓN

Los sistemas de protección son un conjunto de elementos destinados a:

– Detectar

– Localizar FALLAS O ANOMALIAS EN EL SEP

– Evaluar

– Comunicar

– Despejar

– Informar

La detección de anomalías se realiza midiendo básicamente los siguientes parámetros:

- Corriente (mayor indicador de fallas)

- Tensión - Potencia

- Impedancia - Frecuencia

PERTURBACIONES EN EL SEP

SOBRECORRIENTES CORTOCIRCUITOS SOBRECARGAS (Detecta Temperatura) FALLAS SIMETRICAS Y ASIMETRICAS

ALTA CORRIENTE (KA) APARICION REPENTINA DURACION CORTA (50 – 250 ms) OPERACION NORMAL (125-130%In) APARICION GRADUAL DURACION LARGA (Varios minutos) TENSIONES ANORMALES SOBRETENSIONES TRANSITORIAS PERMANENTES CORTAS (Desc. Atmosfericas) LARGAS (Maniobras) (KHz - MHz) Cable de guarda Pararrayos Baja resistencia (us – ms) A FRECUENCIA INDUSTRIAL (s – min) Lineas largas (efecto ferranti) Fallas) Reles de sobretension

FRECUENCIAS ANORMALES

SOBREFRECUENCIAS

SUBFRECUENCIAS

•AUMENTO DE PERDIDAS– CALENTAMIENTOS •VIBRACION DE PALETAS DE GRUPOS TERMICOS •RELES DE SOBREFRECUENCIA

•DESBALANCE GENERACION Y CARGA •RELES DE MINIMA FRECUENCIA

(rechazo de carga)

OTROS

(COMBINACION)

• ARMÓNICOS, FLICKER, SAG, SWELL, NOTCHING

• INVERSION DE POTENCIA – ESPECIALMENTE PERJUDICIAL PARA GRUPOS TÉRMICOS

• CORRIENTES DE SECUENCIA NEGATIVA – FALLAS SERIE

• SOBREPRESIONES

• VIBRACIONES

• TENSIONES DE SECUENCIA HOMOPOLAR – CIRCUITOS EN DELTA ABIERTO

• VARIACION DE IMPEDANCIAS APARENTES – OSCILACIONES DE POTENCIA

Contenido

1. Origen de las fallas

2. Tipos de fallas,

simétricas y asimétricas 3. Teoría de componentes

simétricas

4. Calculo manual de Icc

5. Calculo computacional

de Icc

Las fallas en un SD tienen los siguientes origenes:

• Condiciones climáticas adversas • descargas atmosféricas • lluvia • nieve o granizo • hielo excesivo • neblina, viento • calor • Medio ambiente • contaminación • corrosión

• choque de materiales arrastrados por el viento. • incendio

• caída de los árboles sobre las redes

Origen de las fallas

AISLADOR HIBRIDOAISLADOR HIBRIDO

Contaminación industrial compuesta de partículas producto de las actividades industriales que arroja sobre los aisladores

• Actos de la naturaleza • inundación • movimiento telúrico • terremotos • Animales • aves • Roedores • Terceros • actos de vandalismo

• Propias de la red

– error de operación – sobrecargas

– instalación/construcción deficiente – falsa operación de los sistemas de

protección

– equipo/ diseño inadecuado – envejecimiento

– mal funcionamiento

– mantenimiento defectuoso

• Defecto de fabricación

Aisladores Con Botas Poliméricas Y Aisladores Extensores

Selección Del Seccionador De Potencia

Resumen Origen de las fallas

TIPO: CAUSADO POR:

Falla en el Errores y defectos de diseño aislamiento inapropiado, contaminación.

Origen eléctrico. Sobrecargas atmosféricas, maniobras internas, sobretensiones dinámicas. Origen Térmico. Sobrecorriente, sobretensión.

Factores Mecánicos. Esfuerzos por sobrecorriente, impacto

Clasificación de las fallas

• Por el tiempo de duración

• Transitorias

• Permanentes

• Por la forma

• Serie • Shunt

• Por la simetria de las ondas

• Simetricas

Fallas serie

• Ruptura física de uno o dos conductores de una línea de transmisión por accidente o una tormenta.

• Debido a corrientes de sobrecarga en una o dos fases, pueden operar los dispositivos de protección.

• Falla en los polos del interruptor al efectuar una operación monofásica.

•Trifasica a tierra •Trifasica sin

contacto a tierra

Falla trifásica diagrama vectorial

a b c

falla bifásica sin contacto a tierra

Falla bifásica diagrama vectorial

a b c

Falla bifásica con contacto a tierra

a b c

Falla bifásica a tierra diagrama vectorial

Falla

monofasica

con contacto a

tierra a

b c

Falla monofásica diagrama

vectorial

Sistema con neutro aislado

En condición normal

En condición de falla

• Para SD – Monofásicas 70 % – Bifásicas 7% – Bifásicas –t 20% – Trifásicas 3% Total 100%

• Ubicación de las fallas – Redes 85%

– Barras y transformador 15%

Estadística de fallas shunt

Nota:

• Del total de fallas a tierra el 60% es transitoria y el 30% permanente (5% caída de línea)

• Su valor inicial depende en que parte de la onda de tensión ocurre el cortocircuito y su amortiguamiento es tanto más rápido cuanto mayor sea la relación R/L.

Fallas simétricas y asimétricas

• La Icc tiene dos componentes, una alterna (Ia) y otra continua (Ic).

• Icc=Ia+Ic

• Es el caso más frecuente. La componente AC se mantiene y la DC se amortigua.

• Se aprecia los dos casos extremos.

Coeficiente “K”

96899 , 0 022 , 1 0301 , 3           e K X R

Reactancia subtransitoria

Componente unidireccional Reactancia permanente

Métodos

• Fallas simétricas; Icc 3f

• Fallas asimétricas; Icc1f, Icc2f, fallas serie

• Consideraciones para

el calculo Iccmax

• Todo los generadores en servicio • Impedancia de falla igual a cero • Debe ser Icc3f y Icc2f

• Máxima demanda • Se considera impedancias subtransitorias Calculo de la corriente de cortocircuito • Consideraciones para el calculo Iccmin

• Mínimo numero de generadores en servicio

• Se considera impedancia de falla • Debe ser Icc2f y Icc1f

• Mínima demanda

• Se considera impedancias transitorias

• En general en los SD

• Se omiten las corrientes de carga

• La tensión prefalla pueden ser iguales en toda el SD

• Se omiten las resistencias ,

capacitancias de carga, y los taps no nominales, ya que la influencia no es significante.

Datos necesarios

• En el punto de entrega se requiere, Scc, Upf y Angulo • Si no hay Scc, se considera al

transformador de impedancia infinita.

• Se debe conocer las

resistencias y reactancias de los conductores.

Icc trifásico simétrico

Zs.sen Xs Zs.cos Rs Scc Upf . 3 3 . 3 2 2 2         Zs X R Upf f Icc Upf Scc Iccs   In Ucc Icct Ucc Snt Scct . (%) 1 (%)   R1,X1 L1(km) R2,X2 L2(km) Scc(MVA) Upf(kV) Angulo Sn Ucc(%), U1/U2

Parámetros de líneas y cables

CUADRO Nº 1

PARAMETROS ELECTRICOS DE LINEAS AEREAS Y CABLES SUBTERRANEOS DE MEDIA TENSION CABLE SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)

(16) 1,3258 0,144 5,77E-05 (35) 0,6033 0.177 7,13E-05 NKY (70) 0,3122 0,109 8,71E-05 (120) 0,1758 0,102 1,01E-04 (240) 0,0856 0,096 1,21E-04 (25) 0.9290 0,216 5,32E-05 0,1816 N2XSY (120) 0.1960 0,175 0,2789 (240) 0.1000 0,1587 0,3145

LINEA SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km) (33) 0,8398 0,4526661 3,6786E-06 (67) 0,5912 0,420495 3,97703E-06 Aluminio (70) 0,5834 0,4176 3,97703E-06 (120) 0,3226 0,41262 4,24091E-06 (125) 0,2979 0,3925986 4,24091E-06 (13) 1,6164 0,4876382 3,40097E-06 (16) 1,3488 0,47204 3,4509E-06 (21) 1,0168 0,4701502 3,53436E-06 Cobre (33) 0,6398 0,4526661 3,6786E-06 (35) 0,6156 0,44237 3,7426E-06 (42) 0,5072 0,4439213 3,75526E-06

Aplicación 1

Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f en la derivación 0434T

Tarea 1

Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f y Icc2f en la SE 981.

Sistema r_L + j x_L 2768.1 A 60 kV

A

B

60/10 KV 14 MVA (17,5 M VA) 8,16% MVA MVA S S S S u S S S B CC B CC B CC B CC CC T A CC B CC 47 , 107 47 , 107 10 3048 , 9 1 10 8286 , 5 10 476 , 3 1 0816 , 0 14 1 67 , 287 1 1 1 1 1 3 3 3                      

1,0 0º p.u.

A

B

x_S (p.u.) x_T (p.u.) A I i I A KV MVA U S I u p z u i j x x z u p j x j S S u x u p j j S S j x KV V MVA S B CC CC II B B B CC CC T CC T N B CC T CC B I B B 5 , 5773 0747 , 1 5 , 5773 10 3 100 3 . . 0747 , 1 9305 , 0 0 , 1 9305 , 0 . . 58286 , 0 14 100 0816 , 0 : ador transform del Impedancia . . 347 , 0 67 , 287 100 : fuente la de Impedancia 60 100 S S                                       

MÉTODO EN p.u.

Cálculo de fallas asimétricas

• En algunas aplicaciones es necesario realizar cálculos de cortocircuitos desequilibrados (bifásico y

monofásico).

• Son las fallas de mayor probabilidad de ocurrencia. • Para este cálculo se emplea el método de las

Componentes Simétricas.

• Nota .- para el cálculo de cortocircuitos, se suele despreciar las corrientes de carga del sistema.

• El análisis de un SD balanceado se efectúa utilizando sus equivalentes de monofásicos o unitarios.

• Si el SD es desbalanceado o asimetrico (por fallas) resulta complicado

• En el año 1918, el Doctor Charles F. Fortescue publicó su trabajo "Method of Symmetrical Coordinates Applied to the Solution of Poliphase Network", con lo cual se inicio los estudios de los sistemas eléctricos en

situaciones de fallas asimétricas o desbalanceadas,

Teoría de componentes simétricas

(+)

(-)

(0)

“Fortescue” Propuso que un sistema trifásico desbalanceado puede descomponerse en tres sistemas de vectores balanceados llamados componentes secuencia positiva , negativa y cero.

V_R V_S V_T V_T1 V_R1 V_S1 V_T0 V_T2 V_R2 V_R0 V_S2 V_S0

Secuencia positiva Secuencia negativa Secuencia

Teoría de componentes simétricas

R1 S1 T1 120° 120° 120° El operador a es un vector de magnitud la unidad y argumento 120° a =1 120° se cumple lo siguiente: S₁ = a2 _R 1 T₁ = a R₁

R2 T2 S2 120° 120° 120° Asimismo se cumple: S₂ = a R₂ T₂ = a2 R₂

R o So To

3 R o = 3 So = 3 To

Los tres vectores homopolares o de secuencia cero, son iguales en

magnitud, dirección, y sentido.

• Un sistema eléctrico asimétrico, puede

ser descompuesto en tres sistemas de

simétricos diferentes e independientes

(positiva, negativa y cero).

2

1

2

1

2

aV

V

a

Vo

VS

V

V

Vo

VR



















Valores reales en función de la secuencia

2

1

2

1

2

aI

I

a

Io

IS

I

I

Io

IR



















• Se demuestra que : 3 2 3 1 3 2 2 aIT IS a IR Ir IT a aIS IR Ir IT IS IR Ito Iso Iro           

Valores de secuencia en función de la real ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 2 aIt Is a Ir I It a aIs Ir I It Is Ir Io                      ) ( 1 2 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 2 aVt Vs a Vr V Vt a aVs Vr V Vt Vs Vr Vo                     

Comentario

• Las componentes de secuencia positiva, están presentes en cualquier condición (balanceada o desbalanceada, simétricos y asimétricos).

• Las componentes de secuencia negativa, por tener secuencia diferente a las positivas, rompen el equilibrio establecido por el sistema positivo.

• En otras palabras, cualquier desequilibrio

introduce componentes de secuencia

• Las componentes homopolares o de secuencia cero, sólo pueden aparecer cuando el sistema trifásico

tenga una resultante (I_R + I_S + I_T >0 ).

Para que un red trifásica tenga resultante es preciso que dicha red tenga, al menos un punto a tierra.

Por ejemplo:

Una falla monofásica a tierra. Una falla bifásica a tierra.

Las aperturas de fase o las cargas desequilibradas

solamente producirán componente homopolar cuando exista un segundo punto de contacto a tierra.

Redes de secuencia +

• Reemplazar las impedancias de secuencia positiva en el sistema eléctrico en estudio, luego determinar el circuito Thévenin equivalente (

Red monofásica activa,

con impedancias

directas

) en el punto de

Z₁

E Ua1

Ia₁

Red de secuencia positiva ( 1 )

+

-• Reemplazar las

impedancias de secuencia negativa y anular las

fuentes de tensión

existentes. De igual modo se determina la red de

secuencia negativa (

Red

monofásica pasiva, con

impedancias inversas

) en el punto de falla. Z₂ Ua₂ Ia₂ Red de secuencia negativa ( 2 ) +

-Redes de secuencia -

• Asimismo se determina la red de secuencia

cero (

Red monofásica

pasiva, con

impedancias

homopolares

, reemplazando las impedancias de secuencia cero) en el punto de falla. Z₀ Ua₀ Ia₀

Red de secuencia cero ( 0 )

+

Generadores

E_R I_R1 Z₁ U_R1

+

-I_R2 Z₂ U_R2

+

-Red de secuencia positiva (1) o (+) Red de secuencia negativa (2) o (-)

Z_N R X_O X_O X_O 3Z_N X_O 3Z_N Z_N=X_T + a2 R a:1 X_O

Generadores

Transformadores

Transformador de 3 devanados X_T Transformador de 2 devanados P T S Z_P Z_S Z_T

Transformadores de 3 devanados

2

2

2

PS ST PT T PT ST PS S ST PT PS P

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X



















P S T

Red de

secuencia

cero para los transformado res según su conexión.

Red de secuencia cero para los transformadores según su conexión.

Transformador de puesta a tierra

(zig-zag) X_T X_T 3R Red de secuencia positiva y negativa Red de secuencia cero

 FALLAS TRANSVERSALES Z₂ Ia0 Z₁ Z₀ Ia1 Ia2 3Z_f Vth Va1 Va2 Va0 Z₂ Z₁ Ia1 Vth Va1 Va2 Ia2 Z_f

Zf

Z

Z

Z

Uth

I

3

0 2 1 0









f f f

Z

Z

Z

Uth

I

I











2 1 2 1 Circuitos de secuencia

 FALLAS TRANSVERSALES

Z₂

Ia0

 FALLA BIFASICA A TIERRA  FALLAS TRIFASICA

Z₁ Z₀ Ia1 _Ia2 3Z_f Vth Va1 Va0 Z₁ Ia1 Vth Va1 Va2 Z1 3 Uth 3k  I Circuitos de secuencia

Conexión entre las redes de secuencia correspondiente a varios tipos de cortocircuitos en una red trifasica

30 30 30 30 30 b c d a a b c d a b c d (0) (0) (0) (0) (-) (-) (-) (-) (+) (+) (+) (+)

CONEXION ENTRE LAS REDES DE SECUENCIA CORRESPONDIENTE A VARIOS TIPOS DE CORTOCIRCUITO EN UNA RED TRIFASICA.

Tensiones homopolares

• Para poder efectuar

la detección de las tensiones homopolares simplemente hay que reproducir la ecuación matemática en un

circuito eléctrico, tal como se muestra a continuación:

Corriente homopolar

• De igual manera,

para la detección

de la corriente

homopolar hay que

reproducir la

ecuación

matemática en un circuito eléctrico.

• Sin embargo debido a que la corriente

homopolar es muy pequeña en

comparación de la corriente del

alimentador y si la detección de la corriente se efectúa a través de la suma de tres transformadores de corriente, es posible que el resultado del filtro homopolar sea una corriente debido a la diferencia de corrientes de excitación que

daría como resultado operaciones

incorrectas.

R I_R I_S I_T Io = ( I_R + I_S + I_T ) / 3 I_R Ir Iex Ir - Iex

Irele = ( Ir - Iexr ) + ( Is - Iexs ) + ( It - Iext ) Irele = ( Ir + Is + It ) - ( Iexr + Iexs + Iext )

- si el sistema no tiene falla a tierra

Relé

luego la corriente en el relé es :

• Para solucionar este problema debemos efectuar la suma de las tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético, lo cual da como resultado una corriente en el secundario del transformador siempre y cuando exista corriente homopolar en el sistema primario. Para poder introducir las tres fases dentro de un núcleo magnético la única forma es que el electroducto sea un cable.

I_R I_S I_T

Ir + Is + It

Iex I rele

Para solucionar este inconveniente es preferible sumar las tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético

-

Vector

-

Aplicación de fallas asimétricas

-

Calculo automático

-

Calculo automatico1

-

Calculo automático 2

-

Calculo de fallas con software