FALLAS EN

SISTEMAS DE

DISTRIBUCIN

Msc.Ing. Leonidas Sayas Poma

lsayas@osinerg.gob.pe

Celular: 996963438

SISTEMAS DE PROTECCIN

Los sistemas de proteccin son un conjunto de elementos

destinados a: Detectar

Localizar FALLAS O ANOMALIAS EN EL SEP

Evaluar

Comunicar

Despejar

Informar

La deteccin de anomalas se realiza midiendo bsicamente los siguientes parmetros:

- Corriente (mayor indicador de fallas)

- Tensin

- Potencia

- Impedancia

- Frecuencia

- Direccin del flujo de potencia

PERTURBACIONES EN EL SEP

SOBRECORRIENTES

CORTOCIRCUITOS

SOBRECARGAS

(Detecta Temperatura)

FALLAS SIMETRICAS

Y ASIMETRICAS

ALTA CORRIENTE (KA)

APARICION REPENTINA

DURACION CORTA

(50 250 ms)

OPERACION NORMAL

(125-130%In)

APARICION GRADUAL

DURACION LARGA

(Varios minutos)

TENSIONES

ANORMALES

SOBRETENSIONES

SUBTENSIONES

TRANSITORIAS

PERMANENTES

SOBRECARGAS

(s min) FALLAS

(ms s)

CORTAS

(Desc. Atmosfericas)

LARGAS

(Maniobras)

(KHz - MHz)

Cable de guarda

Pararrayos

Baja resistencia

(us ms)

A FRECUENCIA

INDUSTRIAL

(s min)

Lineas largas

(efecto ferranti)

Fallas)

Reles de sobretension

Reles de minima tension

FRECUENCIAS

ANORMALES

SOBREFRECUENCIAS

SUBFRECUENCIAS

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

DESBALANCE GENERACION Y CARGA RELES DE MINIMA FRECUENCIA (rechazo de carga)

OTROS

(COMBINACION)

ARMNICOS, FLICKER, SAG, SWELL, NOTCHING INVERSION DE POTENCIA ESPECIALMENTE PERJUDICIAL PARA GRUPOS TRMICOS CORRIENTES DE SECUENCIA NEGATIVA FALLAS SERIE SOBREPRESIONES VIBRACIONES TENSIONES DE SECUENCIA HOMOPOLAR CIRCUITOS EN DELTA ABIERTO VARIACION DE IMPEDANCIAS APARENTES OSCILACIONES DE POTENCIA

PERTURBACIONES EN EL SEP

L.Sayas P.

Contenido

1. Origen de las fallas

2. Tipos de fallas, simtricas y asimtricas

3. Teora de componentes simtricas

4. Calculo manual de Icc

5. Calculo computacional de Icc

6. Aplicacin

L.Sayas P.

Las fallas en un SD tienen los siguientes origenes:

Condiciones climticas adversas descargas atmosfricas

lluvia

nieve o granizo

hielo excesivo

neblina, viento

calor

Medio ambiente contaminacin

corrosin

choque de materiales arrastrados por el viento.

incendio

cada de los rboles sobre las redes

Origen de las fallas

AISLADOR HIBRIDOAISLADOR HIBRIDO

Contaminacin industrial compuesta de

partculas producto de las actividades

industriales que arroja sobre los aisladores

L.Sayas P.

Actos de la naturaleza inundacin

movimiento telrico

terremotos

Animales aves

Roedores

Terceros actos de vandalismo

choque de vehculos sobre postes

cometas de nios

Origen de las fallas

L.Sayas P.

Propias de la red error de operacin

sobrecargas

instalacin/construccin deficiente

falsa operacin de los sistemas de proteccin

equipo/ diseo inadecuado

envejecimiento

mal funcionamiento

mantenimiento defectuoso

Defecto de fabricacin

Origen de las fallas

L.Sayas P.

Causa De Falla Por Llovizna

L.Sayas P.

Descarga A Tierra

L.Sayas P.

Descarga A Tierra

L.Sayas P.

Descarga A Tierra

L.Sayas P.

Descarga Total A Tierra

L.Sayas P.

Aisladores Con Botas Polimricas Y

Aisladores Extensores

L.Sayas P.

Causa De Falla Por Llovizna

L.Sayas P.

Aisladores Extensores Seccionador

L.Sayas P.

Seleccin Del Seccionador De Potencia

Los Seccionadores de Potencia deben ser

diseados para soportar las corrientes

capacitivas del sistema

L.Sayas P.

Resumen Origen de las fallas

TIPO: CAUSADO POR:

Falla en el Errores y defectos de diseo aislamiento inapropiado, contaminacin. Origen elctrico. Sobrecargas atmosfricas, maniobras internas, sobretensiones dinmicas. Origen Trmico. Sobrecorriente, sobretensin. Factores Mecnicos. Esfuerzos por sobrecorriente, impacto de objetos extraos, rotura por hielo..

L.Sayas P.

Clasificacin de las fallas

Por el tiempo de duracin Transitorias

Permanentes

Por la forma Serie

Shunt

Por la simetria de las ondas Simetricas

Asimetricas

L.Sayas P.

Fallas serie

Ruptura fsica de uno o dos conductores de una lnea de transmisin por accidente o una tormenta.

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

Falla en los polos del interruptor al efectuar una operacin monofsica.

I=0

L.Sayas P.

Fallas shunt o paralelo

L.Sayas P.

Trifasica a tierra

Trifasica sin contacto a tierra

Falla trifsica diagrama vectorial

a b c

L.Sayas P.

falla bifsica sin contacto a tierra

Falla bifsica diagrama vectorial

a b c

L.Sayas P.

Falla bifsica con contacto a tierra

a b c

Falla bifsica a tierra diagrama vectorial

L.Sayas P.

Falla monofasica con contacto a tierra

a b c

Falla monofsica diagrama vectorial

L.Sayas P.

Sistema con neutro aislado

En condicin normal

En condicin de falla

L.Sayas P.

Para SD Monofsicas 70 %

Bifsicas 7%

Bifsicas t 20%

Trifsicas 3%

Total 100%

Ubicacin de las fallas Redes 85%

Barras y transformador 15%

Estadstica de fallas shunt

Nota:

Del total de fallas a tierra el 60% es transitoria y el 30% permanente (5% cada de lnea)

El sistema de proteccin debe considerar estos valores

L.Sayas P.

Su valor inicial depende en que parte de la onda de tensin ocurre el cortocircuito y su amortiguamiento es tanto ms rpido cuanto mayor sea la relacin R/L.

Fallas simtricas y asimtricas

La corriente de cortocircuito Icc

L.Sayas P.

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

Icc=Ia+Ic

La corriente de cortocircuito

L.Sayas P.

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

Se aprecia los dos casos extremos.

Simtrico Asimtrico

Fallas simtricas y asimtricas

L.Sayas P.

Coeficiente K

resinterrupto los de cierre dePoder Ip

.2.

96899,0022,10301,3

IaKIp

eK XR

L.Sayas P.

Reactancia subtransitoria

Componente unidireccional

Reactancia permanente

Reactancia transitoria

L.Sayas P.

Contribucin a la Icc

L.Sayas P.

Mtodos Fallas simtricas; Icc 3f

Fallas asimtricas; Icc1f, Icc2f, fallas serie

Consideraciones para el calculo Iccmax

Todo los generadores en servicio

Impedancia de falla igual a cero

Debe ser Icc3f y Icc2f

Mxima demanda

Se considera impedancias subtransitorias

Calculo de la corriente de

cortocircuito

Consideraciones para el calculo Iccmin

Mnimo numero de generadores en servicio

Se considera impedancia de falla

Debe ser Icc2f y Icc1f

Mnima demanda

Se considera impedancias transitorias

En general en los SD Se omiten las corrientes de carga

La tensin prefalla pueden ser iguales en toda el SD

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

L.Sayas P.

Datos necesarios En el punto de entrega se

requiere, Scc, Upf y Angulo

Si no hay Scc, se considera al transformador de impedancia infinita.

Se debe conocer las resistencias y reactancias de los conductores.

Icc trifsico simtrico

Z(-) ) Z(si solo 3.2

32

Zs.senXs Zs.cosRs Scc

Upf

.33

.3

2

22

fIccfIcc

Zs

XR

UpffIcc

Upf

SccIccs

InUcc

Icct

Ucc

SntScct

.(%)

1

(%)

R1,X1

L1(km)

R2,X2

L2(km)

Scc(MVA)

Upf(kV)

Angulo

Sn

Ucc(%), U1/U2

L.Sayas P.

Parmetros de lneas y cables

CUADRO N 1

PARAMETROS ELECTRICOS DE LINEAS AEREAS Y CABLES SUBTERRANEOS DE MEDIA TENSION

CABLE SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)

(16) 1,3258 0,144 5,77E-05

(35) 0,6033 0.177 7,13E-05

NKY (70) 0,3122 0,109 8,71E-05

(120) 0,1758 0,102 1,01E-04

(240) 0,0856 0,096 1,21E-04

(25) 0.9290 0,216 5,32E-05 0,1816

N2XSY (120) 0.1960 0,175 0,2789

(240) 0.1000 0,1587 0,3145

LINEA SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)

(33) 0,8398 0,4526661 3,6786E-06

(67) 0,5912 0,420495 3,97703E-06

Aluminio (70) 0,5834 0,4176 3,97703E-06

(120) 0,3226 0,41262 4,24091E-06

(125) 0,2979 0,3925986 4,24091E-06

(13) 1,6164 0,4876382 3,40097E-06

(16) 1,3488 0,47204 3,4509E-06

(21) 1,0168 0,4701502 3,53436E-06

Cobre (33) 0,6398 0,4526661 3,6786E-06

(35) 0,6156 0,44237 3,7426E-06

(42) 0,5072 0,4439213 3,75526E-06

(67) 0,3189 0,4163712 3,98591E-06

(70) 0,3147 0,43289 3,99095E-06

L.Sayas P.

Aplicacin 1

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

L.Sayas P.

Solucin Aplicacin 1

L.Sayas P.

Tarea 1

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

L.Sayas P.

Sistema

rL + j x

L

2768.1 A

60 kV

A

B

C

60/10 KV

14 MVA (17,5 MVA)

8,16%

KAKV

MVAI

MVAS

S

S

S

u

SSS

BCC

BCC

BCC

BCC

BCC

CC

TACCBCC

2,6103

47,107

47,107

103048,91

108286,510476,31

0816,0

14

1

67,287

11

111

3

33

MTODO DE LOS MVA

L.Sayas P.

Tarea 1 Mtodo de los MVA

L.Sayas P.

1,0 0 p.u.

A

B

xS (p.u.)

xT (p.u.)

kAI

AIiI

AKV

MVA

U

SI

upz

ui

jxxz

upjx

jS

Sux

upjjS

Sjx

KVVMVAS

CC

BCCCC

IIB

BB

CC

CC

TCC

T

N

BCCT

CC

B

IBB

2,6

5,57730747,1

5,5773103

100

3

..0747,19305,0

0,1

9305,0

..58286,0

14

1000816,0

:ador transformdel Impedancia

..347,067,287

100

:fuente la de Impedancia

60 100

S

S

MTODO EN p.u.

L.Sayas P.

Tarea 2 Mtodo p.u.

L.Sayas P.

Clculo de fallas asimtricas

En algunas aplicaciones es necesario realizar clculos

de cortocircuitos desequilibrados (bifsico y

monofsico).

Son las fallas de mayor probabilidad de ocurrencia.

Para este clculo se emplea el mtodo de las

Componentes Simtricas.

Nota .- para el clculo de cortocircuitos, se suele

despreciar las corrientes de carga del sistema.

L.Sayas P.

El anlisis de un SD balanceado se efecta utilizando sus equivalentes de monofsicos o unitarios.

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

En el ao 1918, el Doctor Charles F. Fortescue public su trabajo "Method of Symmetrical Coordinates Applied to the Solution of Poliphase Network", con lo cual se inicio los estudios de los sistemas elctricos en situaciones de fallas asimtricas o desbalanceadas, mediante el METODO DE COMPONENTES SIMETRICAS

Teora de componentes

simtricas

L.Sayas P.

(+) (-) (0)

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

VR VS

VT

VT1

VR1

VS1

VT0

VT2

VR2

VR0 VS2

VS0

Secuencia positiva

RST

Secuencia negativa

RTS

Secuencia

homopolar

Teora de componentes simtricas

L.Sayas P.

Teora de componentes

simtricas

L.Sayas P.

R1

S1T1

120

120

120

El operador a es un vector de magnitud la unidad y argumento 120

a =1 120 se cumple lo siguiente: S1 = a

2 R1

T1 = a R1

Sistema de secuencia positiva.

L.Sayas P.

R2

T2S2

120

120

120

Asimismo se

cumple:

S2 = a R2

T2 = a2 R2

Sistema de secuencia negativa.

L.Sayas P.

Ro So To

3Ro = 3So = 3To

Los tres vectores homopolares o de secuencia cero, son iguales en magnitud, direccin, y sentido.

Sistema de secuencia cero.

L.Sayas P.

Un sistema elctrico asimtrico, puede ser descompuesto en tres sistemas de simtricos diferentes e independientes (positiva, negativa y cero).

21

21

21

2

2

VaaVVoVT

aVVaVoVS

VVVoVR

Valores reales en funcin de la secuencia

21

21

21

2

2

IaaIIoIT

aIIaIoIS

IIIoIR

L.Sayas P.

Se demuestra que :

32

31

3

2

2

aITISaIRIr

ITaaISIRIr

ITISIRItoIsoIro

Valores de secuencia en funcin de la real

)(3

12

)(3

11

)(3

1

2

2

aItIsaIrI

ItaaIsIrI

ItIsIrIo

)(3

12

)(3

11

)(3

1

2

2

aVtVsaVrV

VtaaVsVrV

VtVsVrVo

L.Sayas P.

Comentario

Las componentes de secuencia positiva, estn presentes en cualquier condicin (balanceada o desbalanceada, simtricos y asimtricos).

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

En otras palabras, cualquier desequilibrio introduce componentes de secuencia negativa.

L.Sayas P.

Las componentes homopolares o de secuencia cero, slo pueden aparecer cuando el sistema trifsico tenga una resultante (IR + IS + IT >0 ).

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

Por ejemplo:

Una falla monofsica a tierra.

Una falla bifsica a tierra.

Las aperturas de fase o las cargas desequilibradas solamente producirn componente homopolar cuando exista un segundo punto de contacto a tierra.

Comentario

L.Sayas P.

Redes de secuencia +

Reemplazar las impedancias de secuencia positiva en el sistema elctrico en estudio, luego determinar el circuito Thvenin equivalente (Red monofsica activa, con impedancias directas) en el punto de falla.

Z1

E Ua1

Ia1

Red de secuencia positiva ( 1 )

+

-

L.Sayas P.

Reemplazar las impedancias de secuencia negativa y anular las fuentes de tensin existentes. De igual modo se determina la red de secuencia negativa (Red monofsica pasiva, con impedancias inversas) en el punto de falla.

Z2

Ua2

Ia2

Red de secuencia

negativa ( 2 )

+

-

Redes de secuencia -

L.Sayas P.

Asimismo se determina la red de secuencia cero (Red monofsica pasiva, con impedancias homopolares, reemplazando las impedancias de secuencia cero) en el punto de falla.

Z0

Ua0

Ia0

Red de secuencia cero ( 0 )

+

-

Redes de secuencia 0

L.Sayas P.

Generadores

ER

IR1

Z1

UR1

+

-

IR2

Z2

UR2

+

-

Red de secuencia

positiva (1) o (+)

Red de secuencia

negativa (2) o (-)

L.Sayas P.

ZN

R

XO

XO

XO

3ZN

XO

3ZN

ZN=X

T + a2 R

a:1

XO

Redes de secuencia cero segn su conexin

Generadores

L.Sayas P.

Transformadores

Transformador de 3

devanados

XT

Transformador de 2

devanados

P

T

S

ZP

ZS

ZT

Redes de secuencia positiva y negativa

L.Sayas P.

Transformadores de 3 devanados

2

2

2

PSSTPTT

PTSTPSS

STPTPSP

XXXX

XXXX

XXXX

P S

T

L.Sayas P.

Red de secuencia cero para los transformadores segn su conexin.

L.Sayas P.

Red de secuencia cero para los transformadores segn su conexin.

L.Sayas P.

Transformador de puesta a tierra (zig-zag)

XT

XT

3R

Red de secuencia

positiva y negativa

Red de secuencia

cero

L.Sayas P.

FALLAS TRANSVERSALES

Z2

Ia0

FALLA MONOFASICA

FALLAS BIFASICA

Z1

Z0

Ia1

Ia2

3Zf

Vth Va1

Va2

Va0

Z2 Z1

Ia1

Vth Va1 Va2

Ia2 Zf

ZfZZZ

UthI

30210

f

ffZZZ

UthII

21

21

Circuitos de secuencia

L.Sayas P.

FALLAS TRANSVERSALES

Z2

Ia0

FALLA BIFASICA A TIERRA FALLAS TRIFASICA

Z1

Z0

Ia1 Ia2

3Zf Vth Va1

Va0

Z1

Ia1

Vth Va1 Va2

Z13

Uth 3 kI

Circuitos de secuencia

L.Sayas P.

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

30 30 30 3030b

c

d

a a

b

c

d

a

b

c

d

(0) (0) (0) (0)

(-) (-) (-) (-)

(+) (+) (+) (+)

CONEXION ENTRE LAS REDES DE SECUENCIA CORRESPONDIENTE A VARIOS TIPOS DE

CORTOCIRCUITO EN UNA RED TRIFASICA.

Linea a linea

(f )

2 lineas a

tierra

(f )

Trif asico

(g)

Trif asico a

tierra

(h)

L.Sayas P.

Tensiones homopolares

Para poder efectuar la deteccin de las tensiones homopolares simplemente hay que reproducir la ecuacin matemtica en un circuito elctrico, tal como se muestra a continuacin:

L.Sayas P.

Corriente homopolar

De igual manera, para la deteccin de la corriente homopolar hay que reproducir la ecuacin matemtica en un circuito elctrico.

L.Sayas P.

Sin embargo debido a que la corriente homopolar es muy pequea en comparacin de la corriente del alimentador y si la deteccin de la corriente se efecta a travs de la suma de tres transformadores de corriente, es posible que el resultado del filtro homopolar sea una corriente debido a la diferencia de corrientes de excitacin que dara como resultado operaciones incorrectas.

Corriente homopolar

L.Sayas P.

R

IR

IS

IT

Io = ( IR

+ IS

+ IT ) / 3

IR

Ir

Iex

Ir - Iex

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

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

- si el sistema no tiene falla a tierra

Irele = - ( Iexr + Iexs + Iext )

Rel

luego la corriente en el rel es :

esta corriente puede originar operaciones incorrectas del rel

Corriente homopolar

L.Sayas P.

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

Corriente homopolar

L.Sayas P.

IR IS IT

Ir + Is + It

Iex I rele

I rele = ( Ir + Is + It ) - Iex

Para solucionar este inconveniente es preferible sumar las

tres corrientes dentro de un solo ncleo magntico

Corriente homopolar

L.Sayas P.

- Vector - Aplicacin de fallas asimtricas - Calculo automtico - Calculo automatico1 -Calculo automtico 2 -Calculo de fallas con software

Aplicacin