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
DIRECTOR: ING. LUIS RUALES CORRALES
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.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Adriana Elizabeth Porras Cabezas, bajo mi supervisión.
________________________ Ing. Luis Ruales Corrales DIRECTOR DEL PROYECTO
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.
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.
ÍNDICE
Declaración ... i Certificación ... ii Agradecimientos ... iii Dedicatoria ... iv Índice ... vÍndice 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
2.1.4 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
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
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
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
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
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
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.
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:
% dc 100 e
=
⋅
−t45 en base a la constante de tiempo 45 [ms]2 t sym % dc I I 1 2 100 § · = + ¨ ¸ © ¹ (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]
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.
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.
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
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]
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.
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.
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.
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
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.
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1. '(),1,&,Ï1<'(6&5,3&,Ï1'(3$5È0(7526
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
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
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]
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
después de la extinción definitiva del arco, como se muestra en la figura 2.4 para una mejor comprensión. [24]
Tiempo
HDUF
L
H 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]
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.
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.
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 Z FPTC 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 Zn =Rn + j Xn, si la falla está
relativamente lejos de los generadores de alimentación, las impedancias positivas
y negativas son iguales X1 = X2 = X, mientras que para la secuencia cero la
impedancia se convierte en Z0 = j X0 +3 Zn, que al reemplazar en la ecuación (2.1)
se obtiene:
(
)
(
)
n 0 n n 0 n 3R j X 3 X FPTC 3 j X 2 3R j X 3 X + + = ª º + ¬ + + ¼ (2.2)En el caso de neutro flotante (no puesto a tierra), el valor de la impedancia Zn = ∞
por lo que FPTC=1.5 y por el contrario, en sistemas sólidamente puestos a tierra
n
0 0 3 X FPTC 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.
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.
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.
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 C
I 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 ej2π3.
(
)
(
2)
(
2)
0 A B C 1 A B C 2 A B C 1 1 1 V 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 A 0 1 2 0 1 2 V V V V V I I I 3 Z = = = + + = (2.6)
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 2 V =I Z V =I Z +E V =I Z (2.7) A 0 1 2 V = 3 V = 3 V = 3 V (2.8) 0 0 0 1 1 1 1 2 2 2 3 V =I 3 Z 3 V =I 3 Z +3E 3 V =I 3 Z (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
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]
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]
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.
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
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 2 E K V 3 = ⋅ ⋅ (3.1) 2 a f 2 E 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
Tiempo V o lt a je T T E Envolvente Exponencial - coseno 2 1 1 R E2
Figura 3.1 Envolvente TRV inicial
[ ]
− = ω⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 6 i b i E 2 I Z T 10 kV (3.3) Donde: Ȧ = 2·ʌ·f = velocidad de la onda I = corriente de falla en [kA]Zb = 260 ȍ = 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 voltaje
Ti [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 S e = e +e
e
L= ⋅ −
d 1 M
(
)
⋅
2 3 E
⋅
max eS = ⋅ ⋅2 M t(
L−td)
(3.4) L eff R = 2⋅ ω⋅ ⋅ ⋅M I Z L L L e t R =(
)
LG L L LG V I 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 [ȍ] = 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
VLG [kV] = voltaje línea - tierra del sistema
Ȝ = 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
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.
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.
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
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 2 U 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
Porcentaje capacidad de interrupción a (Nota 1)
Multiplicadores para parámetros nominales 72.5 kV y menores interiores / sistemas cable 72.5 kV y menores exteriores / 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 Kuces 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
