5- sobretensiones

Sobre voltajes

en Sistemas de Transmisión

Aislación de una línea aérea

• Formada por: • Aisladores• Espacios de aire

• Características:• Externa• Auto regenerativa

Dimensionamiento de la aislación de una línea aérea

Dg : separación entre conductor y cable de guardia

Dc : separación entre conductores

Lf : línea de fuga de aisladores

Dm : separación entre conductor y masa

Conceptos básicos relativos a sobretensiones

• Tensión nominal de servicio VN

• Tensión de servicio V

• Tensión máxima del sistema UM sistema

• Tensión máxima del equipo UM equipo

• Referencia para sobre tensiones p.u. : UM equipo(2 / 3)

– Sobretensión entre fases en p.u. ___Vff___

UMequipo2

– Sobretensión fase tierra en p.u. ___Vff__ 3

UMequipo 2

• Sobretensión estadística

– Permanentes de frecuencia industrial– Temporarias

• De frecuencia industrial

• De frecuencias armónicas o sub armónicas

– Transitorias

– Combinadas

Clasificación de sobre tensiones IEC-71 (desde ´93)

Efecto FerrantiDesconexión brusca de cargaPuesta a tierra de una fase

Resonancia eléctricaFerroresonancia

De frente lentoDe frente rápidoDe frente muy rápido

Formas de onda y características típicas de sobretensiones

Sobre tensiones temporarias de frecuencia industrialEfecto Ferranti ( Energización de línea larga en vacío)

Factor de sobretensión

Extremo emisor

Factor de sobretensión

Extremo receptor

En líneas sin compensación:

En sistemas con alto nivel de cortocircuito: kft 1,1

En sistemas con bajo nivel de cortocircuito: kff 1,20

Factores de sobretensión para diferentes grados de compensación en una línea de transmisión

Sobre tensiones temporarias de frecuencia industrialEfecto Ferranti

Sobre tensiones temporarias de frecuencia industrialDesconexión brusca de carga (rechazo de carga)

Sistema con carga inductiva:

E > VG > VR

Sistema sin carga

E < VG < VR

Rechazo de carga sobre un sistema

Rechazo de carga sobre un sistema

Duración: 0,5 segundos hasta 10 segundos

Factor de sobretensión

Rechazo de carga sobre unidades Generador - Transformador

En el caso de turbo-generadores

(cos =0,8) K1 = 1,1 ÷ 1,4

En el caso de hidro-generadores

(cos =0,0 a 1,0) K1 = 1,15 ÷ 1,5

Factor de sobretensión:

Sobre tensiones temporarias de frecuencia industrial

Puesta a tierra de una fase (falla monofásica a tierra)

Neutro sólidamente a tierra

Kft =1,0 si x0 = x1

Duración menor que 1,0 seg

Neutro aislado de tierra

Kft = 3 si x0 =

Duración

- sistema con despeje de falla : 1 – 4 seg

- sistema sin despeje de falla : horas

Factor de sobretensión

T

TT

cb ZZZZ

ZZZjZZVV

3

)32()3(3

2

3

210

200

,

ZT = ZN + RF +

RM

Sobre tensiones temporarias de frecuencia industrial Falla monofásica a tierra

Factor de Sobre- tensión en el punto de falla

Sistema efectivamente puesto a tierra

R0/X1 1 y X0/X1 3

Z0= R0 + j X0

Z1 = Z2 = j X1

Sobre tensiones temporarias de frecuencia industrialFalla bifásica a tierra

• Sistema puesto a tierra: kft =1,0

• Sistema aislado de tierra:kft =1,5

K f t

Apertura de fallaSobretensión debido a voltaje de recuperación:

–kft =1,73 para–Apertura del primer polo de falla bifásica–Apertura del segundo polo de falla trifásica

–kft =1,50 para–Apertura del primer polo en falla trifásico no a tierra–Apertura del primer polo en falla trifásico a tierra en sistema aislado

Sobre tensiones temporarias de frecuencias armónicas o sub armónicasResonancia eléctrica

A) Energización de grandes transformadores

Condición para la ocurrencia de sobrevoltajes:

k1~ 2 a 3

Sobre tensiones temporarias de frecuencias armónicas o sub armónicasResonancia eléctrica

A-1) Resonancia eléctrica en transformador en vacío

Sobre tensiones temporarias de frecuencias armónicas o sub armónicasResonancia eléctrica

A-2) Resonancia eléctrica en transformador con carga

f0 = 1/LTC

Sobre tensiones temporarias de frecuencias armónicas o sub armónicas

Ferroresonancia

Sobre tensiones temporarias de frecuencias armónicas o sub armónicas

Ferroresonancia

Sobre tensiones temporarias de frecuencias armónicas o sub armónicas

Ferroresonancia en transformador en vacío

Sobre tensiones temporarias de frecuencias armónicas o sub armónicas

Ferroresonancia

Sobre tensiones de maniobra

Voltaje de Restablecimiento de Arco (Reencendido)

Sobre tensiones de maniobraInfluencia de régimen de neutro en Voltaje de Reencendido

Neutro directo a tierra Voltaje en bornes de interruptor

Neutro a tierra por resistencia Voltaje en bornes de interruptor

Voltaje en bornes de resistencia

Sobre tensiones de maniobraInfluencia de régimen de neutro en Voltaje de Reencendido

Neutro a tierra por reactancia Voltaje en bornes de interruptor

Voltaje en bornes de reactancia

Sobre tensiones de maniobra

Interrupción de Corrientes Capacitivas

Voltaje y corriente aplicada

Voltaje en bornes de condensador

Voltaje en bornes de interruptor

Sobre tensiones de maniobra

Interrupción de Pequeñas Corrientes Inductivas

Interrupción de corriente de magnetización (Chopping)

Traspaso de energía: ½LI02 = ½CV2

V= (L/C) ½

Sobre tensiones de maniobra

Interrupción de Pequeñas Corrientes Inductivas

Ejemplo:

Transformador con enrollado A.T. en conexión delta y operación “lenta” de interruptor

Sobre tensiones de maniobra

Interrupción de Pequeñas Corrientes Inductivas

Ejemplo:

Transformador con enrollado A.T. en conexión estrella y operación “lenta” de interruptor

Sobre tensiones de maniobra

Interrupción de Corriente en “cero virtual”

Primera etapa: interrupción en cero de la fundamental. Oscilación de frecuencia f0

Segunda etapa: Reencendido del arco . Oscilación de frecuencia f1

Tercera etapa: interrupción en cero de la fundamental Oscilación de frecuencia f0

Sobre tensiones de maniobra

Chopping virtual en circuitos trifásicos

Caso de transformador alimentado por cable, en vacío y con primario en delta

Sobre tensiones de maniobra

Chopping virtual en circuitos trifásicos

A) Interrupción en cero de corriente fundamental

B) Reencendido por voltaje de restablecimiento

Energización de líneas trifásicas

Parámetros de Influencia:

•   Características de la red de alimentación.• Terminación de la línea - compensación reactiva.• Longitud de la línea.• Parámetros de secuencia positiva y cero.• Dependencia de los parámetros con la frecuencia.• Instantes de cierre y distribución utilizados para

simular la dispersión de los polos.• Tensión pre-energización (carga eléctrica en la

línea).

• No puede definirse forma típica de sobretensión• Debe efectuarse un análisis estadístico

• Voltaje en el extremo receptor cuando se energiza una línea desde una fuente inductiva :

1, sin carga atrapada, 2, con carga atrapada.

Reconexión

(Energización de una línea con carga atrapada

Conexión y reconexión de línea de 500 kV en vacío, sin pararrayos

Resistencias de Pre-inserción

S1 : contacto auxiliar o contacto de la resistencia.S2 : contacto principal.R : resistencia de pre-inserción.

Valor típico para interruptores de líneas : 300 Ohms a 600 Ohms

Desconexión y reconexión monopolar en falla monofásica a tierra

Desconexión y reconexión tripolar en falla monofásica a tierra

Nivel 5% Nivel 1%

Grupo Factores de sobre voltaje fase tierra kft

0 Conexión de línea desenergizada: 1,0 1,0

Conexión de línea posterior a una falla:

1 Falla monofásica:

Despeje y reconexión monofásica: 2,0 2,3

Despeje y reconexión trifásica: 3,0 3,5

2 Falla polifásica:

Despeje y reconexión trifásica: 3,0 3,5

95 % Fallas en maniobras del Grupo 1

5 % Fallas en maniobras del Grupo 2

Factores de sobre voltaje fase fase kff

Sin Resistencia de pre-inserción : 1.5

Con resistencia de pre-inserción : 2.0

Estadística CIGRE

Sobre tensiones provocadas por

descargas atmosféricas

Repartición de amplitudes de corrientes de rayo según CIGRE

Interacción de la descarga con un sistema de transmisión

• Circuito equivalente para descarga de rayo

Descargas en sistemas de transmisión:•Caída en conductores de fase de la línea•Caída en cable de guardia de la línea•Caída en estructura de soporte de la línea•Caída en la vecindad de la línea

Fuente de corriente Objeto impactado

Caída de una descarga sobre los conductores de fase

Impacto y

propagación de onda

Corriente crítica relativa a niveles de tensión

Sobre voltaje en el conductor

V=Zeq I/2 + V50 Hz

Onda de rayo que continúa la propagación:

Onda llena si : ZI/2 < voltaje de arco en torreOnda cortada si: ZI/2 > voltaje de arco en torre

Onda de rayo que llega a una subestación

V S/E = 2V/n +V50

(autoprotección de las subestaciones)

Caída de una descarga en la torre

Sobre voltaje en la torre: Vt = k( RI + L dI/dt) k = (Rt-Zt) / (Rt+Zt)

Sobre voltaje en el conductor

V = (1-c) Zeq k I +V50

Zeq = ______1_________ c = (50/ZG) Ln(b/a) 1/Zd + 2n/Zg +1/Rt

Tasa de cambio

de corriente

de rayo

Caída de una descarga en el vano de los cables de guardia

Sobre voltaje en el cable de guardia

Vg = Zg I /2

Sobre voltaje en los conductores

Vc = (1-c)Vg + V50 Hz

Estudio de fenómenos transitorios en sistemas eléctricos

• Simuladores analógicos (Analizadores de Transitorios de Redes TNA)

• Simuladores digitales • Simuladores híbridos

Simuladores digitales actuales son capaces de representar: - parámetros distribuidos y concentrados - con dependencia de sus valores con la frecuencia. - efecto de no-linealidades ( pararrayos, transformadores, efecto corona, arcos en contactos

de un disyuntor, etc. )

Aspecto de fundamental importancia:- experiencia de los responsables de la elaboración de los estudios. - necesidad de datos precisos y completos respecto al sistema y

cada uno de sus componentes.

EMTP ( ElectroMagnetic Transients Program) ATP (Alternative Transient Program)

• Desarrollado por Herman W. Dommel en la década de 1960, en la BPA (Bonneville Power Administration)

• Versión ATP (Alternative Transients Program) generado en Bélgica en el Leuven EMTP Center (LEC) 1992

• Permite simulación de transitorios electromagnéticos en redes polifásicas, con configuraciones arbitrarias, por un método que utiliza la matriz admitancia de barras.

• La formulación matemática se basa en el método de Bergeron para elementos con parámetros distribuidos y en la regla de integración trapezoidal para parámetros concentrados

• Se obtiene una solución a intervalos discretos de tiempo

Los modelos disponibles en el ATP son:

-   elementos concentrados: resistencias , inductancias, capacitancias

-   elementos R – L acoplados

-   elementos del tipo circuito PI-equivalente polifásico-   transformadores monofásicos con característica de

magnetización

-   líneas de transmisión con parámetros distribuidos-    elementos no-lineales

-  interruptores controlados por tiempo, por tensión, por señal, estadísticos, etc.

-     fuentes de tensión o corriente, definidas analíticamente

-      pararrayos- compensadores estáticos y válvulas conversoras

• Se obtiene una respuesta de la red eléctrica en el tiempo, en voltajes de barras o de ramas y corrientes de ramas.

• Los valores de las funciones se calculan a intervalos de tiempo discretos.

• También incluye estudios estadísticos con resultados presentados bajo la forma de distribuciones.

• El mismo código contiene diversas rutinas auxiliares y aún programas completos:

- un programa de cálculo de parámetros de líneas y de cables subterráneos,

- un programa de análisis transitorio de sistemas de control (TACS)

- un programa de simulación de algoritmos para propósito general (MODELS)