Conferencia Ingenieria Desempeno Jaime Blandon

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO

NORMA IEC 60071-2VS

INGENIERÍA POR DESEMPEÑO

DEFINICIÓN DE COORDINACIÓN

Determinación de las resistencias dieléctricas de los equipos con relación a los esfuerzos de tensión que se pueden

presentar teniendo en cuenta los elementos de protección

¿QUE RECOMIENDA LA NORMA?

Basados en la experiencia de sistemas de potencia de otros países (otras

condiciones topológicas), utilizar valores normalizados dependiendo del tipo de

sobretensión bajo estudio

¿Que pasaría si determinamos las resistencias dieléctricas de los equipos basados en los efectos específicos de

cada sistema de potencia, su topología y los fenómenos que causan dichas

sobretensiones?


Breve repaso acerca de las sobretensiones, sus orígenes y las

recomendaciones de la norma IEC 60071

TIPOS DE SOBRETENSIONES

SOBRETENSIONES TEMPORALES

Voltaje con frecuencia alrededor de la fundamental (± 2Hz)con valor pico máximo fase-tierra o fase-fase superior al voltajepico fase-tierra o fase-fase máximo permitido para un Sistemade Potencia.

Características:1. De larga duración2. Con poco o ningún tipo de amortiguamiento.

SOBRETENSIONES TEMPORALESCAUSAS

Cambios de topología del sistema, rechazos de carga

Los cambios en el sistema generan puntos de operacióndiferentes, los cuales desencadenan la acción de los reguladoresde tensión, desde el inicio del evento y antes que la acción de losreguladores haga efecto en el voltaje y la frecuencia se generansobretensiones que poco a poco se controlan de acuerdo con eltipo de evento.Factores recomendados:Desde 1,4 p.u. hasta 2,5 p.u. cuando existen unidades degeneración o motores


Fallas en el sistema

Son los eventos más frecuentes, en general la falla monofásica esla más común y causa la elevación de las tensiones de las fasessanas de acuerdo con el grado de aterrizamiento del sistema.

Factores recomendados:Desde 1,4 p.u. para sistemas sólidamente aterrizados hasta 1,7p.u.para sistemas aislados.


Efecto Ferranti

En líneas energizadas al vacío, el circuito que se genera creacorrientes capacitivas a través de la inductancia serie de la línea loque genera una sobretensión en el extremo abierto con respecto ala tensión en el extremo donde la línea es energizada

Factores recomendados:Desde 1,5 p.u. en adelante para sistemas extensos


Resonancia

Se puede generar por:a. Resonancia entre cables de elevada capacitancia y reactoreslimitadores de corrienteb. Resonancia que ocurre entre una inductancia lineal y lacapacitancia de un sistema constituido por una línea levemente cargada.c. Ferroresonancia entre la reactancia de transformadores depotencial y la capacitancia entre devanados de un transformador dedistribuciónd. Ferroresonancia en sistemas que contienen elementos saturablesy filtros de armónicos

SOBRETENSIONES TEMPORALESCAUSASFerroresonancia

Según ANSI/IEEE 100 1984Fenomeno usualmente caracterizado por sobretensiones e

irregulares formas de onda. Asociado con la excitación de una o másinductancias saturables a través de una capacitancia en serie.

En nucleos de aire la inductancia es fija, en nucleosferromagneticos cambia dependiendo del voltaje aplicado.La capacitancia en serie es formada por la capacitancia de cables oconductores, equipos etc.

El fenómeno es típico en sistemas aislados y los eventos desuicheo asimétricos (relacionados con la apertura de interruptorestrifasicos de forma monopolar).

SOBRETENSIONES TEMPORALESFORMA DE ONDA TÍPICA FALLA A TIERRA

SOBRETENSIONES TEMPORALESFORMA DE ONDA TÍPICA RESONANCIA

(f ile P05-2-1.pl4; x-v ar t) v :FTE v :PRI 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40[s]

-250.0

-187.5

-125.0

-62.5

0.0

62.5

125.0

187.5

250.0[kV]

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA

Voltaje pico fase-tierra o fase-fase superior al voltaje pico fase-tierra o fase-fase máximo Um asignado a un Sistema dePotencia (SP)

Características:1. Origen interno debido a operación errónea de equipo de

maniobra o falla de aislamiento que genera cambios enla topología del SP.

2. De corta duración.3. Alto amortiguamiento.

SOBRETENSIONES DE MANIOBRACAUSAS

Energización y RenergizaciónDependen de varios parámetros:• Potencia de cortocircuito del sistema en el punto de la maniobra• Punto en la onda de voltaje en que opera el interruptor• Grado de compensación de la línea de transmisión• Longitud de la línea de transmisión• Transposición• Parámetros de los modos de propagación (geometría de la línea)


(Cont.)

• Pérdidas en el conductor (atenuación de los modos depropagación)• Presencia de equipos de protección (descargadores desobretensiones)• Grado de aterrizamiento del sistema (Y D)• Tensión premaniobra o prefalla• Valor de la resistencia de preinserción (si existe)• Tiempo de inserción del resistor• Disparidad de polos del interruptor (caso compensaciones )• Valor de la carga residual de la línea para el caso de recierre.


Maniobras de Capacitores y Reactores

Durante el cierre de capacitores y reactores el fenómeno fundamentales el almacenamiento de energía. La apertura de estos equipos puedepresentar altas sobretensiones sobre todo en los bancos de capacitoresante los retrasos entre polos debido a la carga almacenada en loscapacitores

Tensiones de recuperaciónReenergización de capacitores o reactores no descargados


Aplicación y despeje de fallas

La eliminación de la falla genera sobretensiones que pueden exceder1.7pu.

Los factores que más influencian las sobretensiones originadas poraplicación de fallas son:• Naturaleza de la falla• Longitud de la línea• Grado de compensación de la línea• Localización de la falla


Rechazo de carga

Las sobretensiones debido a rechazo de carga tienen generalmente dosetapas, la etapa transitoria correspondiente a los primeros ciclos luegode ocurrido el evento y la etapa estacionaria correspondiente a laevolución del sistema en estado estable luego del evento.

Las sobretensiones de la etapa transitoria son menores a lassobretensiones por recierre de líneas, sin embargo las sobretensionesde la etapa estacionaria tienden a ser mayores.


Energización de transformadores

La maniobra de energización de transformadores presenta condicionesparticulares que pueden ocasionar valores de sobretensiones altos enlos sistemas de potencia debido a la característica no lineal de estosequipos.

Debido a la característica no lineal del núcleo se presentan transitorioselectromagnéticos debido al flujo residual al momento de energizar eltransformador en vacío y en algunas condiciones como eliminación defallas, estos transitorios pueden generar altas corrientes que puedenllegar a generar altas sobretensiones cuando sus componentesarmónicas afectan otros equipos de la subestación.

SOBRETENSIONES DE MANIOBRAFORMAS DE ONDA TÍPICA ENERGIZACIÓN CONDENSADORES

SOBRETENSIONES DE MANIOBRAFORMAS DE ONDA TÍPICA

VALORES RECOMENDADOS PARA SOBRETENSIONES DE MANIOBRAEnergización y des-energización

desde 2,54 p.u hasta 3,26 p.u. normalmente en el sistema colombiano

SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Voltaje pico fase-tierra o fase-fase superior al voltaje pico fase-tierra o fase-fase máximo Um asignado a un SP, de origenexterno causado por impacto de un rayo sobre o alrededor deun punto del sistema

Características:1.De muy corta duración.2.Alto amortiguamiento.

SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICASCARACTERÍSTICAS

Rayo:Onda de impulso que aumenta rápidamente hasta su valor máximo yluego, decrece lentamente comparado con la velocidad de subida.Descripción de una onda de rayo:Tiempo de frente, el tiempo de cola y amplitud máxima, la pendiente desubida es fundamental y debe ser considerada, así, como las descargassubsecuentes.

Las principales sobretensiones que se generan a causa de impulsos de rayose deben a cambios de medio (cambios de impedancia característica quellevan a reflexiones y refracciones que originan problemas tanto en elaislamiento externo como interno, siendo el último el más crítico).

SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICASFORMA DE ONDA TÍPICA

SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

as pp lc w LL

LnAUU

+⋅+=

Ucw: Tensión soportable de coordinación al impulso atmosférico, kVUpl: Nivel de protección al impulso tipo rayo del descargador de sobretensiones, kVA: Factor dado en la Tabla F.2 de la norma IEC 60071-2 que describe el

comportamiento de la línea ante las descargas eléctricas atmosféricas, kVn: Número de líneas conectadas a la subestación, (n-1)L: Separación equivalente entre el descargador de sobretensiones más cercano y el

equipo en consideración L= a1+a2+a3+a4


Cálculo de sobretensiones utilizando programas de simulación de transitorios

-Modelos

RANGOS DE FRECUENCIA (COMP INDUCT Y CAPACIT.)

VariableVENTANAS DE ANÁLISIS

I II III IV

Eventos TemporalesManiobras, frente lento

Rayo, frente rápido

Voltajes de recuperación, Frente muy

rápido

RangoFrecuencia

Tiempos

Forma de onda

10 Hz500 Hz

f<<

2 kHz10 kHz

f<<

25 kHz5 MHz

f<<

1

2

0.3 MHz100 MHz

30 kHz300 kHz

f

f

<<

<<

0.03 s 3600 s

tT≤≤

2 ms

20 s 5000 s

20

PT

T

µ

µ

≤

≤≤ 2

10.1 s 20 s

300 s

T

T

µ

µ

µ

≤

≤≤

fn

n

3 s 100 s

T≤≤

Evento Ventanas

Rechazo de carga I

Energización de transformadores I, II

Resonancia paralela I

Disparidad de polos I

Fallas en líneas I, II

Despeje de fallas I, II

Energización de líneas I, II

Reenergización de líneas I, II

Apertura de líneas en vacío I, II

Suicheo de barras en AIS III, IV

Suicheo de corrientes inductivas y capacitivas I, II, III

Flameo inverso III

Impacto directo rayo III

Suicheo al interior de GIS IV

Suicheo de corriente inductiva y capacitiva en SF6 I, II, III, IV

Flameo inverso en GIS IV

Suicheo interruptor de vacío III, IV

OBJETO DE ESTUDIO EN CADA VENTANAVentana I TemporalesBusca determinar los esfuerzos de voltaje en los equipos correspondientes a lasoportabilidad a frecuencia industrial y en particular la capacidad energética de losdescargadores de sobretensiones.

Ventana II Maniobras de frente lentoEl principal interés es la selección de los voltajes requeridos de soportabilidad de losequipos (BSL) y determinar el esfuerzo energético de los descargadores de sobretensiones.

Ventana III RayoEn esta ventana se determina el riesgo de falla de equipos y la selección de los valores desoportabilidad requeridos (BIL) en conjunto con la selección de los descargadores desobretensiones.

Ventana IV Voltajes de recuperaciónConsidera voltajes de recuperación en la maniobra de operación de interruptores aisladoscon SF6 y la operación de interruptores de vacío.

ALTERNATIVE TRANSIENTS PROGRAM

DIgSILENT POWER FACTORY - EMT

9 8 .7 5 77 9 .0 0 55 9 .2 5 43 9 .5 0 31 9 .7 5 10 . 0 0 0 0 [u s ]

1 0 0 0 .0 0

8 0 0 . 0 0

6 0 0 . 0 0

4 0 0 . 0 0

2 0 0 . 0 0

0 . 0 0

-2 0 0 .0 0

B U S T E S T : P h a s e V o l ta g e A in k V

9 8 .7 5 77 9 .0 0 55 9 .2 5 43 9 .5 0 31 9 .7 5 10 . 0 0 0 0 [u s ]

1 2 .5 0

1 0 .0 0

7 . 5 0

5 . 0 0

2 . 5 0

0 . 0 0

-2 .5 0

C O N E X IÓ N R A Y O T E S T : P h a s e C u r re n t A /T e rm in a l i in k AL O -T E S T : P h a s e C u r r e n t A /T e rm in a l i in k A

T E S T

D a t e : 1 0 /1 3 /2 0 0 8

A n n e x : /9

RESUMEN

Tipos de sobretensionesSobretensiones Temporales

Sobretensiones de ManiobraSobretensiones por Descargas AtmosféricasFactores de sobretensiones recomendados

Ingeniería por desempeño - Modelos

Ejemplo de coordinación

La empresa A cuenta con un transformador de 90 MVA230/115 kV con unas tensiones normalizadas en 230kVde 825 kV y 360 kV para sus componentes internos,requiere conocer si es posible ubicar dichotransformador en una subestación con unos nivelesnormalizados de los demás equipos de 950 kV y 395 kV

METODOLOGÍA IEC 60071-2

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2

La metodología para la coordinación de aislamiento esta basada encuatros pasos.

1.Determinación de las sobretensiones representativas ( )

2.Determinación de las tensiones de soportabilidad para coordinación ( )

3.Determinación de las tensiones de soportabilidad requeridas ( )

4.Determinación de las tensiones de soportabilidad normalizadas ( )

rpU

cwU

rwU

wU

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLOcK

DESCRIPCIÓN UNIDAD VALOR

Tensión nominal kV 230

Tensión asignada del equipo kV 245

Frecuencia asignada Hz 60

Distancia de fuga mínima nominal mm/kV 20

Tipo de Sistema / AterrizamientoSistema en Y Sólidamente Aterrizado

Altura sobre el nivel del mar m 1080

Nivel de contaminación ambiental Ligero

Factor de falla a tierra Kg 1,4

Factor de rechazo de carga Kd 1,4

Sobretensión fase tierra del 2% deprobabilidad de no ser superada paraenergización extremo remoto

Ue2 3,26

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO (CONT..)cK


Sobretensión fase fase del 2% deprobabilidad de no ser superadapara energización extremo remoto

Up2 4,86

Sobretensión fase tierra del 2% deprobabilidad de no ser superadapara energización extremo local

Ue2 2,09

Sobretensiónfase fase del 2% deprobabilidad de no ser superadapara energización extremo local

Up2 3,11

Descargador de sobretensionesutilizado 3EP4 192 - 2 P E 3 2 - 1

NPMNPR

378 kV461 kV

Máxima sobretensión por rayoaislamiento externo.

kVp 848

Máxima sobretensión por rayoaislamiento interno.

kVp 818

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 RESUMENcK

Urw(s) Urw(c) Urw(s) Urw(c)

Fase-tierra 234 310 225 230Fase-fase 406 544 390 393Fase-tierra 473 460Fase-fase 819 786Fase-tierra 1017 616 940 506Fase-fase 1017 935 940 864

Impulso atmosférico

Aislamiento externo

Aislamiento interno

* kV r.m.s para frecuencia industrial

Otros equipos* kV pico para

impulsos de maniobra y rayo

Frecuencia industrial

Impulso de maniobra (1)(1)

No se tiene en cuenta los equipos a la entrada de lalínea debido a que se evalúa solo el aislamiento deltransformador

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO - RESUMEN

cK

De acuerdo con la Tabla 2 de la norma IEC 60071-1 [2] se deberían seleccionarunos valores normalizados de aislamiento correspondientes a un sistema conuna tensión máxima Um, estos niveles de aislamiento cubririan cualquieraislamiento externo e interno fase-fase y fase-tierra. Para el aislamientointerno y externo se seleccionan las siguientes tensiones de soportabilidad:

460 kV para la tensión de soportabilidad de corta duración a frecuenciaindustrial, a tierra y entre polos.

1050 kV para la tensión de soportabilidad al impulso atmosférico, a tierra yentre polos.

De acuerdo con la norma, el transformador no se podría instalar en lasubestación A, debido a que no cuenta con los niveles de soportabilidadrequeridos

METODOLOGÍA UTILIZANDO

INGENIERIA POR DESEMPEÑO

Forma de Onda para Impulso Atmosférico

Onda de Rayo y Cadena de Aisladores en ATP

Modelo de Trampa de onda

Gráfico característica del modelo de descargador

Modelo de la Subestación para impulso atmosférico

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO CON SIMULACIONEScK


Tensión nominal kV 230

Tensión asignada del equipo kV 245

Frecuencia asignada Hz 60

Distancia de fuga mínima nominal mm/kV 20

Tipo de Sistema / AterrizamientoSistema en Y Sólidamente Aterrizado

Altura sobre el nivel del mar m 1080

Nivel de contaminación ambiental Ligero

Factor de falla a tierra calculado conresultados de simulación

Kg 1.32

Factor de rechazo de carga calculadocon resultados de simulación

Kd 1.37

Sobretensión fase tierra del 2% deprobabilidad de no ser superada paraenergización extremo remoto

Ue2 2.3

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO (CONT..)cK


Sobretensión fase fase del 2% deprobabilidad de no ser superadapara energización extremo remoto

Up2 3,89

Sobretensión fase tierra del 2% deprobabilidad de no ser superadapara energización extremo local

Ue2 1,8

Sobretensiónfase fase del 2% deprobabilidad de no ser superadapara energización extremo local

Up2 2,8

Descargador de sobretensionesutilizado en simulación Siemens3EP4 192 - 2 P E 3 2 - 1

NPMNPR

378 kV461 kV

Máxima sobretensión por rayoaislamiento externo, resultado desimulación

kVp 674,8

Máxima sobretensión por rayoaislamiento interno, resultado desimulación

kVp 674,8

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO SIMULACIONES - RESUMENcK

No se tiene en cuenta los equipos a la entrada de lalínea debido a que se evalúa solo el aislamiento deltransformador

Urw(s) Urw(c) Urw(s) Urw(c)

Fase-tierra 229 300 220 223Fase-fase 397 478 381 349Fase-tierra 459 446Fase-fase 727 698Fase-tierra 809 597 776 491Fase-fase 809 822 776 767

Impulso atmosférico

Aislamiento externo

Aislamiento interno

* kV r.m.s para frecuencia industrial

Otros equipos* kV pico para

impulsos de maniobra y rayo

Frecuencia industrial

Impulso de maniobra (1)(1)

(2) (2) (2) (2)

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO - RESUMEN

cK

Notas:(1) En rango I, los valores requeridos de soportabilidad al impulso demaniobra fase a tierra son cubiertos por la prueba de corta duración afrecuencia industrial fase tierra. Los valores de soportabilidad al impulsode maniobra fase a fase son cubiertos por la prueba de corta duración afrecuencia industrial o por la prueba de soportabilidad al impulso tiporayo.

(2) El BIL adoptado garantizará la soportabilidad a frecuencia industrialfase-fase, ya que la relación entre la sobretensión tipo rayo fase-fase y elvoltaje estándar de corta duración a frecuencia industrial es mayor a 1,7(numeral A.1 del anexo A de la norma IEC 60071-2).

CONCLUSIÓN

cK

Teniendo en cuenta las verificaciones realizadasbajo las simulaciones que se llevaron a cabo delsistema de la subestación A, es aceptable instalar eltransformador de potencia, ya que este cuenta conun nivel de aislamiento interno para el impulso tiporayo de 825 kV y de 360 kV para la soportabilidad afrecuencia industrial.

Conferencia Ingenieria Desempeno Jaime Blandon

Documents

Transcript of Conferencia Ingenieria Desempeno Jaime Blandon