1ANLISIS DE FALLASANLISIS DE FALLASANLISIS DE FALLASANLISIS DE FALLAS

Ing. Leonidas Sayas PomaIng. Leonidas Sayas Poma

CONTENIDOCONTENIDO Objetivo Introduccin Condiciones normales de operacin Sistema aterrado y sistema aislado Cortocircuitos - Tipos Oscilacin de Potencia Magnetizacin Transitoria del Transformador de Potencia Saturacin de TC Abertura del secundario de TC Energizacin del Banco de Capacitores Ferroresonancia

2OBJETIVOOBJETIVO

Identificar las condiciones normales de operacin en un sistemaelctrico de potencia.

Definir los tipos de sistemas elctricos (aterrados y aislados).

Analizar los diferentes tipos de cortocircuitos mediante elempleo de los oscilogramas.

Evaluar la evolucin de la corriente de cortocircuitoEvaluar la evolucin de la corriente de cortocircuito

Describir los diferentes fenmenos ocurridos antes,durante ydespus de una falla en el sistema elctrico.

INTRODUCCININTRODUCCIN

La presente disertacin tiene como finalidad presentar lastcnicas de anlisis e interpretacin de oscilogramas deocurrencias en el sistema elctrico.

Se explicar brevemente los conceptos de sistemas aterrados yaislados, tipos de cortocircuitos y sus respectivos oscilogramas,oscilaciones de potencia, magnetizaciones transitorias de lostransformadores de potencia saturaciones de los TCtransformadores de potencia, saturaciones de los TC,energizacin del banco de condensadores, as como elfenmeno de resonancia.

Finalmente se desarrollar un caso prctico, analizando sucomportamiento mediante los oscilogramas.

3ANLISIS DE FALLAS

Condicin de Equilibrio (Carga Normal)

1. CONDICIONES NORMALES DE OPERACIN1. CONDICIONES NORMALES DE OPERACIN

Condicin de Equilibrio (Carga Normal)

La figura representa un sistema trifsico equilibrado.

4Tensin y Corriente en la fase A, con carga inductiva.

La carga en este caso es inductiva (corriente atrasada). En general encondiciones de equilibrio y principalmente en Alta Tensin, las formas de ondaestn bastante prximas a lo mostrado.

El mismo sistema trifsico equilibrado anterior puede ser representado porfasores, cuando no es muy prctico el desarrollo de senoides.

5La siguiente clasificacin se aplica a ciertas partes del sistema elctrico cuya

2. SISTEMA ATERRADO Y SISTEMA AISLADO2. SISTEMA ATERRADO Y SISTEMA AISLADO

La siguiente clasificacin se aplica a ciertas partes del sistema elctrico cuyacaracterstica es el modo de aterramiento del neutro de los transformadores ymaquinas rotatorias.

Sistema solidamente aterrado

Sistema aterrado a travs de resistencia

Sistema aterrado a travs de reactancia

Sistema aislado

El punto de aterramiento puede ser provedo por un generador, un transformador o un transformador de aterramiento. La tabla muestra la diferencia entre estos sistemas.

6La ocurrencia de corto circuito de una fase a tierra en un sistema aislado

2.1 Cortocircuito Fase2.1 Cortocircuito Fase--Tierra en sistema aisladoTierra en sistema aislado

La ocurrencia de corto circuito de una fase a tierra, en un sistema aislado,desplaza el punto de tierra del neutro, conforme muestra la figura para uncortocircuito de la fase A a tierra.

Las tensiones fase-neutro pasarn aser:

Va=0 (esta fase va a la tierra)

Vb=Vba (tensin de lnea, 3 vecesmayor que la tensin de fase)

Vc=-Vac (tensin de lnea, 3 vecesmayor que la tensin de fase)

El sistema contina operando normalmente.

Condicin tpica de un sistema aterrado

Antes de la falla

Despus de la falla

7Dado que las tensiones de fase tienen un aumento de 73.2%. Espreciso que los pararrayos para sistemas aislados seanespecificados para tensin de lnea y no para tensin de faseespecificados para tensin de lnea y no para tensin de fase.

El riesgo existente es la posibilidad de un segundo aterramiento(por corto circuito o por accidente) en otra fase. En estascondiciones se caracterizara un cortocircuito bifsico con altacorriente.

Por lo tanto es esencial un circuito que detecte cuando una faseva a tierra y emita una alarma correspondiente. El problema esque no se sabe en que punto del sistema se encuentra el

t i itcortocircuito.

La corriente de cortocircuito existir en cantidades pequeas, debido a loscapacitores del sistema, conforme a la figura.

Cuanto mayor es la corriente, mayor debe ser la capacitancia del circuito, el cualest constituido por cables aisladosest constituido por cables aislados.

Si la corriente es pequea, no es detectado por los rels de proteccin,ocasionando cierto peligro para las personas, por lo tanto un sistema aisladosolo es recomendado para ambientes controlados (servicios auxiliares desubestaciones), donde la interrupcin por un corto fase-tierra es despejado paramantener la continuidad del suministro.

8En trminos de senoidales, se habr alterado las tensiones medidas porel registrador oscilogrfico (en caso estas tensiones fueran fase-

)neutro).

El ngulo entre las fases b y c pasar de 120 a 60 grados

33 11 TRIFSICOTRIFSICO

3. CORTOCIRCUITOS3. CORTOCIRCUITOS

33..11 TRIFSICOTRIFSICOCortocircuito en los terminales de un generador sncrono

La impedancia representada es la desecuencia positiva, una vez que el cortocircuito trifsico ocurre en condicionesequilibradas.

La corriente es inductiva (-90), visto que laimpedancia del generador es inductiva (bajap g ( jresistencia). Esta reactancia del generadortiene, inicialmente, un valor pequeo(reactancia subtransitoria Xg). Despus deun cierto tiempo su valor aumenta (reactanciatransitoria Xg). Y va aumentado con el correrdel tiempo hasta un valor mayor.

9El oscilograma siguiente muestra la corriente de cortocircuito enuna de las fases del generador sncrono, considerando losperiodos subtransitorios, transitorios y de rgimen estable.

Se observa la corriente decorto circuito considerandoque el mismo ocurre cuando latensin est pasando por suvalor pico, es decir, no haycomponente dc.

En las otras dos fases habrEn las otras dos fases, habrobligatoriamente componentedc. Asimismo el valor mximode la corriente en las otrasfases sern multiplicados porel factor de asimetra.

La figura siguiente muestra las componentes en las tres fases, obtenidade un programa de simulacin de cortocircuito (PSCAD), donde se notael efecto del desplazamiento del eje en las corrientes de las otras dosfasesfases.

Cabe resaltar que estos efectos son ms acentuados en cortocircuitosprximos al generador, donde los valores de la reactancia son muchomayores que los valores de las resistencias.

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Cortocircuito trifsico en algn punto del sistema elctrico

La corriente total de cortocircuito ser limitada por las impedanciasequivalentes (Z1sa+Z1a) en paralelo con (Z1sb+Z1b) todos deequivalentes (Z1sa+Z1a) en paralelo con (Z1sb+Z1b), todos desecuencia positiva. Las corrientes Icca e Iccb de los dos lados puedenser calculadas por el divisor de corriente.

En partes del sistema alejados de la generacin, con menor ngulo decorto circuito, los efectos de las reactancias transitoria y subtransitoriade las maquinas y del componente dc son mucho menos acentuadas.

Ejemplo: Oscilograma real de cortocircuito trifsico - Con recierre automtico

El siguiente ejemplo muestra un oscilograma de cortocircuito trifsico en lnea de transmisinde 138 kV. El oscilograma muestra todava el recierre automtico tripolar de este circuito.

S b t it i l f d d d l t i d bid il i d lSe observa transitorios en las formas de ondas de las tensiones, debido a oscilaciones delcircuito LC. Se trata del oscilograma de un registrador stand alone

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Mismo Oscilograma con eventos

Los oscilogramas mostrados se

refieren a uno de los dos circuitos de una lnea de circuito

doble.

El oscilograma siguiente muestra lo ocurrido en circuito paralelo, parauna misma ocurrencia.

Se observa el comportamiento del circuito para las corrientes de cortocircuito y las cadas de tensin en las fases A, B y V

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33..22 FASEFASE TIERRATIERRARepresentacin de Componentes SimtricosVamos a suponer un corto circuito fase-tierra en el lado de baja tensin de untransformador.

Habr corriente en una fase del lado estrella aterrado y corriente en las dosfases del lado de lnea, fuera del triangulo.

En trminos de componentes simtricos, donde se separa el sistemadesequilibrado en tres sistemas equilibrados, cada una de ellas con unacaracterstica especfica (secuencia positiva, negativa y cero), se tienen lasiguiente representacin.

Es decir, hay corriente en la fase A y no hay en las otras dos fases. La teora de clculo decorto circuito utilizando circuitos equivalentes muestra que las condiciones de carga, antesdel corto circuito, deben ser sumadas a las condiciones calculadas en el cortocircuito paraas obtener las corrientes de las fases.

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En el lado de alta tensin del transformador, no hay corriente de secuencia cero,solo de secuencia positiva y negativa. Considerando que hay rotacin de -30grados para la secuencia positiva y +30 grados para la secuencia negativa,tenemos:tenemos:

Se comprueba que hay corriente en las dos fases, siendo estas opuestas.

Oscilograma simulado

La figura muestra un oscilograma simulado para un corto circuito fase-tierra enlnea radial, luego de una salida de lnea.

Se observa que hay elevacin de corriente en la fase en corto (A), aparicin decorriente de tierra (3.I0) y cada de tensin en la fase A. El hecho de que latensin caiga a cero muestra que el cortocircuito ocurre luego de la salida de lalnea.

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El siguiente ejemplo simulado muestra un cortocircuito fase-tierra en el medio dela lnea de transmisin, habiendo impedancia entre el punto de cortocircuito y elpunto de localizacin del registrador:

Obsrvese en este caso que la tensin en la fase A, en corto circuito, no cae acero, lo que muestra que el punto de cortocircuito no es la salida de la lnea.Notar que las corrientes de la fase A y de tierra (3.I0) estn en fase, lo querefuerza el hecho de que el cortocircuito es de tipo fase-tierra.

Ejemplo de Oscilograma Real

El ejemplo es de una salida de lnea de transmisin de 230 kV y el oscilograma proviene deun registrador stand alone. El transitorio en alta frecuencia puede ser observada en la ondade tensin de la fase donde ocurre el corto circuito.

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33..33 BIFSICOBIFSICORepresentacin de Componentes SimtricosVamos a suponer un cortocircuito bifsico en el lado de baja tensin de un transformador,conforme la siguiente figura.

Habr corriente en las dos fases del lado estrella aterrado y corriente en las tres fases delnea, fuera del tringulo, resultando que en una de ellas la corriente es el doble de las otrasdos.

En trminos de componentes simtricos, donde se separa el sistema desequilibrado en tressistemas equilibrados, cada una de ellas con una caracterstica especfica (secuenciapositiva, negativa y cero), se tiene la siguiente representacin:

En el lado de baja tensin, las corrientes en las fases B y C (corto circuito entreestas fases) son opuestas entre si. No hay componente de secuencia cero puesel cortocircuito no vuelve a tierra

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Tensiones

Las tensiones VB e VC se tornan iguales con relacin al neutro (lo que era deesperarse pues estn en corto circuito). Y la tensin VA est en oposicin defase con el doble de mdulofase, con el doble de mdulo.

Se debe tener en cuenta el hecho de que eso ocurre apenas en el punto decortocircuito.

Cuanto ms alejado est el punto de registro oscilogrfico, comenzar aaparecer diferencias de potencial entre las fases B y C y variacin de ngulo enlas tres fases.

Lado de Alta Tensin

Se comprueba que hay corrientes iguales en las dos fases y el doble de

stas en la otra fase

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Oscilograma Simulado para corto bifsico distante

La diferencia ahora es que las tensiones B y C no estn en fase ni podran estarpues hay una diferencia de potencial desde el punto de registro hasta el puntode corto circuito.

Oscilograma Real - Ejemplo

Se trata de un corto circuito bifsico en una lnea de transmisin de 220 kV en unlugar muy prximo al de la medicin.

La discordancia de polos del disyuntor, en la apertura, es comprobado por laaparicin de la corriente de tierra (3.I0).

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33..44 FASEFASE TIERRATIERRARepresentacin de Componentes SimtricosV t i it Bif i Ti l l d d b j t i dVamos a suponer un cortocircuito Bifsico-Tierra en el lado de baja tensin de untransformador en derivacin, segn la figura.

Habr corriente en dos fases del lado estrella aterrado y corriente en las tres fases de lalnea, fuera del tringulo, como ser mostrado en el anlisis de componentes simtricos.

En trminos de componentes simtricos se tienen la siguiente representacin:

En la fase A, las corrientes de secuencia negativa y cero, sumadas compensan l i t d i itila corriente de secuencia positiva.

En el lado de baja tensin hay corriente en las fases B y C (corto circuito entreestas fases) desfasados entre si. El ngulo de desfasamiento ser menor que120 si la corriente de secuencia cero fuera mayor que la de secuencia negativa.Ser mayor que 120 si ocurre lo contrario.

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Tensiones

Las tensiones entre fase y neutro, VB y VC, se tornan iguales a cero pues estnen cortocircuito con la tierra.

Cabe resaltar que eso ocurre apenas en el punto de cortocircuito. Cuanto msalejado est el punto de registro oscilogrfico, comienzan a aparecer diferenciasde potencial y variacin de ngulos en las tres fases.

Lado de Alta Tensin

Habr corriente en las tres fases. Considerando que hay rotacin de -30para la secuencia negativa y +30 para la secuencia positiva tenemos:

La Tensin fase-neutro es igual a ceroen las fases en corto circuito (B y C).Hay desfasamiento entre IB e IC (menorque 180 y mayor que 120).

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Oscilograma simulado para corto distante

Se observa ahora que hay tensin en las fases en corto circuito en el punto demedicin.

Estn con el mismo mdulo pero ya desfasados. En cualquier instante,IA+IB+IC=3.IO.

Oscilograma real - ejemplo

Se trata de n cortocirc ito bifsico a tierra m pr imo al p nto de medicinSe trata de un cortocircuito bifsico a tierra muy prximo al punto de medicin,entre las fases A y C de una lnea de 220 kV. En la prctica se observa lainfluencia del componente dc en la fase A. Se verifica tambin que el nguloentre las corrientes A y C est en torno a 120.

Este oscilograma es de un registrador incorporado en el rel de proteccin. Seobserva la atenuacin de los transitorios.

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33..55 FASEFASE ABIERTAABIERTARepresentacin de Componentes SimtricosRepresentacin de Componentes Simtricos

Vamos a suponer que ocurre una fase abierta en un disyuntor de lnea detransmisin, conforme al diagrama siguiente:

A menor corriente capacitiva, habr interrupcinde la corriente de carga a travs de la faseabierta.

En trminos de componentes simtricos, dondeEn trminos de componentes simtricos, dondese separa el sistema desequilibrado en tressistemas equilibrados, cada uno de ellos con unacaracterstica especifica (secuencia positiva,negativa y cero), se tiene la siguienterepresentacin:

Se observa que tanto los rels que detectan corriente de tierra como los que detectan secuencia negativa pueden servir para detectar la fase abierta.

Aparecern corrientes de secuencia positiva, negativa y cero de acuerdo con la configuracin del sistema. Los valores de estas corrientes dependen del flujo de potencia en secuencia positiva que haba en el sistema antes de la ocurrencia de la apertura de una fase.

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Oscilograma simulado

El oscilograma siguiente fue simulado para un caso de fase abierta de disyuntorde lnea radial con todas las cargas conectadas en tringulo en la alta tensinde lnea radial, con todas las cargas conectadas en tringulo en la alta tensin,conforme la figura siguiente:

En estas condiciones, no habr corriente de secuencia cero. Solamente habr de secuencia negativa.

Para casos prcticos en sistemas de alta tensin, siempre habrfuentes de secuencia cero de modo que una fase abierta estarfuentes de secuencia cero, de modo que una fase abierta estarasociada a las apariciones de las corrientes de secuencia negativa ycero.

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Oscilograma Real

4. OSCILACIN DE POTENCIA4. OSCILACIN DE POTENCIA

Una caracterstica tpica de la oscilacin de potencia es que las tres fases varansimultneamente siguiendo una envoltura. Esto puede ser observado con mayorclaridad en el oscilograma siguiente.

Mismo Oscilograma juntando Tensiones y corrientes

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Oscilogramas simulados (PSCAD)

5. MAGNETIZACIN TRANSITORIA DEL TRANSFORMADOR DE POTENCIA5. MAGNETIZACIN TRANSITORIA DEL TRANSFORMADOR DE POTENCIA

Oscilogramas simulados (PSCAD)

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Oscilograma real - Ejemplo

6. SATURACIN DE TC6. SATURACIN DE TC

Respuesta de TC en condicinnormal, sin saturacin

Respuesta de TC con saturacindebido a componente dc

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Oscilograma simulado

7. ABERTURA DE SECUNDARIO DE TC7. ABERTURA DE SECUNDARIO DE TC

g

Todos conocemos los peligros de un TC abierto. Se verifica lasaturacin del ncleo y la tensin elevada en el secundario abierto.

Oscilograma simulado

8. ENERGIZACIN DEL BANCO DE CAPACITORES8. ENERGIZACIN DEL BANCO DE CAPACITORES

Oscilograma simulado

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DIAGNSTICOS Y SINTOMAS DE FERRORESONANCIA

9. FERRORESONANCIA9. FERRORESONANCIA

Sonidos diferentes provenientes del transformador. Fallas frecuentes del transformador Calentamiento del transformador en condicin sin carga. Sonidos tipo track cerca de llaves o conectores. Fallas de TPs y TPs capacitivos por aislamiento causado por calentamiento. Para un TP, un

t l d t i d l ll i t i i l d i i t tsntoma es la destruccin del enrollamiento primario con el secundario intacto.

Disparo de la proteccin (generalmente de tensin) sin causa aparente (sin oscilograma) Sobretensin continua, con distorsin. Sobrecorriente continua, con distorsin.

Tambin un anlisis de la configuracin del sistema puede ayudar a identificar

FERRORESONANCIAFERRORESONANCIA

Tambin un anlisis de la configuracin del sistema puede ayudar a identificarel fenmeno:

Presencia simultnea de capacitancias (bancos, cables aislados, lneaslargas con inductancias no lineales).

Existencia, en el sistema, de por lo menos un punto donde el potencial noes fijo.

Carga leve o sin carga en el transformador C l i TP Carga leve o sin carga en TP Baja potencia de corto circuito

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EJEMPLO DE UN OSCILOGRAMA DE MEDIA TENSIN

CORTO CIRCUITO BIFSICO EN ALIMENTADOR

CORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCINCORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCIN

El cortocircuito fue bifsico (Fases A-C), avanzandopara trifsico despus de 2.5 ciclos.

Houve trip instantneo de la proteccin del alimentador(7SJ62)

El tiempo de apertura del disyuntor cerca de 3.5 ciclos Hay desequilibrio (corriente de tierra) en condicin

normal de carga (condicin de pre falla)normal de carga (condicin de pre-falla)

Para mayores detalles en cuanto a las condiciones depre-falla y de cortocircuito, se utiliza el diagramavectorial disponible a travs del software de anlisis. Lafigura siguiente muestra las condiciones de carganormal y de corto circuito para el anlisis de lasocurrencias.

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Anlisis vectorial de corto circuito bifsico en el alimentador

CORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCINCORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCIN

Anlisis vectorial de corto circuito bifsico en el alimentador

Por el grfico se verifica que la carga era inductiva. En el corto circuito se

CORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCINCORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCIN

Por el grfico se verifica que la carga era inductiva. En el corto circuito seobserva que IA e IC quedan opuestas.

Componentes simtricas de corto circuito bifsico en el alimentador

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La figura anterior muestra las componentes simtricas de la fase A. El software

CORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCINCORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCIN

La figura anterior muestra las componentes simtricas de la fase A. El softwarede anlisis utilizado en este ejemplo, muestra, las componentes de fase A, pueslas componentes de las dems fases pueden ser deducidas en base a la fase A.

Valores eficaces de tencin y de corriente:

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El anlisis de la tabla muestra para la pre-falla:

CORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCINCORTO CIRCUITO EN ALIMENTADOR DE DISTRIBUCIN

p p

La carga era del orden de 5 MVA, con cerca de 13.75 kV El desequilibrio de carga expresado en base a la corriente de tierra es del orden

de 10.35% de la corriente de secuencia positiva (se toma la corriente positiva,pues hay corrientes diferentes en cada fase)

El desequilibrio de carga expresado en secuencia negativa es del orden de 1.7%

La tabla muestra adems, durante el cortocircuito bifsico, que:

La diferencia entre los valores de secuencia positiva (Ia1) y de secuencianegativa (Ia2) resulta de la influencia de la carga (condiciones de pre-falla). Encaso no hubiese carga, tendran el mismo mdulo y seran opuestos entre s.

La corriente de tierra durante el corto circuito es incluso menor que la corrientede tierra (desequilibrio) en condicin normal de carga. De ah se infiere que lafalla fue bifsica.

La tabla siguiente muestra las componentes simtricas del cortocircuito entre lasfases A y C (por lo tanto los vectores de secuencia positiva y negativa de la faseB tienen el mismo mdulo y son opuestos entre s).

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En esta tabla, las corrientes Ia, Ib e Ic, son las de cortocircuitopor el modelo de Thevenin, sin carga.

L i t I P Ib P I P l i t dLas corrientes Ia Pre, Ib Pre, Ic Pre son las corrientes de cargaque existan antes del corto circuito.

Sumando las corrientes de thevenin con las corrientes deprefalla, se tiene la corriente total de corto circuito, estimada.Comparando estas corrientes con aquellas medidas deloscilograma, se tienen errores de 1.3% y 2.6% para las fases enfalla, lo que muestra la validez del proceso.

Evolucin para corto circuito trifsico

Se nota que el cortocircuito evoluciona de bifsico a trifsico,antes de la apertura del disyuntor, como se muestra en la figura:

Componentes simtricas despus de la evolucin para cortocircuitotrifsico

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La tabla siguiente muestra los valores numricos para estos vectores:

Las componentes simtricas durante la falla comprueban que el cortocircuito fuerealmente trifsico, considerando que las componentes de secuencia negativa ycero son despreciables y resultan del desequilibrio de las cargas en elalimentador.