estudio de sobretensiones en subestaciones con utilización

Estudio de Sobretensiones en Subestaciones con utilización del Alternative Transients Program (ATP)

Manuel Leonardo Sosa Ríos

Facultad Politécnica - Universidad Nacional del Este Ciudad del Este, [email protected]

Resumen. Este trabajo presenta las consideraciones básicas hechas en el estudio de sobretensiones en el patio de 500 kV de la Subestación de la Margen Derecha (SE MD) de ITAIPU Binacional, en previsión de su futura ampliación. Para el efecto, utilizando el programa ATP, se establece el marco teórico para el modelado de las instalaciones existentes. Seguidamente, se hace su validación y finalmente se lo aplica al estudio de la ampliación prevista.Palabras Claves: Descarga atmosférica,subestación eléctrica, ATP.

Abstract. This paper presents the basic considerations of surge study in the 500 kV Itaipú Right Margin (SE MD) Substation courtyard, in prevision of its future expansion. With the aid of the ATP, a theoretical framework was established for modelling the existing configuration. Subsequently, this framework is validated and finally it is applied in the study of the prospective expansion.Keywords: Atmospheric surge, electrical substation, ATP.

1. Introducción 2. Configuración Analizada. Máximas Sobretensiones Admisibles

El estudio de los fenómenos de alta frecuencia por impactos que pueden ocurrir en un sistema Se consideró que la máxima sobretensión eléctrico es uno de los más importantes objetivos admisible en el interior de la subestación de la del análisis de transitorios. Estos impactos Margen Derecha, sector de 500kV, debido a la pueden ocurrir por maniobras en los equipos o ocurrencia de descargas atmosféricas directas por descargas atmosféricas. en las líneas de transmisión a ella conectadas,

debería mantener un margen de protección de Los sistemas de potencia poseen diversas 10% en relación con los niveles de aislamiento protecciones para diferentes tipos de fallas; por de los equipos [1]. De esta forma los siguientes ejemplo, los hilos (conductores de energía valores fueron considerados:eléctrica) de guardia para la protección de líneas de transmisión de media y alta tensión, Nivel de aislamiento: Corresponden a valores pararrayos, interruptores de línea, entre otros. de placa y consisten en los datos de los equipos necesarios para la realización del estudio En el caso de falla de la protección brindada por propuesto:los hilos de guardia de una línea de transmisión que alimenta una subestación convencional, en Transformadores = 1550kVla entrada de la línea a la subestación, si ésta se Equipos = 1800kVencontrara en estado de recomposición, pueden ocurrir grandes sobretensiones en su interior, ! Sobretensión Máxima Admisible:incluso superiores al nivel de aislamiento de los equipos. El estado de recomposición de una Transformadores = 1409kVsubestación consiste en la reenergización o Equipos = 1636kVpuesta en servicio de los equipos de la misma, teniendo en cuenta el sincronismo de las La Figura 1 presenta el esquema general grandezas eléctricas imprescindibles para la analizado, en el cual se indican, en color rojo, maniobra (magnitud de la tensión, ángulo de las ampliaciones previstas, para el sector de desfase entre tensiones y la frecuencia entre las 500 kV de la SE Margen Derecha, que tres fases). consisten en las ampliaciones de las longitudes de las barras principales A y B, en 96 metros,

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Artículos Científicos -Ingeniería EléctricaRevista Científica Politécnica

para la instalación de un nuevo transformador de Las impedancias características consideradas potencia y su correspondiente transformador según [1] son:regulador, similares a los que se encuentran en Barras rígidas : 315 Ώoperación, así como la instalación de una línea Conexiones flexibles : 370 Ώde transmisión en 500 kV desde la SE MD hasta la subestación ubicada en la ciudad de Limpio. 3.2. Representación de las Líneas de La configuración corresponde a la de interruptor Transmisióny medio.

Las líneas de transmisión fueron representadas para descargas directas (Figura 2), o sea, descargas en el propio conductor de fase, solamente por el conductor de fase que recibe la descarga, por una resistencia cuyo valor es igual a la impedancia característica de la línea.

De esta manera, las reflexiones provenientes de la subestación no retornarán a ésta.

3. Modelos para Simulaciones

3.1. Modelo de la Subestación

La subestación fue modelada solamente para la fase que recibe la descarga eléctrica (atmosférica), debido a que la cadena de a i s l a d o r e s p u e d e s o p o r t a r m a y o r e s sobretensiones a las que pueden producirse por descargas atmosféricas directas en los conductores de fase. La máxima sobretensión fue calculada teniendo en cuenta la protección ofrecida por los hilos de guardia, mediante el El valor de la impedancia característica de las modelo electro-geométrico. De esta manera, las líneas fue calculado a través del “Line máximas sobretensiones, o peores condiciones, Constants” del ATP, y se obtuvo el valor de sucederán en la fase que recibe la descarga, por 300Ώ.lo que no se hace necesaria la representación de las demás fases. 3.3. Modelos de Equipos Utilizados en el

Patio de Maniobras de la SubestaciónCada conexión entre dos puntos cualesquiera fue representada por parámetros distribuidos, sin La Figura 3 presenta los modelos adoptados pérdidas a través de la impedancia de impulso, para el transformador de potencia de 500kV velocidad de propagación y longitud [1, 2] y el transformador regulador de 220kV correspondiente. Los trechos existentes están [1]. Estos modelos fueron adoptados en vista divididos en dos tipos: barras rígidas y de que fueron utilizados para estudios a alta conexiones flexibles, ambas modeladas con frecuencia por otros autores, en las líneas tipo Clarke existente en el ATP, para altas bibliografias indicadas, con resultados frecuencias. satisfactorios.

Figura 3. Modelos para los transformadores [1, 2]

Figura 1. Diagrama unifilar (analizado) del patio de 500 kV de la SE MD [1]

Figura 2. Descarga Directa [2]

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kAI 6,13max =

kVkAZIV 204030026,13

2=W×=×=

V (kV) I (kA) Pararrayo 420 kV 1,5 3,0 5,0

10,0 15,0 20,0 40,0

829 867 899 950 985

1012 1118

Los demás equipos fueron representados por su corriente, utilizando el modelo 92 del capacitancia correspondiente a la respuesta a un programa ATP, específico para el modelado de impulso de tensión, y fueron adoptados, para pararrayos de ZnO. Los valores adoptados cada uno, los siguientes valores típicos [1], [2] y para la característica V x I retirados de la [3]: referencia [1] son los siguientes:

!Transformador de potencial capacitivo:5 nF.

!Divisor capacitivo de potencial:5 nF.

!Bobina de bloqueo (filtro):0,05 nF.

!Transformador de corriente:0,5 nF

!Interruptores de 500 kV:0,1 nF.

!Seccionadores de 500 kV:0,1 nF. Para representación del reajuste de la característica V x I de este pararrayos en

3.4. Descarga Atmosférica función de sobretensiones con tiempos de frente muy pequeños, del orden de

Las descargas atmosféricas en los conductores microsegundos, se consideró una inductancia de fase fueron representadas por una fuente de equivalente en serie con el elemento no lineal. tensión (tipo 13, disponible en el ATP) detrás de Para el cálculo de esta inductancia se adoptó una resistencia cuyo valor es igual a la los valores de variación de tensión indicados impedancia de impulso de la línea. Esta por el fabricante (Figura 4) y representados en resistencia tiene por objetivo hacer que toda la la Tabla 1:onda reflejada desde la subestación no retorne a la propia subestación.

La máxima descarga atmosférica que pueden alcanzar los conductores de fase fue determinada por el modelo electro-geométrico [3], con el siguiente valor y que concuerda con [1]:

Esta corriente corresponde a la siguiente tensión, considerando la impedancia característica de las líneas de transmisión, según la expresión [3]:

Para las simulaciones se ha considerado el doble del valor de la tensión mencionada, debido a que la fuente se ubica detrás de la resistencia con valor igual a la impedancia característica de las líneas de transmisión.

3.5. Pararrayos de Óxido de Cinc (ZnO)

Los pararrayos fueron representados a través de resistencias no lineales, variables con la

Tensión nominal (kV)

I (kA)

Tiempo de frente (µs) V (pu) DV (pu)

3 3

¥ 6

1,37 1,47

- -

420 20 20 20

6 ¥

0,5

1,72 1,37+0,25=1,62

1,98

1,72-1,47=0,25 -

1,98-1,62=0,36

Figura 4. Tensión de descarga, pararrayos de 420 kV en función del tiempo del frente de la onda de tensión [1]

Tabla 1. Variación de la tensión de descarga del pararrayo.

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El valor de inductancia adoptado fue el La configuración a ser comparada con el siguiente: modelo obtenido y adaptado, conforme con el

que cuenta la empresa, es el que se muestra en la Figura 6 [1]:

Para el cálculo de la inductancia, para la corrección de la respuesta del modelo de pararrayos ante un impulso atmosférico, se ha considerado la máxima variación de tensión en su curva característica igual a 0,36 pu, multiplicada por su tensión de pico, que es de 593,9 kV, dividida por la variación de la Las líneas más oscuras indican la parte de la corriente en el tiempo (20kA/0,5µs). configuración energizada. La descarga

atmosférica directa se produce en la entrada a Adicionalmente, fueron consideradas las la subestación, en la línea de transmisión 4 conexiones de los pararrayos a la malla de tierra (LT4) , energ izando la bar ra B, y a través de una inductancia concentrada con el consecuentemente, el transformador 2 valor de 4,5µH, de manera a obtener una mayor (TRAF2), sin energizar el transformador 1 aproximación de la respuesta del modelo de (TRAF1), ya que el seccionador que alimenta pararrayo a la curva proporcionada por el este transformador se encuentra abierto, como fabricante. El pararrayo utilizado para las se muestra en la Figura 6. Algunas valores de simulaciones se muestra en la Figura 5: tensiones obtenidos se muestran a

continuación en la Tabla 2:

También se muestra la forma de onda de tensión, en algunos equipos, para la misma configuración mostrada anteriormente (Figura 6), para una comparación con las formas de ondas obtenidas en el presente trabajo (figuras 3.6. Validación del Modelo Obtenido7 y 8):

El modelo de la SE MD, patio de 500 kV, de la ITAIPU Binacional, fue obtenido gracias a investigaciones en documentaciones ya existentes en la empresa mencionada, sobre los equipos que se encuentran actualmente en operación en la subestación.

Para la validación del modelo obtenido, se procedió a la adaptación de dicho modelo a otros ya realizados para la ITAIPU Binacional, para la ejecución de simulaciones de descargas atmosféricas directas y comparación de los resultados obtenidos.

dtdiVL

dtdiLV =®×=

kVkVVpu pico 9,59342021 =×==

HskA

kVLpuV mm

34,55,0209,59336,036,0 =

×=®=

5,34uH

4,5uH

I

Figura 5. Pararrayo modelado en ATP [2]

Figura 6. Esquema de la SE MD para la validación del modelo obtenido [1]

Figura 7. Sobretensiones obtenidas en los trabajos realizados para ITAIPU, en el seccionador 2 de las líneas de transmisión 4 (CH2L04) y 12 (CH2L12) [1]

SOBRETENSIONES en kV LOCAL DESCAR

CONFIG. SE.

TRANSF EN

OPERAC. B_INI B_FIN CH1T4 CH3L12

CH2L04

CH2L12

DOC.

LT4 E 2 1159 1076 945 1107 1678 1071 ITAIPU LT4 E 2 1072,5 1079 1081 1108 1642,6 1091 ACTUAL

ERROR (%) 8 0,27 14 0,09 2,1 1,8 Prom = 4,3

Tabla 2. Comparación de valores para la validación del modelo obtenido

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v: CH2L12: Tensión en el seccionador 2 de la línea de transmisión 12.v: CH2L04: Tensión en el seccionador 2 de la línea de transmisión 4.

4. Análisis de los Resultados

Se analizaron varias configuraciones, no obstante, en este artículo se expone la configuración en la cual se produjo la mayor sobretensión, correspondiente a la Figura 9.

5. ConclusiónEn este análisis se considera una línea de transmisión de 500 kV (LT 01) y el Para la configuración A de la SE MD, patio de transformador 1 (TRAF1) de 500/220 kV, 500 kV (Figura 9), específicamente durante correspondientes a la configuración A (Figura 9). periodos de recomposición del sistema, fueron Se verificó en esta situación la ocurrencia de encontrados valores de sobretensiones sobretensiones superiores al límite máximo superiores inclusive al nivel de aislamiento de adoptado igual a 1636 kV y también superiores los equipos (Tabla 3). La probabilidad de al nivel de aislamiento de los equipos igual a ocurrencia de estos valores de sobretensiones 1800 kV (Tabla 3). Debido a la escasa cantidad es baja debido a que varios eventos deben de equipos en operación (condición de suceder simultáneamente:restablecimiento del sistema), sus terminaciones !Descarga atmosférica en el conductor de son los puntos donde aparecen mayores fase.sobretensiones. !Descarga atmosférica en las líneas de

transmisión en las proximidades de la Para resolver este inconveniente, se simuló la subestación.conexión de pararrayos respecto a las barras !Descarga a tmosfér ica durante la principales de la subestación en ambos recomposición del sistema.e x t r e m o s , l o s c u a l e s r e d u j e r o n considerablemente las sobretensiones En caso de que se desee eliminar registradas, como puede apreciarse en las completamente la probabilidad de ocurrencia comparaciones realizadas en la Tabla 3, donde se de estas sobretensiones, deberán ser instalados indican la presencia o no de los pararrayos (PR). pararrayos de óxido de cinc (ZnO) con tensión

nominal igual a 420 kV (iguales a los instalados en las entradas de las líneas de transmisión) en los extremos de las barras A y B. El efecto de la instalación de pararrayos puede observarse en la Tabla 3.

(file SEMD_500(9.E).pl4; x-var t) v:CH2L04 v:CH2L12 0 4 8 12 16 20[us]

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

[MV]

VALIDACIÓN DEL MODELO

Figura 8. Sobretensiones obtenidas con la adaptación del modelo a través del PlotXY del ATP

Figura 9. Configuración A

SOBRETENSIONES en kV LOCAL DESCAR

.

CONFIG. SE

TRAF/PR A_INI A_FIN B_INI B_FIN CH1T

5 CH3L1

0 CH1L

N CH3L02

LT1 A 1/No 1488,7 1706,1 1771,9 1749,5 1823 1782,2 1760,5 1551,3 LT1 A 1/Si 867,96 868,27 854,16 857,7

3 1245,3 941,8 960,44 1169

Tabla 3 . Sobre tens iones máximas encontradas

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Referencia bibliográfica

[1] Informe ténico número 6699 50 0100 P ROB. Coordenação de isolamento dos pátios de 500 e 220 kV de SE Margem Direita. MARTE/PARELC, 1992, Sistema del Archivo Técnico de la Superintendencia de Ingeniería - SAT.

[2] André Meister. Dissertação de Mestrado de Engenharia Elétrica. MODELAGEM DE VARISTORES DE ÓXIDO DE ZINCO PARA ESTUDOS DE COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO. Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharía Elétrica, Brasília, 2005.

[3] Ary D`Ajuz, Cláudio Dos Santos Fonseca, Francisco Manoel Salgado Carvalho, Jorge Amon Filho, Luiz Eduardo Nora Dias, Marco Polo Pereira, Paulo Cesar Vaz Esmeraldo, Roberto Vaisman e Sergio de Oliveira Frontin. T R A N S I T Ó R I O S E L É T R I C O S E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO. FURNAS Centrais Elétricas S. A., 1987.

Bibliografía Adicional

Programa computacional ATPDraw Windows, Versión 2.2, Copyright© 1998-2000.

Ensaios de impulsos atmosféricos e de manobra, José Carlos Schaefer, disponible en www.fisica-potierj.pro.br, accedida el 12.06.07.

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