El uso del software PSCAD para el análisis de Sistemas ...

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Electroenergética

TRABAJO DE DIPLOMA

El uso del software PSCAD para el análisis de

Sistemas Eléctricos

Autor:

Victor Hugo Izaguirre Miranda.

Tutor:

Dra. Marta Bravo de las Casas

Msc. Pedro Bermúdez Navarro

2006

“AÑO DE LA REVOLUCIÓN ENERGÉTICA”

Santa Clara

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Electroenergética

TRABAJO DE DIPLOMA

El uso del software PSCAD para el análisis de

Sistemas Eléctricos

Autor: Victor Hugo Izaguirre Miranda.

[email protected]

Tutor: Dra. Marta Bravo de las Casas

[email protected]

Msc. Pedro Bermúdez Navarro

[email protected]

2006

“AÑO DE LA REVOLUCIÓN ENERGÉTICA”

Santa Clara

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central

“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad

de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los

fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser

presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de

la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un

trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento

donde se defiende el trabajo

Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

i

PENSAMIENTO

Por más difícil que se nos presente una situación, nunca dejemos de buscar la salida, ni de

luchar hasta el último momento. En momentos de crisis, sólo la imaginación es más

importante que el conocimiento

Albert Einstein.

ii

DEDICATORIA

A la memoria de mi padre que desde un lugar cercano a Dios regó su bendición hacia mí,

porque estuvo presente durante este largo período de estudios ayudándome a cumplir mi

sueño.

iii

AGRADECIMIENTOS

A:

Dios por tenerme siempre de su mano y por guiarme por el sendero del bien pero sobre

todo por cuidar de mi padre.

Mi familia por compartir mi sueño.

Cuba por ser el lugar donde vi mi anhelo hecho realidad.

La oficina de becarios extranjeros, por su ayuda incondicional.

Amelia Vega F. por todo el amor que me brindo.

Mis tutores y profesores por depositar en mi su confianza y sus conocimientos.

Arnaldo, esposa e hijos por abrirme su corazón.

Karina Giraldo por enseñarme el valor de la vida y de la verdad.

Todos los amigos míos de las diferentes nacionalidades.

Mis compañeros de grupo, por aceptarme como uno de ellos.

iv

TAREA TÉCNICA

Para la elaboración del trabajo se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos:

1. Revisión bibliográfica: diferentes textos de estudios de la carrera de donde se

obtuvo la información necesaria para la elaboración de los proyectos.

2. Resumen: desarrollo y traducción del software de simulación PSCAD, descripción

detallada de su contenido y su funcionamiento en los sistemas eléctricos de

potencia. Uso constante de la ayuda.

3. Simulación de ejemplos típicos de Sistemas Eléctricos de Potencia: para la mejor

comprensión de las potencialidades del software.

4. Realizar un proyecto real aplicado a las protecciones eléctricas en una red de doble

alimentación, donde se obtuvieron todas las respuestas deseadas.

.

Firma del Autor Firma del Tutor

v

RESUMEN

En el presente trabajo se hace un resumen de las potencialidades y la versatilidad del

software de simulación de Sistemas Eléctricos de Potencia denominado PSCAD (Power

System Computer Aided Design).

En el capitulo I se realiza una breve introducción al PSCAD y la descripción detallada de

cada una de las bibliotecas que trae consigo, mostrando sus facilidades de uso por medio de

un ejemplo sencillo, un circuito eléctrico elemental.

El capitulo II se muestran varias de sus aplicaciones. Se confeccionan algunos ejercicios de

rutina en lo que respecta a los Sistemas Eléctricos de Potencia que ayudan al usuario en el

adiestramiento del software en lo que respecta a la conformación de distintas redes

eléctricas con condiciones de proyecto y físicas diferentes. Esto permitirá que

posteriormente el usuario sea capaz de diseñar ejemplos reales. Se muestra con esto algunas

de las potencialidades del PSCAD. Se describe el uso de los modelos de las líneas de

transmisión, medida del flujo de potencia y por último el análisis de una falla monofásica.

El capitulo III se hace un estudio del comportamiento de una protección de distancia

ubicada en una línea eléctrica con doble alimentación, para ello se trabajó con la línea del

Sistema Eléctrico Nacional de Cuba, Vicente- Nuevitas 220kV la cual está protegida con un

relé de distancia tipo Mho. Para el análisis de la protección se ubican cortocircuitos en

varios puntos de la línea. Por último se realiza una comparación con una protección de

distancia con una característica tipo impedancia.

vi

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO .....................................................................................................................i

DEDICATORIA .................................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS........................................................................................................ iii

TAREA TÉCNICA................................................................................................................iv

RESUMEN .............................................................................................................................v

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1

CAPÍTULO I.........................................................................................................................3

I.1 ¿Qué es el PSCAD? .....................................................................................................3

I.2 Breve historia del PSCAD. [3], [5], [6] ......................................................................3

I.3 Estudios típicos posibles a hacer con el PSCAD.......................................................6

I.4 Conceptos Previos. ......................................................................................................7

I.4.1 Los ficheros relacionados con el PSCAD. [3], [6] ..............................................7

I.4.2 Las librerías de componentes. .............................................................................7

I.4.3 El Entorno Gráfico.............................................................................................10

I.4.5. Limites de la Simulación. [3], [6] .....................................................................11

I.4.6 Requerimientos de software y hardware. [3], [5], [6] .....................................12

I. 5 Primera Simulación..................................................................................................13

I 5.1 Crear el Proyecto [3], [6] ...................................................................................13

vii

I.6 Ejemplo de diseño de un esquema eléctrico............................................................15

2: Simulación y Resultados ............................................................................................19

CAPITULO II .....................................................................................................................22

II.1 INTRODUCCIÓN. ..................................................................................................22

II.2 ESTUDIO DE LOS MODELOS DE LÍNEAS Y FALLAS EN LAS MISMAS.22

II.2.1 Configuración Del “Project Settings”. ............................................................24

II.2.2 Configuración de la fuente de generación. .....................................................25

II.2.3 Configuración de la Línea de Transmisión Aérea:........................................26

II.2.4 Configuración del Multímetro.........................................................................28

II.2.5 Cargas:...............................................................................................................29

II.2.6 Simulaciones. .....................................................................................................30

II.3 FALLA A TIERRA DE UNA FASE DEL CIRCUITO GENERAL. .................32

II.4 EJEMPLO DE UN BLOQUE GENERADOR TRANSFORMADOR. ..............37

II.4.1 Descripción:.......................................................................................................37

CAPITULO III....................................................................................................................40

III.1 Introducción. ...........................................................................................................40

III.2 Conceptos previos a tener en cuenta para la correcta comprensión del ejemplo.

..........................................................................................................................................41

1. Factores que afectan la medición de la impedancia a la falla [Altuve,

Warrington, Mason, Iriondo, ABB]:.............................................................................41

2. Efecto de las fuentes intermedias. (“Infeed”). ..................................................42

3. Resistencia de Arco. ............................................................................................44

4. Acoplamiento Mutuo entre Circuitos: ..............................................................45

5. Corriente de Magnetización (Inrush). ..............................................................46

6. Transformadores de Medida: ............................................................................48

viii

7. Líneas no transpuestas: ......................................................................................49

III.3 Requisitos de las protecciones. ..............................................................................50

III.3.1 Sensibilidad (Para la simulación hasta un 75% del valor de la línea)........50

III.3.2.Selectividad (Para la simulación hasta un 85% del valor de la línea)........50

III.3.3 Rapidez.............................................................................................................51

III.3.4 Fiabilidad. ........................................................................................................51

III.4 Funciones de protección. .......................................................................................52

III.4.1 Curvas características.....................................................................................52

III.5 Funciones básicas de protección. ..........................................................................54

III.6 Teleprotecciones .....................................................................................................55

III.7 Filtrado de la Señal. ...............................................................................................56

III.7.1 Aliasing.............................................................................................................56

III.8 Filtrado Digital. ......................................................................................................56

III.9 SIMULACIONES: .................................................................................................61

REFERENCIAS BIBLIGRÁFICAS.................................................................................72

CONCLUSIONES ..............................................................................................................73

RECOMENDACIONES ....................................................................................................75

INTRODUCCIÓN 1

INTRODUCCIÓN

Los últimos 10 años del siglo pasado estuvieron marcados por un desarrollo en todas las

ramas del conocimiento y en el desarrollo industrial, lo cual ha provocado un incremento

notable en consumo de electricidad en todas las esferas. Este uso masivo de la electricidad

provocó un desarrollo de las redes de transmisión de energía eléctrica y de su generación.

Los Sistemas Eléctricos modernos abarcan grandes extensiones territoriales, que tienen

entre sus particularidades la unificación de centrales generadoras en sistemas eléctricos y la

unificación de estos entre sí, formando potentes sistemas de importancia nacional e

internacional teniendo una mayor confiabilidad al servicio eléctrico.

Todo este desarrollo ha traído como consecuencias que se necesiten nuevas técnicas de

análisis de las redes eléctricas, las cuales ahora son muy complejas. Estas técnicas han sido

favorecidas por el avance en las tecnologías de la información, donde las técnicas

numéricas para el análisis de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) son una realidad.

Dentro de la rama de la electricidad son muchos los procesos que se pueden modelar y

simular con las poderosas herramientas de simulación actuales. Estas herramientas han

impulsado el desarrollo de nuevos algoritmos y métodos de análisis de los diferentes

circuitos eléctricos mejorando ostensiblemente su exactitud y calidad.

Se han desarrollado por diferentes firmas numerosos softwares profesionales de análisis de

SEP entre los que se pueden mencionar los simuladores ATP - EMTP [7-8] y el PSCAD

[1]. Se puede mencionar también el MATLAB y SIMULINK [9]

Con todas estas herramientas se pueden probar variantes de soluciones que jamás el hombre

pensaba realizar, con un mínimo de esfuerzo y con ello garantizar un estudio más profundo

INTRODUCCIÓN 2

de las particularidades de un determinado circuito, sin necesidad de hacerlo

experimentalmente, con el consabido ahorro final en tiempo.

Se puede saber de antemano cual será la respuesta de un sistema dado ante diferentes

señales o disturbios y las soluciones que se tendrán que tomar. En los mismos son posibles

simular desde circuitos eléctricos sencillos y complejos sin las restricciones a las que se

está acostumbrado para facilitar los cálculos.

En el presente trabajo se hace un resumen de las potencialidades y la versatilidad del

software de simulación de Sistemas Eléctricos de Potencia denominado PSCAD (Power

System Computer Aided Design). Se confeccionan varios ejemplos de aplicaciones típicas

en el mismo para comprobar lo anterior.

En el capitulo I se hace una introducción al PSCAD. Se muestran las potencialidades del

software en cuanto a posibles aplicaciones, los requerimientos de hardware y software y se

realiza una descripción detallada de cada una de sus bibliotecas, mostrando sus facilidades

de uso por medio de un ejemplo sencillo, un circuito eléctrico elemental de CA, un circuito

RL.

El capitulo II se muestran varias de sus aplicaciones, se describe el uso de los modelos de

las líneas de transmisión, medida del flujo de potencia y por último el análisis de una falla

monofásica.

El capitulo III se hace un estudio del comportamiento de una protección de distancia

ubicada en una línea eléctrica con doble alimentación, para ello se trabajó con la línea del

Sistema Eléctrico Nacional de Cuba, Vicente- Nuevitas 220kV la cual está protegida con un

relé de distancia tipo Mho. Para el análisis de la protección se ubican cortocircuitos en

varios puntos de la línea. Por último se realiza una comparación con una protección de

distancia con una característica tipo impedancia.

CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD

3

CAPÍTULO I

“DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD”

I.1 ¿Qué es el PSCAD?

El PSCAD son las siglas de Power System CAD, significa Diseño Asistido por Computador

de Sistemas de Potencia. Esta herramienta permite, a partir de la introducción de un

esquema eléctrico, simular su comportamiento y analizar los resultados, todo ello en un

entorno gráfico de manejo sencillo e intuitivo, con un ambiente Windows. Tiene

herramientas de representación de variables, medidores, elementos de control y modelos de

componentes eléctricos tales como: líneas eléctricas, generadores, motores, convertidores e

inversores, etc. [3], [4]: [5], [6]….

Con el PSCAD se puede lograr la estructura esquemática de un circuito eléctrico, hacer su

simulación, analizar los resultados, y manejar los resultados en un ambiente gráfico

completamente integrado. Plotea funciones de manera que el usuario puede alterar los

parámetros del sistema durante la corrida de una simulación y ver los resultados

directamente.

En resumen el PSCAD es un poderoso software de simulación, fácil de trabajar el cual le

que permite al usuario el diseño, mejoramiento y solución de problemas de diferentes tipos

como en la electrónica de potencia, máquinas eléctricas se usa como medio para analizar

redes eléctrica y las protecciones eléctricas en las mismas [5].

I.2 Breve historia del PSCAD. [3], [5], [6]

PSCAD aparece por primera vez en 1988 y a partir de esta fecha comenzó una larga

evolución como una herramienta para generar archivos de datos por el programa de

simulación denominado EMTDC (Transitorios electromagnéticos incluidos Corriente

Directa) [4].


4

Su forma inicial, versión 1, fue fundamentalmente de tipo experimental. No obstante,

representó un gran adelanto en rapidez y productividad para los usuarios de EMTDC, ya

que en el mismo se podían dibujar los sistemas en lugar de crear inscripciones de texto.

PSCAD se introdujo primero como un producto comercial. La segunda versión que aparece

en 1994 en plataforma Unix, y la misma llegó como una colección de herramientas de

software que realizaban bosquejos de circuitos al mismo tiempo de corrida de la

simulación.

En 1999 Windows realizó la tercera versión donde buscó introducir un sistema de

simulación que se pudiera construir en forma de módulos de trabajo, es decir, se realizaran

sistemas que luego se pueden interconectar por medio de bloques gráficos, compilándolos

de forma independiente y privada. Este sistema a base de módulos mejoró la exactitud de la

simulación. Además esta versión trajo algunas nuevas aplicaciones que integraban

completamente los gráficos y la simulación de los sistemas anteriores, lo que facilitó un

ambiente adecuado para el diseño y la simulación de los Sistemas Eléctricos de Potencia

(SEP).

La versión 4 del PSCAD (la cual tiene variantes) representa lo último en el desarrollo del

software para la simulación de SEP. Esta versión mantiene lo alcanzado en cuanto a la

simulación de sus predecesores, además contiene nuevas representaciones,

perfeccionamientos que mejoran la exactitud y fiabilidad de la simulación. Incorpora

nuevos editores y navegación más fácil lo que significa que esta versión es mucho más

amistosa desde el punto de vista del usuario a la vez que es más poderosa desde el punto de

vista de trabajo. Esto lo hace preferido por la mayoría de los profesionales al momento de

la simulación. Por último se puede resaltar la interfaz que tiene para MATLAB y/o archivos

de Simulink.

PSCAD, y su simulador EMTDC, han estado en desarrollo cerca de 30 años basado en las

ideas y sugerencias dadas por los usuarios y profesionales de la rama, de manera que

puedan ser utilizados de forma lo más sencilla posible a nivel mundial. Esta filosofía del

desarrollo ha ayudado a establecer al PSCAD como uno del software más poderoso en este

momento disponible.


5

Uno de los puntos fuertes del PSCAD es su librería de componentes, que la utilización

directa en un esquema eléctrico de los componentes más habituales en los sistemas

eléctricos, que va desde elementos pasivos simples y funciones de control, a modelos más

complejos tales como máquinas eléctricas, dispositivos FACTS, líneas y cables de

transmisión, etc. . Si un modelo en particular no existe, PSCAD proporciona la facilidad de

ir construyendo lo que se planea o lo que se necesita por ensamblaje que gráficamente usan

los modelos existentes, utiliza un editor de diseño designado, entre estas componentes

están:

• Resistencias (R), inductancias (L), capacitores (C).

• Inductancias acopladas y transformadores, tanto monofásicos como trifásicos.

• Líneas aéreas y cables.

• Fuentes de voltaje e intensidad.

• Interruptores y conmutadores.

• Componentes de electrónica de potencia como diodos, tiristores e IGBT.

• Funciones de control digital y analógico.

• Máquinas de corriente directa y alterna, con sus sistemas de excitación, regulación

de velocidad y sistemas inerciales.

• Equipos de Medición.

• Convertidores electrónicos, como rectificadores, inversores, HVDC y SVC.

• Aerogeneradores, turbinas y gobernadores

• Protecciones eléctricas.

Este programa está accesible de forma gratuita en su versión de estudiante, así como sus

manuales y ejemplos de aplicación en su página web: http:\\www.pscad.com [1].


6

I.3 Estudios típicos posibles a hacer con el PSCAD

El espectro de usuarios del PSCAD incluye a los ingenieros y científicos de las empresas,

fabricantes de equipos eléctricos, consultantes, y los profesionales de las instituciones

académicas [3], [6].

Se puede utilizar tanto en la etapa de planificación, funcionamiento y diseño, en la

enseñanza e investigación.

Los siguientes son ejemplos de tipos de estudios desarrollados por el PSCAD [4]:

• Estudiar circuitos de corriente alterna (AC) consistente en máquinas rotatorias,

excitatrices, gobernadores, turbinas, transformadores, líneas de transmisión,

cables, y cargas, etc.

• Coordinación de protecciones.

• Efectos de la saturación en los transformadores.

• Coordinación del aislamiento de los transformadores, interruptores y

descargador.

• Pruebas de impulso de transformadores

• Estudios de resonancia de sub - sincrónica (SSR) en redes con máquinas

eléctricas, líneas de transmisión y sistemas de Corriente Directa de Alto Voltaje

(HVDC).

• Evaluación y diseño de filtros así como análisis de los armónicos.

• Diseño de sistemas de control y coordinación de FACTS y HVDC ; incluyendo

STATCOM VSC, y cicloconvertidores

• Diseño óptimo de parámetros de control.

• Investigación de nuevos circuitos y conceptos de control.

• Operación de los interruptores o breakers cuando son impactados por una

descarga atmosférica o ante cualquier falla.

• Investigación de los efectos transitorios de un motor diesel y de las turbinas de

viento en redes eléctricas


7

I.4 Conceptos Previos.

I.4.1 Los ficheros relacionados con el PSCAD. [3], [6]

En el PSCAD se generan una serie de ficheros en cada simulación, siendo el principal de

ellos aquel donde se almacena el esquema y cuya extensión es “.psc”, recibiendo cada caso

que se simule el nombre de Project (proyecto). De esta forma si se quiere abrir un esquema

que se haya creado anteriormente se tendrá que ir al comando “Load Project...” del menú

de Inicio, y si se quiere guardar con otro nombre se utilizará el comando “Save Project

as...”. Por cada Project o proyecto, se genera un fichero con el esquema, por ejemplo,

“circuitoAC.psc” y una carpeta, por ejemplo “circuitoAC.emt”, donde se almacenan todos

los ficheros temporales empleados para la simulación.

El PSCAD exige un copilador de Fortran [3] para construir y simular los proyectos. Se

pueden utilizar los siguientes copiladores disponibles comercialmente:

Fortran 5.0 Digital

Compaq Fortran 6.x Visual

Intel Fortran 9.0.x Visual

El copilador de Fortran, llamado el EGCS/GNU Fortran 77 se proporciona en el CD del

PSCAD (o puede obtener a través del sitio web: www.pscad.com [1], el mismo ésta como

un archivo independiente en el caso de la versión estudiante. Este copilador impondrá

algunas limitaciones, las cuales mencionaremos posteriormente.

I.4.2 Las librerías de componentes.

La librería de componentes se llama Master Library una parte de la cual se muestra en la

Figura 1. (Ver en el área de proyecto en la Figura 4 y una muestra de su contenido en la

Figura 1). En ella se encuentran directamente las componentes que se pueden utilizar, y

desde la misma se puede acceder al resto de las librerías de componentes del PSCAD, las

cuales se muestran en la Figura 2.

http://www.pscad.com/

CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD 8

Entre las librerías se pueden citar:

• HVDC y FACTS, donde están los rectificadores e inversores.

• Power Transformers: Transformadores trifásicos y monofásicos.

• Sources: Fuentes de voltaje e intensidad, dependiente e independientes.

• Faults: Elementos para la simulación de cortocircuitos.

• Breakers: Interruptores

• TLines: Líneas eléctricas

• Meters: Amperímetros, Voltímetros, Watimetros, etc.

• I/O Devices: Elementos de actuación o entrada, como interruptores, pulsadores,

potenciómetros, etc., así como elementos de salida para la representación gráfica de

resultados.

• Passive: Configuraciones RLC más habituales.

• Machines: Modelos de las máquinas eléctricas de inducción, sincrónicas, así como sus

elementos de regulación más usuales en éstas.


Figura 1 Parte del contenido de la librería denominada MASTER LIBRARY.

Figura 2: Librerías del PSCAD accesibles desde MASTER LIBRARY.


I.4.3 El Entorno Gráfico.

El PSCAD es un programa diseñado para trabajar en un entorno Microsoft Windows, de

forma que cuando se inicia el programa aparece la ventana mostrada en la Figura 3.

Figura 3: Entorno gráfico del PSCAD.

Dentro de este entorno gráfico se han de distinguir las siguientes zonas de trabajo:

Área de trabajo: que es la parte central (en blanco en la Figura 3) donde se dibujarán

los sistemas eléctricos.

Área de proyectos: es la ventana donde se muestran los proyectos (esquemas

eléctricos) que se están utilizando y recibe el nombre de WORKSPACE o PROJECTS.

Menú de componentes, donde se sitúan botones con aquellos elementos más utilizados,

tanto eléctricos (Electrical Palette) como de control (Control Palette), y desde donde


11

podemos utilizar resistencias, conductores de conexión...

Ventana de salida, informa del estado de la simulación, lo errores que pueda tener el

circuito.

Barra principal de herramientas, desde la que se accede a las funciones cerrar y abrir

proyectos, zoom, inicio de la simulación, copiar, pegar, etc.

I.4.5. Limites de la Simulación. [3], [6]

Las limitaciones impuestas por la simulación de un proyecto dependerán principalmente de

la versión utilizada, es decir la estudiante, educacional o profesional, así como del

compilador a usar. En la tabla I y II se muestran comparaciones de las diferentes versiones

mencionadas en cuanto a la edición y el límite del compilador.

Descripción Versión

Estudiante

Versión

Educacional

Versión

Profesional

Número de líneas de transmisión o cables

conductores

20 20 20

Subsistemas 1 25 Ilimitado

Módulos de la página 1 25 Ilimitado

Nodos eléctricos 15 Ilimitado Ilimitado

Tabla I. Límites específicos de la edición.

Descripción Compilador EGCS/GNU

Fortran 77

Compilador Fortran 90

Subsistemas 10 Ilimitado

Nodos eléctricos 200 Ilimitado


12

Ramas eléctricas 2000 Ilimitado

Transformadores 70 Ilimitado

Líneas de transmisión y cables 50 Ilimitado

Canales de salida 500 Ilimitado

Tabla II. Límites específicos del compilador.

I.4.6 Requerimientos de software y hardware. [3], [5], [6]

Se recomiendan las especificaciones de software y hardware mostradas en la tabla III.

Categoría Mínima Recomendada

Procesador 500 MHz (Pentium 2) 2 GHz (Pentium 4)

Sistema Operativo Windows 98 ó NT

Windows 2000

Windows XP

Windows 2000

Windows XP Pro SP”

Software adicional Digital Visual Fortran 5

Compaq Visual Fortran 6x *

Intel Visual Fortran 9.0x **

Memoria RAM 64 MB 1GB

Disco Duro 500 MB 40 GB (SCCI o IDE)

Monitor SVGA (800 x 600) XGA ( 1280 X 1025)

Otros periféricos Torre CD/-ROM 32 bit

Mouse

Torre CD/-ROM 32 bit

Mouse


Puerto Paralelo, Puerto serie o

USB

Protocolo de red TCP/IP

Puerto Paralelo, Puerto serie

o USB

Protocolo de red TCP/IP

* Se puede usar el EGCS/GNU Fortran 77 de libre acceso, el cual puede ser suficiente para

simular varios casos, pero que tiene limitaciones.

** Se debe instalar uno de los siguientes softwares para el uso IVF 9.0, son el Microsoft

Visual C++ NET 2002 o 2003 o Microsoft Visual Studio. NET 2002 o 2003 (Con Visual

C++ instalado).

I. 5 Primera Simulación

En esta sección se enumeran los pasos para realizar una primera simulación en PSCAD.

I 5.1 Crear el Proyecto [3], [6]

PASO Nº 1: Nuevo proyecto

Se va a crear un nuevo proyecto, lo cual se puede hacer desde el botón correspondiente de

la barra de herramientas o bien desde el menú de manejo de ficheros: “File > New > Case

Ctrl+N” (ver Figura 4).


Figura 4: Crear un nuevo proyecto (desde botón o desde el menú).

Paso No 2: Guardar el proyecto

Para almacenar este proyecto con un nombre distinto se utiliza el comando “saveproyect

As” o bien poniéndole un nombre al momento de aceptar guardar (Save Project as)

PASO Nº 3: El proyecto está creado

Una vez creado y guardado el fichero anterior en la ventana de proyectos debe aparecer el

proyecto creado además de la librería principal (MASTER LIBRARY) y otros proyectos

que se hayan ejecutado anteriormente.

PASO Nº 4: Control de área de proyectos

Cuando se tienen varios proyectos cargados es necesario decirle al programa cual vamos a

utilizar, esto es, cual está activo. El que está activo tiene en azul el ícono , mientras que el

resto está en gris . La librería principal (master) está marcada con el icono verde .

Para activar un proyecto se sitúa el “mouse” sobre su nombre, se hace click con el botón

derecho y aparece el menú de control de proyectos de la Figura 5. En ese momento se sitúa

sobre la opción “Set As Active”. Además, haciendo “doble click” sobre el nombre del

proyecto se verá el esquema asociado a él.

Figura 5: Menú para el manejo de proyectos.


Otros elementos importantes del menú de control de proyectos mostrado en la Figura 5 son:

Projects Setting. donde se definirán los parámetros de simulación.

Set As Active. Se le dice al programa que ese es el proyecto que se va a simular

Open. Se abre un nuevo proyecto

Save. Se guarda el proyecto en disco duro

Save as. Se guarda el proyecto poniéndole un nombre distinto

Unload. Se elimina el proyecto de la lista de proyectos

I.6 Ejemplo de diseño de un esquema eléctrico.

En este ejemplo se diseña un circuito de CA con una fuente de voltaje real, una resistencia

y una inductancia, como el mostrado en la Figura 6, y cuyos parámetros son:

Resistencia: R = 1 Ω

Inductancia: L = 0.1 H

Fuente de voltaje real: Valor eficaz voltaje: E = 230 V, Frecuencia: 60 Hz,

Resistencia Interna: Rg = 0.1 Ω

Este esquema se representó en el PSCAD y, mediante simulación, se mostrarán el voltaje

en la Inductancia y la intensidad en el circuito.

Figura 6. Circuito AC a simular.

Primer paso. Búsqueda y copia de la fuente de voltaje.

Se hace “doble click” sobre Master Librery donde se muestran en el área de trabajo los


elementos de la biblioteca. Se selecciona una fuente de voltaje monofásica, con botón

derecho del “Mouse” aparece el menú desde el de donde se puede copiar el elemento.

Segundo paso. Situar la fuente de voltaje en nuestro esquema.

Tercer paso. Selección de los parámetros de la fuente de voltaje, los cuales son:

Configuration: (principales parámetros de la fuente).

• Source Name: Fuente (nombre de la misma)

• Source Impedance resistive (tipo de impedancia en serie con la fuente).

• Is this source grounded? Yes (decimos si está o no al nodo de referencia).

• Input Method: Internal.

• Source Type: AC (Corriente alterna)

Signal Parameters: (Parámetros nominales de a fuente).

• Mag.: 0.230 kV (magnitud del voltaje de la fuente).

• Frequency: 60 Hz.

• Initial Phase: 0.0o

• Ramp up Time: 0.05 s (tiempo de inicialización, el voltaje de la fuente vale cero al

inicio y tarda 0.05 s en alcanzar los 0.230 kV). Resistance: (Valor de la resistencia interna serie): 0.1Ω.

Inductance: 0 H

Capacitance: 0 F

Monitoring: (variables a monitorear de la fuente)

• Name for source Current: Iout (nombre de la variable asociada a la corriente de la

fuente)

Cuarto paso. Situar y colocarle valores a la resistencia y la inductancia.

Se puede repetir los pasos 1 y 2 para situar una resistencia y una inductancia , o

bien, escogerlas en los botones existentes en los menús de control y elementos. Se Ponen

los valores de la resistencia a 10 Ω y el de la inductancia a 0.01 H haciendo “doble clic”

sobre ellas. Para Rotar los elementos se hace “click” sobre ellos y se pulsa la tecla R.


Quinto paso. Conectar Componentes

Para la conexión eléctrica de los distintos componentes se utiliza el elemento “Wire”

(cable, conexión) que se puede encontrar en la Master Library o directamente en el menú de

elementos.

Los elementos se unen poniendo en contacto sus extremos, o bien uniéndolos con elemento

tipo “wire”. Es muy importante que la longitud del elemento sea exactamente igual a la

distancia que hay entre los elementos. La longitud se varía haciendo “click” en los

extremos y se gira el elemento seleccionándolo y pulsando la tecla R.

En el PSCAD es necesario que en cualquier circuito exista un nodo de referencia o masa, el

cual denomina GROUND y se representa como . Existen muchos componentes que ya

tienen uno de sus extremos a este tipo de nodo.

En el PSCAD dos conductores (wire) que se cruzan pero que no hacen contacto eléctrico se

pueden unir utilizando el elemento “pin” del menú de controles.

Sexto paso. Situación de los equipos de medición y variables a representar.

En el ejemplo situaremos un voltímetro entre uno de los extremos de la inductancia y tierra

para medir el voltaje en este elemento. Para ello se escogerá el voltímetro existente en el

menú de elementos , aunque para ver la colección completa de medidores del PSCAD

hay que ir a la biblioteca: _Master library > [meters]

Una vez representado el circuito y situado los medidores en las variables que se consideran

de interés, hay que indicar al PSCAD cuales son las variables que se desean representar y

como. En este ejemplo hay dos variables representables, el voltaje en la inductancia “Ea” y

la corriente de la fuente “Iout” (ver signal parameters en la fuente de voltaje). Para ello se

escoge en el menú de controles (o en Master Library) el elemento “Data Label” y

el elemento “Output Channel” uniéndolos por medio de un elemento ya conocido por

nosotros llamados wire

Al elemento “Data Label” se le pondrá el nombre de la variable a representar haciendo


“doble click” sobre él, y en el elemento “Output Channel” se especifica como se quiere

representar (título, unidades, factor de escala…) también haciendo “doble click”.

Las variables se representaran una vez realizada la simulación en un grafico (Graph

Frame ) que será necesario configurar. Para ello se escoge del menú (o de Master

Library) el ícono Graph Frame y se sitúa en el área de trabajo. El cuadro que aparece

se escala haciendo “click” y arrastrando los cuadritos verdes que lo rodean.

Haciendo “click” con el botón de la derecha en la barra de título del cuadro recién creado,

aparece el menú de configuración, donde se sitúa el mouse sobre “Add Analog Graph”, de

forma que se añade una grafica de representación. Se añaden tantas Gráficas como veces se

repita este proceso.

Para enviar las variables a las Gráficas recién creadas se utiliza el botón derecho sobre el

“Output Channel” titulado “Tensión Bobina” con lo que aparece el menú mostrado en la

Figura 7 y se pincha sobre “Add as curve”

A continuación se hace “click” con el botón derecho sobre una de las Gráficas y se

selecciona Paste Curve. Se repite el proceso con el otro Output Channel titulado

“Intensidad Circuito” obteniéndose las Gráficas.

Figura 7. Menú de configuración del Output Channel


Séptimo paso. Simulación:

1: Parámetros de simulación

Haciendo “click” con el botón derecho sobre el nombre del proyecto, en este caso aparece

el menú de configuración de proyectos mostrado anteriormente. En este menú escogemos la

opción de “Project Settings”, con lo que aparece la ventana cuyos parámetros más

relevantes son:

• File: Nombre del proyecto que vamos a simular.

• Description: descripción del mismo, se puede poner el texto que se desee.

• Duration Of Run (sec): Tiempo de simulación para el circuito, se escogió 0.5s.

• EMTDC time step (µS): es el tiempo que hay entre dos valores consecutivos a

simular. Por ejemplo, si se quiere simular el comportamiento de una forma de onda

sinusoidal que tiene un periodo de 20ms se tendrá que coger varios puntos por ciclo,

por ejemplo 20 puntos por ciclo. Esto quiere decir que estos puntos estarán

separados 20 ms/20= 1ms (1000 µS).

• PSCAD plot step (µS): Es el tiempo que hay entre dos valores consecutivos

representados en las Gráficas, ha de ser igual o mayor que el valor anterior.

2: Simulación y Resultados

Una vez configurada el Project Settings se realiza la simulación por medio del comando

RUN situado sobre la barra de herramientas o bien desde el menú se puede acceder a:

Build → Run

El PSCAD empezará a compilar el proyecto, el cual quedará representado por el

movimiento de los engranajes de la parte inferior derecha de la ventana.

3: Errores en la simulación

Si una ve iniciada la simulación no aparece ningún resultado o aparece un mensaje de error,

se tendrá que ir a la ventana de salida en “BUILD” y ver los errores del circuito, como se

muestra en la Figura 8 marcados los errores con una flecha roja.

Por ejemplo, el error que aparece en el ejemplo es “Branch is a short”. Si se hace “doble


click” sobre el aparece la línea roja sobre el esquema indicándonos que hemos empleado un

“wire” o conexión demasiado largo. Acortamos la conexión y le volvemos a dar a RUN

y el compilador empieza nuevamente su función.

Figura 8. Ventana de salida con los errores del circuito y su localización en el esquema.

4: Resultados.

Una vez finalizada la simulación los resultados pueden verse en las Gráficas creadas en los

apartados anteriores.

El aspecto de las gráficas se puede variar situados sobre ellas y escogiendo ZOOM, en

“Graph Properties” o simplemente alargando la figura con el cursor del “mouse”, se puede

poner un título, un nombre para ambos ejes, etc. En la Figura 9 se muestran los resultados

obtenidos en el PSCAD.


Figura 9. Estado del programa después de la simulación.

CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD 22

CAPITULO II

“EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD”

II.1 INTRODUCCIÓN.

En este segundo capítulo se confeccionan algunos ejercicios de rutina en lo que respecta a

los Sistemas Eléctricos de Potencia que ayudan al usuario en el adiestramiento del software

en lo que respecta a la conformación de distintas redes eléctricas con condiciones de

proyecto y físicas diferentes. Esto permitirá que posteriormente el usuario sea capaz de

diseñar ejemplos reales. Se muestra con ello la potencialidad de este simulador y su

efectividad en el estudio de los distintos fenómenos que se presentan en las redes de alto

voltaje, los cuales sin la ayuda del mismo no son posibles de analizar.

II.2 ESTUDIO DE LOS MODELOS DE LÍNEAS Y FALLAS EN LAS MISMAS.

Este primer caso consiste de una red trifásica compuesta por una fuente de energía y una

línea aérea radial idealmente transpuesta, con cargas monofásicas balanceadas.

El objetivo del mismo es estudiar el comportamiento de los modelos de líneas más útiles en

diferentes casos de análisis de fenómenos transitorios por ejemplo una falla monofásica,

para lo que se toman muestras de valores de distintos parámetros eléctricos de la línea por

medio de equipos de medición, multímetros eléctricos, que son posibles conectar en la red.

Además se graficarán en los intervalos deseados.

Existen tres formas básicas de modelar una línea de transmisión en el PSCAD, ellas son:

secciones PI, Modelo Bergeron y Modelo de Línea dependiente de la Frecuencia [10].

El modelo denominado Bergeron para representar la línea será analizado en el ejemplo del

trabajo, el mismo es muy conocido para representar las líneas eléctricas, siendo muy

eficiente. Es un modelo simple, se representan las inductancias y capacitancias en un

circuito PI de forma distribuida, es el equivalente de usar un número infinito de secciones

PI, excepto que la resistencia si se modela como parámetro concentrado (la mitad en el

medio de la línea y ¼ en cada extremo). Su comportamiento se basa en ondas viajeras a

frecuencia constante. Se utiliza donde es importante obtener los valores correctos de las


impedancias para una línea o un cable a la frecuencia fundamental, por ejemplo pruebas a

relés y estudios de flujos de carga. Pero no se usa cuando hay presencia de armónicos o

fenómenos transitorios importantes, aunque se pueden representar las impedancias a otras

frecuencias pero en ese caso las pérdidas no cambian. Se pueden representar líneas

transpuestas.

Se analiza también el comportamiento de “Frecuency dependent (Phase) model options”.

Este modelo en español significa que el comportamiento de las líneas depende de la

frecuencia. Es un modelo responde al doble de la frecuencia de una línea o un cable. Es

muy utilizado cuando se trata de la dependencia de toda la línea con respecto a la

frecuencia. Su utilización se recomienda cuando se quiere analizar los fenómenos

transitorios o armónicos en las líneas eléctricas.

En el modelo “Frecuency dependent (Mode) model options” u opciones de este modelo los

parámetros dependen de la frecuencia, donde se tiene una solución exacta para una

frecuencia dada. Toma más tiempo en la simulación que el modelo Bergeron, pero se

necesita o es muy útil para estudios donde sea importante tener en cuenta los fenómenos

transitorios y los armónicos, es decir donde se requiera una representación detallada de la

línea en un amplio intervalo de frecuencias. Los modelos dependientes de la frecuencia

utilizan técnicas modales o técnicas en el dominio de la frecuencia.

Trabaja de manera eficiente para líneas de un conductor, dos conductores horizontales y

para una línea idealmente transpuesta. No se debe usar para líneas que no sean transpuestas

o para torres con conductores múltiples.

En la Figura 2.1 se presenta la vista general del proyecto.

Figura 2.1 Circuito General del proyecto analizado en el ejemplo.


El proyecto se corresponde con la representación de un circuito compuesta por un

generador trifásico, una línea radial tipo T de la cual se detallarán más adelante los

modelos, y cargas fijas conectadas al final de cada fase.

II.2.1 Configuración Del “Project Settings”.

A manera de conocer más acerca de las ventajas de este software se puede observar el

“Project Settings” usado por el usuario y mostrado en el capítulo I, se mencionarán

algunos detalles de esta ventana. Se observa la vista general en la cual se da a conocer el

nombre del proyecto, el lugar donde está guardado, los días en que fue creado y modificado

por última vez, y la versión del software usado.

En la otra parte y de simple configuración encuentra el “Runtime” que como el nombre lo

indica, tiempo de corrida, donde se ingresan como datos el tiempo que demorara la corrida

cuya unidad es el segundo, el tiempo de solución y el tiempo de paso para graficar el canal

de salida ambas dadas en microsegundos. Para más de una corrida el PSCAD brinda la

opción de enumerar las que el usuario desee. Figura 2.2.

Figura 2.2. Ventana la cual muestra el Project Settings.


II.2.2 Configuración de la fuente de generación.

Para configurar la fuente se da un “doble click” en el ícono que representa la fuente, y

aparece la ventana que se observa en la Figura 2.3. Aquí se introducen todos los datos para

la configuración de la fuente trifásica. Como todo elemento de una red debe presentar un

nombre, que para fines de esta simulación se denominó “John Day”; la impedancia en serie

es una de tipo inductiva como ya fue mencionado; el control de la fuente tipo fija las bases

tanto de voltaje como de potencia aparente las cuales son 500kV y 100MVA

respectivamente; y la frecuencia base de 60 Hz. El valor de 0.05 s es el tiempo que se

demora la fuente en alcanzar su valor nominal el cual es para este proyecto 230kV rms de

fase a tierra: Por último se tomarán iguales las impedancias de secuencia positiva y de

secuencia cero.

Figura 2.3. Configuración del Multímetro.

Posteriormente se presentan las demás configuraciones que se pueden realizar a la fuente de

generación, se introducen los valores de las impedancias positiva y de secuencia cero, el

valor de la inductancia en serie con la fuente, valor del voltaje para el control fijo de la


fuente, y el valor de potencia activa si es que se utiliza un control automático de potencia,

las variables de salida como cantidad en por unidad de las potencias activa y reactiva, valor

de la fuente así como el ángulo de fase y las corrientes por cada una de las fases. Figura 2.4.

Figura 2.4. Otros aspectos necesarios para el diseño de la fuente

II.2.3 Configuración de la Línea de Transmisión Aérea:

La configuración de esta línea se realiza de manera muy sencilla como se observa en la

Figura 2.5. Consta del nombre el cual fue denominado “Línea”. Además es necesario

especificar el valor del estado de la frecuencia que es en este caso 60 Hz, el cual se

mantendrá constante; el número de conductores que se usa 3; El estilo de terminación o de

contacto a los nodos de los extremos, lo cual debe tener en cuenta que si se opta por una

conexión remota se usan los extremos de la línea, mientras que si optamos por la conexión

directa, como el nombre lo indica se conecta directo a los nodos.


Figura 2.5. Configuración General de la Línea.

Para editar todo lo correspondiente a la torre y a los conductores usados en este proyecto se

hace por medio de la opción de “Edit”. Figura 2.6

Figura 2.6. Modelo de Torre utilizado donde se muestran las distancias entre conductores.


Dentro de la ventana de la Figura 2.6, se observan cada unas de las partes necesarias para

hacer la simulación, es decir los datos de la torre, de los hilos de guarda, de los conductores

por fase y de la flecha.

Se deben introducir los datos de la torre la cual puede se denominada con un nombre dado

Figura 2.7. Son necesarios la altura del conductor más bajo, la distancia vertical del centro

del conductor, espaciamiento entre fases, conductancia paralela, y si tiene conductores de

tierra, cuántos, si la línea es transpuesta. En el caso de los conductores los datos consisten

en el valor del radio del conductor, la resistencia por unidad de longitud medida a corriente

directa conductores por fase, etc., para este proyecto se usará un modelo de línea no

simétrica. Por último se debe dar como dato la longitud de la línea y la resistividad del

terreno.

Figura 2.7. Datos de los Conductores.

II.2.4 Configuración del Multímetro.

Se medirá el flujo de potencia del generador hacia las cargas conectadas al final de la línea,

las cuales se detallarán más adelante, para ello se usará como elemento de medición unos


multímetros conectados en serie con la línea. La configuración de estos elementos de

medición se hace de manera enteramente grafica, haciendo “doble clic” en su icono, donde

se muestra la ventana siguiente, Figura 2.8.

Figura 2.8. Configuración y Canales de Salida del Multímetro.

En este caso se tomará como medidas el flujo de potencia activa, la corriente y el voltaje en

la carga. Se habilitan estas opciones a través de la palabra YES en las interrogantes de

dicha ventana. Los demás datos son el valor en por unidad de la base de potencia activa,

constante de tiempo de amortiguamiento de la señal que será de un valor ligeramente

pequeño de tan solo 0.02 s, valor de la frecuencia, etc.

Por último para el correcto funcionamiento de estos elementos de medida están los canales

de salida o “signal name” ya vistos en el capítulo anterior, sólo se debe recordar que para el

momento del “ploteo” o de graficar la señal debe tenerse en cuenta que los nombre puestos

en estas salidas deben ser las mismas que llevará las etiquetas de los canales, de lo contrario

dará errores y la simulación no se ejecutará, porque estas no reciben ninguna señal.

II.2.5 Cargas:

Las cargas utilizadas son de tipo fijas conectadas a cada fase de la línea de alto voltaje, tal

como se muestra en la Figura 2.9


Figura 2.9. Datos de las Cargas.

Para el diseño de este proyecto se consideran todas las cargas iguales con el fin de obtener

un circuito balanceado. Los datos entrados son: potencia activa de 100MW, reactiva de 25

MVAR, la frecuencia que es un valor fijo y constante (60 Hz.), la dependencia de estas

potencias con la variación del voltaje y de la frecuencia. Los otros datos necesarios son la

resistencia, capacitancia y la inductancia. Se debe mencionar además que se pueden usar

cualquier tipo de cargas desde las más simples como son las resistencias, capacitancias, etc.

II.2.6 Simulaciones.

Después de tener configurada toda la red de alto voltaje se pasa a la etapa de simulación, la

cual debe ejecutarse eficientemente siempre que los datos introducidos estén correctos. Uno

de los objetivos del ejemplo desarrollado es el flujo de carga el cual se muestra por medio

de diferentes gráficas que nos permiten visualizar las diferentes ondas de parámetros en el

tiempo y analizar su comportamiento. Cabe recalcar que estas se muestran en los intervalos

deseados para mejor visualización.


En las Figuras 2.10, 2.11, y 2.12 se muestran las ondas de voltaje, potencia activa por cada

una de las fases y la corriente por la fase C obtenidas en la simulación. Las mismas

resultaron ser sinusoidales como se puede observar.

Figura 2.10. Ondas de Voltaje.

Figura 2.11. Ondas de Corriente por las Fases


Figura 2.12. Ondas de Potencia Activa.

II.3 FALLA A TIERRA DE UNA FASE DEL CIRCUITO GENERAL.

Se simulará una de la falla más frecuentes de las redes de transmisión, la falla monofásica a

tierra, en este caso la fase C a tierra tal y como se muestra en la Figura 2.13.

Figura 2.13. Circuito General.

Este diseño presenta los mismos datos que el anterior, con la diferencia de que ahora se

usará un panel con control para el tiempo de duración de falla, el cual es mostrado en

Figura 2.14. El objetivo es analizar el comportamiento de las diferentes magnitudes ya

descritas anteriormente, observar el desbalance de la red, etc.


Figura 2.14 Circuito de Control de Tiempo de Duración y Limpieza de la Falla

Tal como se muestra en la Figura 2.15 el circuito permanece igual hasta el momento que

ocurre la falla por lo que las ondas de voltajes y corrientes permanece iguales en las tres

fases hasta ese momento, tienen la misma amplitud, y una diferencia de ángulos de 120

grados Sin embargo, tal y como se puede observar en la Figura 2.15 en el momento en que

ocurre la falla el voltaje de la fase C tiene un valor cero hasta el momento de su limpieza,

que es después de un 0.1 segundos y en las otras dos fases se incrementa el voltaje a un

valor aproximado de 500kV para la fase B y 400kV para la fase A. En la red ocurre un

desbalance.

Figura 2.15. Variación de las ondas de voltaje durante el tiempo de falla.

El flujo de potencia durante la falla se muestra en la Figura 2.16.


Figura 2.16. Flujo de potencia activa durante el cortocircuito.

La potencia activa por las tres fases varía durante la permanencia de esta anomalía en la

red. Por los conocimientos básicos adquiridos durante en el transcurso de la carrera se sabe

que la potencia activa es directamente proporcional al voltaje, la corriente y al coseno del

ángulo que existe entre ellos (factor de potencia), por lo tanto al incrementar el voltaje en

las fases no falladas también se incrementa el flujo de potencia, se puede observar que se

incrementa casi el doble de la potencia que consuma la carga durante un tiempo corto que

es el tiempo en que se mantiene el cortocircuito, después ocurren algunas oscilaciones de

potencia que se van atenuando, hasta que se estabiliza la misma al valor antes de ocurrir el

cortocircuito.

De igual manera pasa para la potencia reactiva en las fases sanas al incrementarse el valor

del voltaje superior al nominal, trae consigo también que se incrementen estos valores,

como se muestra en la figura 2.17. Ocurre distorsión en las ondas durante la permanencia

de esta falla en la red.


Figura 2.17. Flujo de potencia reactiva en las fases sanas durante el cortocircuito.

El gráfico de la potencia reactiva en la fase fallada se muestra en la Figura 2.18.

Figura 2.18. Potencia reactiva por la fase fallada.

La explicación de la variación de la potencia reactiva por la fase fallada, se puede obtener

de la expresión elemental de la potencia reactiva:

δsenIVQ ***3= (2.1)


Como se observa esta potencia también es proporcional al voltaje y a la corriente, pero en

el momento que ocurre la falla hay un gran incremento de la corriente por esta fase, figura

2.19, mucho mayor que las otras dos, es por ello que se aprecia un pico de

aproximadamente 80Mvar que es perjudicial para la carga que estamos alimentando, este

incremento es por un tiempo corto porque después el voltaje tiende a un valor cero y por lo

tanto esta potencia también.

Cuando se trata de hacer los cálculos para seleccionar las protecciones e incluso para

simplemente tener una idea de la intensidad de la corriente que pasa por la fase durante el

tiempo de permanencia de la falla, el PSCAD mediante su editor gráfico permite observar y

a la vez comparar la variación de esta magnitud, Figura 2.19.

Figura 2.19. Comparación de la Corriente entre una Fase Normal (B) y una Fase

Fallada(C).

Sólo se muestran dos de las tres corrientes que circulan por el circuito para tener mejor

comprensión del desbalance que provoca una falla y el incremento de la corriente de la

misma. Del gráfico de la Figura 2.19 se observa que por la fase fallada antes del inicio de la

misma, la corriente es sinusoidal tiene la misma amplitud que la otra y tiene un ángulo de

defasaje de 120 grados entre ellas. En el momento que se inicia la falla en la red hay picos

de corriente que alcanzan para este diseño valores aproximados a los 4kA por la fase C, el


cual se va atenuando según pasa el tiempo y se limpia la falla, esta corriente no debe

permanecer por mucho tiempo porque como el voltaje en esa fase tiene un valor que tiende

a cero ocurre que provoca variaciones en las demás fases, variaciones de la frecuencia y el

generador puede salir de sincronismo, en el peor de los casos se puede perder la estabilidad

del sistema. Es por estas razones que se debe tener como un punto muy importante al

momento de diseñar una nueva red, las protecciones eléctricas que se ubicarán en las

mismas, el tiempo que deben eliminar las fallas, etc. para evitar las interrupciones y una

energía de mala calidad.

II.4 EJEMPLO DE UN BLOQUE GENERADOR TRANSFORMADOR.

II.4.1 Descripción:

El circuito mostrado en la figura 2.20 presenta un bloque generador transformador al cual

se le va hacer una prueba a través de un cortocircuito trifásico a tierra, los datos nominales

del generador son 120 MVA y un voltaje de 13.8kV, el transformador tiene una conexión

delta - estrella aterrada por secundario con voltajes nominales de 13.8/230 kV por primario

y por secundario respectivamente. Para medir el voltaje en los terminales se conecta un

multímetro en serie con el circuito, la falla a tierra de las tres fases y una fuente de voltaje

modelo uno.

Figura 2.20 Circuito General.


El objetivo del ejemplo es observar como responde dicho elemento en presencia de esta

avería en la red. Para ello se tiene el circuito de control de tiempo para la falla, el mismo se

inicia en 7 s y termina a los 7.2 s, el breaker esta inicialmente abierto. Se mide la corriente

que pasa por el transformador (I), corriente por el campo (If), torque mecánico (TM),

voltaje en los terminales (Vt) y por último la velocidad angular (W).

En la Figura 2.21 se puede observar como incrementan las corrientes por las tres fases del

generador durante el cortocircuito teniendo en cuenta que antes de que ocurra la falla la

máquina se encuentra en vacío.

Figura 2.21 Corrientes por cada una de las fases.

La corriente por el campo antes de que se produzca la falla es constante y de un valor de

uno en por unidad, como se muestra en la primera parte de la Figura 2.22. En el momento

que ocurre el cortocircuito es decir a los 7s, se puede observar como se incrementa para

mantener el voltaje en sus terminales en un valor fijo y constante. Sin embargo, se observa


que este incremento de corriente no es suficiente y el voltaje cae a un valor cero (parte

inferior de la Figura 2.22), y en el momento de la limpieza de la falla se aprecia que este

valor de voltaje regresa a su valor inicial, al igual que la corriente de campo.

Figura 2.22 Corriente por el Campo y Voltaje en los terminales.

La figura 2.23 muestra como el torque mecánico aumenta durante el fallo, de tal manera

que debe permanecer la velocidad angular en un valor fijo y constante que es de 377 rad/s

Figura 2.23 Torque mecánico y velocidad angular.

CAPÍTULO 3 EJEMPLO DE UNA LÍNEA REAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO 40CUBANO

CAPITULO III

“Ejemplo de una Línea Real del Sistema Eléctrico Cubano”

III.1 Introducción.

En este capitulo se diseña un proyecto en base a datos reales de los elementos y ajustes de

protecciones de una línea de enlace simple en un circuito de 220kV del SEN con vista a

comprobar el comportamiento de las protecciones instaladas en condiciones reales ya

estudiadas por métodos convencionales. Se simulan cortocircuitos con impedancias

equivalentes en ambos extremos. El trabajar con la versión estudiante nos limita el número

de nodos a utilizar y de la misma manera los interruptores que se pueden simular por lo que

se decidió prescindir del interruptor en Vicente donde se observa el comportamiento en el

plano impedancia y por ello las graficaciones del disparo y eliminación de la falla no son

reales. El proyecto diseñado se muestra en la figura 3.1.

Figura 3:1. Circuito General.


Se diseñan y grafican las características relé tipo Mho el cuál tiene como valores de ajustes

los reales para de esta línea. Se puede observar el desarrollo del punto de impedancia (Z) en

el plano complejo R-X en cada una de las simulaciones realizadas.

Para ello se simulan cortocircuitos de dos tipos: de fase a tierra (fase a ha tierra, A-G) y

bifásico (entre las fases b y c, B-C). Se varía la distancia del cortocircuito al punto de

lectura o medición y se realizan aperturas secuenciales para distintos valores de resistencia

de falla (Rf), lo que permite observar el efecto de la fuente intermedia del otro extremo de

la línea sobre la impedancia vista por el relé. Se varía el flujo de potencia prefalla con vista

a lograr distintos comportamientos de la componente imaginaria que “ve” el relé debido a

la diferencia que existe entre los ángulos de potencia “δ” de ambos extremos.

Como las reactancias equivalentes de secuencia positiva y secuencia cero, y

respectivamente no son iguales, se debe seleccionar una fuente de voltaje “Modelo 1” que

ofrece la posibilidad de diferenciarlas. Se selecciona un modelo de línea con dependencia

de la frecuencia pues el efecto de la reactancia así lo requiere. Por lo antes mencionado este

diseño se realizara con datos reales tanto de estructuras como de conductores.

1x 0x

III.2 Conceptos previos a tener en cuenta para la correcta comprensión

del ejemplo.

1. Factores que afectan la medición de la impedancia a la falla [Altuve, Warrington,

Mason, Iriondo, ABB]:

• Efecto de fuentes intermedias “Infeed”.

• Resistencia de arco.

• Acoplamiento mutuo.

• Corriente de magnetización “Inrush”.

• Transformadores de medida.

• Líneas sin transposición de fases.

Estas causas se comportan errores en la medición de impedancia por lo da como resultados

que la impedancia aparente medida por el relé sea superior o inferior al valor que se


considera verdadero en condiciones lineales (ausencia de tales efectos). Cuando el relé

mide una impedancia de línea inferior a la que le corresponde por la posición de falla, se

dice que el relé sobrealcanza. Cuando el relé mide una impedancia superior a la verdadera

se dice que el relé subalcanza. Cuando actúan simultáneamente varias causas, puede

producirse en ocasiones, una cierta cancelación de los errores cuando un tipo de causa

tiende a producir errores de sobrealcance mientras que otras dan errores de subalcance. Por

lo que se refiere a la función de protección de distancia, los errores de sobrealcance o

subalcance solo son críticos cuando hacen que el relé se “equivoque” de zona de medida.

Sin embargo para la función de localización de fallas el error tiene la misma criticidad en

cualquier punto de la línea.

2. Efecto de las fuentes intermedias. (“Infeed”).

Para que las protecciones puedan medir correctamente la impedancia de la falla es

necesario que el voltaje que reciba dependa exclusivamente de la corriente local. Pero

muchas configuraciones de la red pueden dar lugar a que esto no se cumpla, uno de estos

casos típicos se muestran en la figura. 3.2. En la que el voltaje V que recibe el relé S

además de depender de su propia corriente local de falla Is depende también de la corriente

IL aportada a la falla por el sistema en el extremo remoto a través de la línea LK y que

evidentemente no pasa por el relé S. La aportación IL en el extremo remoto es una

inyección extra de corriente de falla, que tiene lugar dentro de las zonas II y III de S y que

se conoce en la terminología anglosajona como “Infeed”.

Figura 3.2. Efecto de las fuentes intermedias.


Si se supone una falla de tipo trifásica en el punto F de la línea KM, se tiene que:

La impedancia real de la línea entre el relé S y la falla F es:

JFKFJK ZZZZreal =+= (3.1)

El voltaje medido por el relé S:

KFLKFJKSKFLSJKSJ ZIZZIZIIZIV *)(**)(* ++=++= (3.2)

Es decir, el voltaje que ve el relé tiene dos componentes, que son dos caídas de voltaje, la

primera que depende de la corriente local que atraviesa el relé,

mientras que la segunda , que no depende de , es la caída de voltaje originado

en el tramo KF por la corriente entregada a la falla a través de la línea LK. Este último

término representa un término de error.

)(* KFJKS ZZI + SI

KFL ZI * SI

LI

La impedancia medida por el relé será por tanto:

( ) KFS

LKFJK

S

SS Z

IIZZ

IV

Z *⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++== (3.3)

KFS

LJFS Z

IIZZ *⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= (3.4)

Es decir: KFS

LS Z

IIZrealZ *⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= (3.5)

Por tanto el error absoluto de la medida será: KFS

LS Z

IIZrealZ *⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=−

Este error da lugar a que, bajo estas circunstancias, deje de ser cierta la simple relación

lineal de proporcionalidad entre la impedancia que mide el relé y la distancia a la falla.

El citado error, que es variable, puede llegar a ser importante cuando la relación ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

S

L

II

es

elevada y la falla ocurre cerca del extremo M. Como e estarán prácticamente en fase,

este error es siempre positivo, es decir el relé mide una impedancia aparente variable pero

SI LI


siempre será superior a la real o dicho de otra modo, el relé ve la falla mas lejos (punto F’)

que donde realmente esta (punto F). Figura 3.2

3. Resistencia de Arco.

Cuando se produce una descarga eléctrica a lo largo del contorno exterior de un aislador de

una línea aérea o entre conductores de fase, la corriente de falla se establece a través de un

arco eléctrico, que es lo normal, las fallas limpias son poco probables en las líneas y otros

equipos eléctricos. El arco puede presentar una resistencia eléctrica que es prácticamente

óhmica y cuyo valor, para el caso del aire en reposo y durante los primeros ciclos de falla,

puede calcularse por: [Warington]

))(

*28710( 4.1F

A IlR = (3.6)

Donde:

:l Es la longitud del arco (separación entre conductores de fase o distancia entre fase y

apoyo metálico de la línea), se da en metros (m).

FI : Corriente de falla (corriente de arco), en Ampere (A).

:AR Resistencia de arco (Ω)

En la figura 3.3 se muestra como varía la resistencia y el voltaje de arco por cada metro de

longitud de este, en función de la corriente de falla.


Figura 3.3. Relación de resistencia del arco y voltaje a través del arco con la corriente de

falla.

La resistencia de arco en serie con la impedancia de la línea modifica la impedancia medida

por el relé, trayendo una medida incorrecta de la misma. Es más, cuando la falla está

alimentada desde ambos extremos de la línea y existe un desfase entre las corrientes e

desde cada extremo, las protecciones de distancia de las líneas miden incluso una

reactancia distinta de la que presenta la propia línea a pesar del carácter prácticamente

resistivo del arco.

SI

RI

4. Acoplamiento Mutuo entre Circuitos:

Por razones económicas y por limitaciones administrativas en la concesión de licencias para

la construcción de las líneas aéreas con objetivo de proteger el medio ambiente, se tienes

que tender en muchas ocasiones, dos o más líneas con trazados paralelos y próximos entre

sí. Incluso es típico colocar varios circuitos trifásicos sobre las mismas torres. Esta

situación se da con más frecuencia en áreas con una fuerte densidad de población.

El paralelismo y proximidad entre circuitos origina errores de medida en sus protecciones

de distancia (y localizadores de fallas), básicamente cuando se producen fallas a tierra, a

causa de la impedancia de acoplamiento mutuo de secuencia cero, , que aparece entre MOZ


ellos debida al flujo magnético común que enlaza a los circuitos. En estos casos deja de ser

simple la relación de proporcionalidad entre impedancia y distancia de falla.

Cuando en uno de los circuitos se producen fallas entre fases, sin contacto con tierra, solo

intervienen corrientes de secuencia positiva y negativa, siendo, en estos casos, los errores

de medida moderados ya que la impedancia de acoplamiento mutuo, para estas secuencias,

es baja (como mucho del orden del 5% de la impedancia directa).

Por el contrario, cuando se producen fallas a tierra, como es el caso a analizar y además la

falla más frecuente, circulan las corrientes de secuencia cero, y no debe olvidarse que en

estas condiciones la impedancia mutua de secuencia cero entre circuitos puede ser del

orden del 50 al 55% de la impedancia propia de secuencia cero de un circuito (en el

caso de estos circuitos sobre la misma torre en todo su recorrido puede llegar hasta el 70%).

Este hecho debe tenerse en cuenta tanto en el cálculo de las corrientes de falla como en la

evaluación de los errores de medida ya que éstos pueden ser elevados en determinadas

configuraciones.

MOZ

LOZ

El paralelismo puede darse a lo largo de toda la longitud de los circuitos o solo en una parte

de los mismos. Los circuitos pueden pertenecer a redes de tensiones diferentes o trabajar al

mismo voltaje. En este último caso pueden estar eléctricamente unidos en un extremo o en

ambos.

5. Corriente de Magnetización (Inrush).

Cuando se conecta una línea de alto voltaje que alimenta un transformador de potencia,

como el mostrado en la Figura 3.4, aparece transitoriamente en el mismo durante un cierto

numero de ciclos una corriente elevada que se va amortiguando en amplitud conforme

transcurre el tiempo; esta corriente se llama comúnmente corriente de magnetización. En

estas condiciones, el relé de distancia S tiende a sobrealcanzar porque ve una impedancia

baja pero, al no tratarse de una condición de falla, no debe disparar. La corriente de

magnetización se caracteriza por tener un contenido de 2º armónico relativamente elevado

que no está presente normalmente en la corriente de falla; en el diseño del relé se puede

utilizar esta característica para distinguir esta condición de una falla.


Figura 3.4. Corriente Inrush

Cuando un transformador esta energizado y en régimen permanente estabilizado, la onda

del flujo magnético en el núcleo es prácticamente una sinusoide pura que está retrasada

respeto a la onda sinusoidal de voltaje de alimentación de la red un ángulo cercano a 90º,

por tanto, el valor máximo de flujo Фmax (positivo o negativo) ocurre en las proximidades

de los ceros de la onda de voltaje. Para aprovechar bien el núcleo magnético, el

transformador esta diseñado de forma tal que flujo máximo en régimen permanente, Фmax

sea algo menor pero cercano al valor del flujo de saturación (muy cercano a la rodilla de

saturación).

Cuando se le quita la alimentación a un transformador, puede quedar en su núcleo una

cierta cantidad de flujo magnético residual o remanente (pudiendo ser positivo o negativo)

dependiendo el instante en que se le retiró el voltaje.

El transitorio de conexión que da lugar a la corriente de magnetización ocurrirá siempre que

el flujo remanente que existe en el transformador antes de su conexión sea diferente del

valor instantáneo que le correspondería en régimen permanente para el punto de la onda de

voltaje en que tiene lugar la conexión.

El valor máximo inicial de la corriente de magnetización, que depende además de otros

factores tales como: la impedancia de la fuente de la red de alimentación, potencia del

transformador, etc. Esta corriente puede alcanzar valores entre 5 y 20 veces la corriente de

plena carga del transformador e incluso puede llegar a valores superiores en algunos

diseños de transformadores, por lo que tiene el mismo orden de magnitud que la corriente

de una falla que se produjera en las barras K.


En general, el relé de distancia tendrá menos tendencia a la operación como consecuencia

de esta corriente, aún en el caso más desfavorable, que frente a una falla trifásica en el

secundario del transformador de potencia (barras L). Esto es debido básicamente a que a

igualdad de picos, el valor eficaz de la corriente de magnetización es inferior a la corriente

de falla y además la componente de 2º armónico será mayor.

La corriente de magnetización circula sólo por el devanado primario (el que se energiza) y

es relativamente independiente de si el secundario esta abierto o con carga. Por ello el

fenómeno tiene más relevancia en el caso de las protecciones diferenciales, especialmente

en las diferenciales de transformador ya que estando el transformador en vacío la corriente

de magnetización se convierte íntegramente en corriente diferencial.

6. Transformadores de Medida:

Solo se tratarán ciertos detalles los conceptos de los transformadores para las protecciones

que tienen relación con los errores de medida. Los transformadores de medida de voltaje (o

de corriente), tienen por objeto alimentar los circuitos (o de corriente), de los relés y otros

aparatos entregando los mismos una réplica lo más fiel posible de la primaria. Esta réplica

es una magnitud que está aislada galvánicamente de la red de alta tensión primaria, es de

valor reducido y normalizado por ejemplo 3/110 V para el voltaje y 5 A para la corriente

y en condiciones de uso normales y con la polaridad adecuada, esta prácticamente en fase

con la magnitud primaria que representa.

Los transformadores de corriente deben trabajar con sus secundarios lo más cerca posible

de la condición de cortocircuito mientras que los de voltaje trabajan con su secundario en

condiciones más cercanas a circuito abierto.

Normalmente, en redes de alta tensión protegidas con relés de distancia, el devanado

primario de cada transformador se conecta entre fase y tierra. El primario y secundario

están enrollados sobre el mismo núcleo magnético. Estos transformadores pueden tener

más de un secundario por ejemplo 3/110 V para alimentar los circuitos de fase y de

110/3 V para formar circuitos de voltaje residual, mediante una delta abierta, y alimentar el

circuito de polarización de los relés direccionales de tierra. Si el transformador tiene sólo

un secundario, este puede alimentar a la vez tanto relés de protección como otros equipos

CAPÍTULO 3 EJEMPLO DE UNA LÍNEA REAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO

CUBANO 49

de medida (tales como contadores de energía) con tal de que tenga la potencia y la clase de

precisión adecuadas.

Para voltajes de aproximadamente 110 kV y superiores suele ser más económico el empleo

de transformadores de voltaje capacitivos y mucho más si también se utilizan como

elementos de acoplamiento para comunicaciones por onda portadora de alta frecuencia.

Al contrario del transformador inductivo que es muy estable y con buena respuesta

transitoria, en los transformadores capacitivos hay que tener en cuenta una serie de factores

que les afectan en mayor o menor grado tales como la frecuencia, temperatura y estabilidad

en el tiempo. Así mismo, su respuesta transitoria es peor que los transformadores

inductivos.

El caso de transformadores de corriente es diferente. El primario se conecta en serie con el

circuito de potencia y si tiene varios secundarios, cada uno de ellos esta enrollado sobre un

núcleo independiente, siendo lógicamente el primario común a todos ellos. En este caso, las

variaciones de carga de un secundario no afecta la precisión de los restantes secundarios.

Los relés de protección deben alimentarse de secundarios de protección mientras que los

equipos de medida deben alimentarse de secundarios de medida cuyos requisitos son

diferentes. Para no encarecer innecesariamente los equipos de medida no se les obliga a

soportar elevadas corrientes de fallas por lo que un secundario para alimentar equipos de

medida debe saturarse antes de que la corriente primaria supere determinado valor (por

ejemplo cinco veces la corriente nominal de dicho transformador). Sin embargo, se puede

demostrar que la respuesta transitoria de estos transformadores de corriente no es buena,

por lo que en el secundario no se traduce correctamente o fielmente la corriente de

primario, de manera introduce errores en la medición de impedancia.

7. Líneas no transpuestas:

Si una línea no es transpuesta existe diferencia entre las impedancias equivalentes, y por lo

tanto se está en presencia de una línea asimétrica, esto trae como consecuencia diferencias

de corrientes y de voltajes en el Sistema Eléctrico.


CUBANO 50

III.3 Requisitos de las protecciones.

El campo de las protecciones tiene una antigüedad del orden de unos 70 años y a lo largo

de este período ha habido grandes evoluciones con la utilización de distintas tecnologías.

Los fenómenos de la red siguen siendo prácticamente los mismos y las anomalías de las

que deben proteger también, pero las posibilidades que ofrecen las nuevas tecnologías

deben de hacernos replantear todos los fenómenos derivados de las perturbaciones en el

sistema eléctrico, para hacer el mejor uso y aplicar nuevas técnicas en la selección y

detección de las faltas.

A todo relé o sistema de protección, se le exigen cuatro requisitos fundamentales para que

realice su función correctamente. Estos requisitos son: Sensibilidad, Selectividad, Rapidez

y Fiabilidad.

III.3.1 Sensibilidad (Para la simulación hasta un 75% del valor de la línea)

El relé debe ser lo suficientemente sensible para operar en las condiciones de fallo mínimo

que se pueda dar en la parte del sistema que tenga encomendada. En cualquier sistema

eléctrico, en varias ocasiones en el día y durante las distintas estaciones del año, la carga

puede variar entre límites muy amplios. Para cubrir estas exigencias cambiantes de la carga

solicitada, es preciso poner diferentes combinaciones en la generación con el fin de atender

la demanda de la forma más adecuada. La condición de mínima exigencia de generación es

generalmente la que nos va a definir la sensibilidad del relé. En estas condiciones, circulará

por la protección la mínima corriente de fallo al producirse un cortocircuito y, el relé deberá

ser lo suficientemente sensible para detectar ese fallo.

III.3.2.Selectividad (Para la simulación hasta un 85% del valor de la línea).

La selectividad de un relé de protección es la facultad para reconocer inequívocamente una

falla dentro de la zona que tiene encomendada y posteriormente, disparar el/los

interruptores necesarios para despejar la falla. Los relés deben de seleccionar entre aquellas

fallas para las que deben de operar por haberse producido en los propios equipos que

protegen, de las fallas que se produzcan en otros equipos para las que no deben de operar.


CUBANO 51

Algunas protecciones son inherentemente selectivas y ello implica el que no se vean

afectadas por las fallas que se produzcan fuera de los equipos o de las zonas que tienen

bajo su responsabilidad. Un ejemplo de este tipo de esquemas inherentemente selectivo es,

el de las protecciones diferenciales.

III.3.3 Rapidez.

El relé debe de operar con la rapidez adecuada. Por supuesto que la rapidez es esencial en la

separación del elemento dañado de la red, para evitar que se produzcan mayores

desperfectos debidos a los efectos del cortocircuito y de esta manera, reducir los costos de

reparación y el de su permanencia fuera de servicio. La rapidez de operación tiene además,

repercusión directa en la estabilidad general del sistema eléctrico. Durante una falla por

cortocircuito, el resto de la red transmite menos energía y algunos generadores tienden a

perder el sincronismo, pudiendo producirse en ellos la salida de paralelo. Cuanto menor es

el tiempo de mantenimiento de la falla, es menos probable que los generadores pierdan el

sincronismo y en consecuencia, afectará menos a la estabilidad del sistema.

III.3.4 Fiabilidad.

Además de los requisitos anteriores, para que un sistema de protecciones funcione

satisfactoriamente, debe de ser fiable. La fiabilidad (reliability) es la medida del grado de

confianza de que un sistema de protección va a actuar correctamente.

El término fiabilidad engloba dentro de sí dos conceptos. Por un lado, la obediencia

(dependability), que es la cualidad de que una protección opere correctamente cuando es

requerido para operar y por otro lado la seguridad (security), que es la cualidad de no

operar ante unas causas extrañas, evitando actuaciones incorrectas. La fiabilidad de un

sistema de protecciones depende, en primer lugar, de la fiabilidad de los propios relés y, en

segundo lugar, de su aplicación, de su correcta instalación y de su mantenimiento

preventivo.


III.4 Funciones de protección.

III.4.1 Curvas características.

Un relé o función de protección puede actuar por dependiendo si mide una sola magnitud

eléctrica, bien sea corriente, voltaje o frecuencia y también por la acción simultánea de dos

magnitudes tales como corrientes y/o voltajes. En este último caso, en la operación del relé

pueden intervenir, el ángulo de fase, la relación entre las magnitudes eléctricas o bien, la

combinación de ambas.

Se denominan curvas características de operación a los gráficos que muestran la relación

entre las magnitudes que van a hacer actuar al relé.

Cuando la actuación del relé es por una sola magnitud su respuesta es puramente función

del tiempo, como se muestra en la Figura 3.5. Cuando la actuación es por dos magnitudes,

las características se pueden representar por una magnitud y el ángulo de fase entre las dos

magnitudes como en la Figura 3.6, en términos de la relación entre las dos magnitudes

como en la Figura 3.7 o bien, como la combinación entre la relación de las dos magnitudes

y su ángulo de fase como se muestra en la Fig.3.8. Además se pueden representar en unos

gráficos de tiempos, los tiempos de operación.

TIEM

POS

MAGNITUD

Figura 3.5 - Magnitud y tiempo.


0º360º

90º

180º

270º

RELACIÓN ENTRE MAGNITUDES

ÁNGULO DE FASE

θ

Figura 3.6 - Relación entre dos magnitudes y ángulo

MAGNITUD 1

MA

GN

ITU

D 2

Figura 3.7. Relación entre dos magnitudes

0º

90º

270º

MAGNITUD

ANGULO DEFASE

360º

θ

Figura 3.8 Magnitud y ángulo.

Las curvas características tienen especial interés a la hora de establecer los valores de

respuesta y con los que deduciremos también, otros parámetros tales como la sensibilidad,


CUBANO 54

la velocidad de actuación y la selectividad, todos ellos muy útiles en la coordinación de las

protecciones.

III.5 Funciones básicas de protección.

Existen muchos tipos de funciones y también combinaciones de funciones formando

conjuntos o equipos de protecciones para proteger debidamente los diversos elementos que

integran los SEP. Ahora bien, son pocas las diferencias fundamentales entre los distintos

tipos de funciones de protección. Las curvas características de operación de los equipos de

protección de uso actual, se derivan esencialmente de un número reducido de funciones

básicas. Describiremos estas funciones básicas, señalando en cada caso, sus ventajas e

inconvenientes.

• Funciones o relés de una sola magnitud - Serán las funciones que responden a una

sola magnitud eléctrica de entrada. También denominadas por algunos autores como

comparadores de nivel. Un ejemplo típico es la función de sobrecorriente que

responde al cambio de nivel en la magnitud de la corriente de entrada, bien sea

midiendo el valor pico o el valor eficaz. También entrarán en este grupo las funciones

de voltaje y de frecuencia.

• Funciones o relés direccionales - Estas funciones responden al ángulo de fase entre

dos magnitudes de entrada de corriente alterna. Se les incluye también dentro del

grupo de comparadores de fase. La comúnmente denominada unidad direccional, es

la que compara el ángulo de fase entre una corriente y un voltaje, aunque a veces

puede ser también el ángulo entre dos corrientes. Dentro de este grupo se incluyen las

unidades direccionales de potencia y las funciones de comprobación de sincronismo

de dos partes de un sistema o de dos sistemas diferentes.

• Funciones o relés diferenciales - Estas unidades responden a las magnitudes

obtenidas como resultante de la suma algebraica de dos o más magnitudes eléctricas

de entrada. Se les incluye en un grupo que algunos autores denominan comparación

de magnitud. En su forma más extendida, esta función responde a la suma algebraica

de las corrientes que concurren a una zona definida de protección. Puede hacerse de


CUBANO 55

forma que la suma algebraica represente, si existe, la corriente de falla en la zona de

protección. También se puede tener en cuenta aquí las funciones que operan por

comparación de una magnitud, con otras magnitudes bien sean corrientes o voltajes y

que se denominan relés de equilibrio.

• Funciones cociente de dos magnitudes - Tales funciones responden a la relación

entre dos magnitudes de entrada expresadas por fasores. La relación entre dos fasores

es un número complejo y su cociente podemos indicar, que responde a la magnitud de

este número complejo o al mismo complejo en sí. Las funciones de cociente más

conocidas son las diferentes versiones de las unidades de impedancia, conocidas

también como unidades de distancia.

• Funciones diversas - Existen unas funciones o relés que no podemos identificarlos

propiamente como unidades que realizan funciones de protección, sino más bien se

integran junto con otros dispositivos para completar equipos de protecciones. Como

más significativos incluimos en este grupo, las funciones o relés de comprobación de

sincronismo y los relés de reenganche o recierre.

III.6 Teleprotecciones

Las funciones o relés que forman los equipos de teleprotecciones utilizan como una de las

señales de entrada, la información facilitada por un canal de comunicaciones desde uno o

varios extremos remotos. Algunos autores los incluyen dentro de un grupo denominado de

relés con comunicación de extremos las denominadas protecciones pilotos. Generalmente

este tipo de función de protección recibe a través de un sistema de comunicaciones la

decisión tomada por una protección remota, que normalmente es del tipo de una de las

funciones reseñadas anteriormente, haciendo uso de esta señal para actuar de forma

selectiva ante las fallas que se produzcan dentro de una zona

Como se mencionó anteriormente, estos son algunas de los aspectos a tener en cuenta a la

hora de seleccionar una protección, en dependencia esta a lo que se va a proteger así como

también debemos tener en cuenta la parte técnica-económica, pero sobre todo se debe

garantizar la calidad de la energía y la no interrupción del servicio hacia los consumidores.


CUBANO 56

III.7 Filtrado de la Señal.

En el área del procesamiento digital de señales en general utiliza filtro denominados

Antialiasing, ya que permiten minimizar el denominado “aliasing” [Libro de protección

digital] cuando se desea representar una señal de alta resolución en un sustrato de más baja

resolución. En la mayoría de los casos el antialising consiste en la remoción de la

información de frecuencia demasiado elevada para poder ser representada.

III.7.1 Aliasing.

Es el efecto indeseable que causa que señales continuas distintas se tornen indistinguibles

cuando se les muestrea digitalmente. Cuando esto sucede la señal original no puede ser

reconstruida de forma univoca a partir de la señal digital.

El aliasing es un motivo de preocupación mayor en lo que concierne a la conversión

analógica–digital de señales de audio y video: el muestreo incorrecto de señales análogas

puede provocar que señales de alta frecuencia presenten dicho aliasing con respecto a

señales de baja frecuencia.

III.8 Filtrado Digital.

La implementación de un comparador de ángulo de fase para un relé de distancia se basa en

las componentes de la frecuencia fundamental de las señales de voltaje y corriente

aplicadas al relé. En un relé analógico típico se usa un filtro paso de banda, el cual se usa

para eliminar las frecuencias alta y bajas que no requiere este elemento. Mientras que un

relé digital incluye un filtro analógico para controlar el efecto Anti-aliasing de tal manera

que elimina las componentes de armónicos superiores. El filtrado Anti-aliasing es un tipo


de filtro paso bajo con una corriente máxima de corte para una determinada muestra de

datos.

El PSCAD permite hacer el siguiente diseño para el filtrado de la señal antes de ser tomada

o aplicada al relé de distancia Figura 3.9

Figura 3.9 Circuito General de Protección.

Haciendo “doble click” en el icono que pertenece al filtro digital aparece la ventana de la

figura 3.9 donde se observan que las señales de voltaje y corriente pasan por un filtro de

Fourier para evitar los armónicos de orden superior

Además se debe mencionar que para obtener mejores resultados se puede añadir un filtro

analógico de tipo paso bajo antes del filtro digital con el motivo de eliminar las

componentes de alta frecuencia ya que podemos limitar hasta diez veces la frecuencia

nominal, de tal manera que sólo se trabajaría con frecuencias inferiores a 600Hz. El

PSCAD usa un filtro de Fourier mostrado en la figura 3.10


Figura 3.10. Filtro de Fourier

Para el caso del relé de distancia, nuevamente haciendo “doble click” en el icono se observa

que como el PSCAD de forma gráfica y de manera simple se conectan las señales ya

filtradas anteriormente a los dispositivos de protección, tanto para la falla monofásica como

para la bifásica. Figuras 3.11 y 3.12 respectivamente.


Figura 3.11 Protección de fase a tierra.

Figura 3.12 Protección de fase.


La configuración de la protección tipo Mho se realiza haciendo “doble click”en el icono de

tal manera que se entra a la siguiente ventana. Figura 3.13.

Figura 3.13: Configuración del Relé de Distancia Tipo Mho.

Es necesario introducir los valores de su radio y el desplazamiento que tiene respecto al

origen de coordenadas, lo cual se realiza si se opta por las variables X, Y de lo contrario se

usará el valor de Z en módulo y ángulo respectivamente.

La configuración del circuito de control de la falla que es el próximo paso para la

simulación se muestra en la Figura 3.14.

Figura 3.14: Circuito de Control de la Falla.

Se necesitan como datos el tiempo de inicio y permanencia de la falla, controlador para el

tipo de falla, la falla propiamente dicha y el tiempo de apertura de la protección. Como ya

es conocido para introducir los valores de sus parámetros se hace “doble click” en cada uno

de los iconos, de tal manera que el tiempo de inicio de la falla es de 0.15 s y permanecerá

por un tiempo de 0.1 s. Primero se simulará el fallo de la fase A ha tierra, por lo tanto se


elige esta opción, el control de la protección será de un solo estado e inicialmente está

cerrado el cual se introduce un valor de tiempo de 0.2 segundos para abrir el circuito, por

lo tanto es obvio que el circuito queda fuera de servicio permanentemente la siguiente

figura 3.15 muestra la configuración detallada de estos elementos.

Figura 3.15: Configuración del tiempo de falla y apertura de la protección.

III.9 SIMULACIONES:

Una vez configurados todos los elementos, estamos aptos para todas las simulaciones que

se va a realizar. La primera corrida será para un 20 % de la longitud total de la línea, vista

desde la parte de Nuevitas, sin resistencia de falla, con una corriente de prefalla igual a cero

debido a que no existe diferencia entre los ángulos de cada fuente y para iguales valores de


voltaje. Se debe mencionar que para esta simulación el relé debe operar ya que por

definición la primera zona debe alcanzar correctamente hasta un 80% de la línea tal como

se verifica en la Figura 3.16.

Figura 3.16. Grafico de ondas de voltaje y corriente, tiempo de falla y señal disparo de la

protección para falla en el 20 % de la línea.

Este gráfico muestra como existen cambios en el voltaje cuando ocurre la falla, pero

además de eso se ve el incremento de la corriente por la fase fallada a un valor

aproximadamente de 6 kA. Esta primera corrida se hace con resistencia de arco igual a


cero. La curva denominada “fit” muestra el inicio de la falla y el tiempo que permanece

presente, mientras que la denominada “Trip Signal” es la señal que recibe la protección, tal

como se muestra en la Figura 3.16, de manera que la misma opera para un valor muy

cercano al cual comienza la falla, de manera que para este porcentaje de línea la protección

opera de forma rápida y muy eficientemente.

Figura 3.17: Característica de los relés de fase y tierra tipo Mho para la falla al 20 % del

inicio de la línea

De la Figura 3.17 se observa que el punto de falla se encuentra dentro de la característica

Mho para la protección de tierra, mientras que para la protección entre fases el punto no cae

dentro de la característica por lo tanto el mismo no opera, no existiendo ningún error en

cuanto a la operación de los relés de fase y tierra.

Seguidamente se realizó la simulación pero ahora para una falla en el 75 % de la línea, y

con una resistencia de falla o arco de 10Ω, obteniéndose los resultados de la Figura 3.18.


Figura 3.18: Grafico de ondas de voltaje y corriente, tiempo de falla y señal disparo de la

protección para falla en el 75% de la línea y Rf = 10 Ω

Para este falla también se afectan las magnitudes del voltaje y la corriente, se observa que

llega a un valor de 2 kA pero lo más importante de esta grafica es que en este momento la

protección de distancia se demora mas tiempo en reconocer la falla, por lo que se debe

tener en consideración en el momento del diseño.


Figura 3.18 Característica Mho con falla al 75% de la línea y Rf de 10Ω.

De las características tipo Mho para este falla en este porciento de la línea y sin diferencia

de ángulos de potencia, se observa que la protección de tierra aún ve la falla y opera

correctamente, pero esta prácticamente en el límite de la circunferencia, cosa que puede ser

perjudicial si por ejemplo aumenta la resistencia de falla ya la protección no la vería esta

falla. Por otro lado se puede observar que la protección de fase no ve la falla, cuestión que

era de de esperar.

Seguidamente se realizó la simulación con una diferencia de voltaje de 30 kV entre el

terminal Nuevitas y Vicente, la cual se muestra en la Figura 3.19


Figura 3.19: Grafico de voltaje y corriente, tiempo de falla y señal disparo de la protección

para falla en 75% de la línea, Rf =10 Ω y diferencia de V igual a 30

Figura 3.20: Característica Mho al 75% Rf de 10 Ohm y Δ kV igual a 30.

De la misma manera mediante la observación de las simulaciones anteriores se demuestra

que para una diferencia de 30 kV de Nuevitas con respecto a Vicente producto de que

aparece una corriente de prefalla a en el momento de la corrida. Los voltajes se ven muy

afectados llegan a tener un valor cercano a los 400kV y las corrientes también sufren

cambios apreciables, para este valor la operación de la protección es de manera eficiente

para la protección de tierra y la característica de impedancia tipo mho ven la falla

correctamente. La protección de fase sigue actuando correctamente como se muestra en la

Figura 2.20.

Se localizó la falla al 85 % de la línea, y se obtuvo el siguiente resultado mostrado en la

Figura 3.21 en cuanto a las corrientes y voltajes.


Figura 3.20 Ondas de voltaje y corriente tiempo de falla y señal disparo de la protección

para una falla en el 85% de la línea, Rf =10 Ω


Figura 3.21: Zona de no operación de la Protección.

De las figuras 3.20 y 3.21 queda demostrado que para un porcentaje superior a al 80% del

total de la línea vista desde la parte de Nuevitas, la falla queda por fuera de la característica

Mho, pues la primera zona de la protección de distancia se ajusta para que proteja un 80

por ciento de la línea, a partir de ahí debe operar con segunda zona hasta la barra siguiente.

A continuación se puede mostrar otra de las posibilidades que brinda el PSCAD para los

estudios de sistemas con protecciones, con el caso de esta línea específicamente. Se puede

usar otro tipo de característica y comparar los resultados en cuanto a operaciones erróneas

producto de los problemas mencionados anteriormente. Se escogió una característica tipo

impedancia que tiene peores cualidades de protección que la de tipo mho, adaptándose peor

al área de falla. La conexión se hizo en la fase a como se puede observar en la Figura 3.22.


Figura 3.22 Característica de los relés de fase y tierra tipo Impedancia para la falla al 20 %

del inicio de la línea

Figura 3.23 Característica de los relés de fase y tierra tipo Impedancia para la falla al 75 %

del inicio de la línea


CUBANO 71

De las figuras anteriores 3.22 y 3.23 se puede verificar como se ve afectado la protección

con el uso de una característica inadecuada, para un 20% de línea la proyección opera

correctamente y responde ante el fallo, igual que la de tipo Mho, pero para un 75% de la

línea ya no opera. Es por ello que se debe tener especial cuidado a la hora de seleccionar

nuestra característica.

.

CONCLUSIONES 72

REFERENCIAS BIBLIGRÁFICAS

1. http:\\www.pscad.com.

2. Visualise, Simulate, verify, solve. PSCAD. The Professional’s Tool for Power

System Simulation. 2003 Manitoba HVDC Research Centre. Canadá. 6 págs.

3. User’s Guide on the use of PSCAD. PSCAD. Power Systems Computer Aided

Design. Manitoba HVDC Research Centre. April 2005 Version 4.2.0. 560 págs.

4. Introduction to PSCAD/EMTDC. 2003 by Manitoba HVDC Research Centre Inc.

134 págs.

5. PSCAD User’s Guide. Manitoba HVDC Research Centre. 54 págs.

6. User’s Guide on the use of PSCAD. PSCAD. Power Systems Computer Aided

Design. Manitoba HVDC Research Centre. December 2003 Version 4.03. 484 págs.

7. Manuales de PSCAD- EMTDC. Manitova HVDC Research Center.

http://www.hvdc.ca.

8. Camilo José Carrillo Gonzáles (2004)”Introducción al PSCAD”. Departamento de

Enxeñeria Electrica Universidad de Vigo.21 págs.

9. Adoni Iriondo Barrenetxea () Protecciones de sistemas de potencia. Departamento

de Ingeniería Eléctrica Universidad del país Vasco.164 págs.

10. C. Russell Mason (1956) “The art and science of protective relaying”. 410 págs

11. Phadke, A.G., Thorp, J.S. “Computer Relaying for Power Systems” John Wiley &

Sons Inc. Research Studies Press LTD, England, 1988, 289 págs.

12. Altuve, H. "Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia". Tomo I pág. 1 - 27 y Tomo II pág. 361 -366. 1991.

13. Warrington,

14. ABB. PROTECTIVE RELAYING. THEORY AND APLICATIONS. Pág. 1-5.

1994

15. Areva T&D, Sistemas de información y automatización (2005) Protecciones de

distancia. Guía de aplicaciones. 437 págs.

16. http://es.wikipedia.org/wiki/Aliasing.

http://www.hvdc.ca/

http://es.wikipedia.org/wiki/Aliasing

CONCLUSIONES 73

CONCLUSIONES

El PSCAD es una poderosa herramienta para el análisis de los fenómenos que

ocurren en un Sistema Eléctrico de Potencia pues el soporte de programación que lo

sustenta modela los distintos elementos con rigurosidad.

Se obtiene un documento en español que permite con una dedicación razonable

introducirse en las técnicas del software.

La versión estudiante puede convertirse en una herramienta auxiliar para profesores

y alumnos en la visualización de fenómenos hasta ahora impartidos teóricamente, a

pesar de tener algunas limitaciones en cuanto a posibilidades de sistemas a analizar,

así como algunos de los elementos que no son posibles de simular en la misma.

En el capitulo 1 se logra una descripción suficientemente detallada de las

posibilidades del software que sirve para la introducción o posterior consulta de los

interesados en las simulaciones con este software.

En el capitulo 2 se analizan ejemplos básicos de proyectos diferentes que detallan

con claridad el uso ya cohesionado de diversos elementos explicados en el capitulo

1, esto por supuesto ayuda al estudiante en familiarizarse con toda la técnica de

diseño de proyectos, además de ver su potencialidad.

En el capitulo 3 se realiza un estudio de una primera zona de distancia en la línea

Vicente-Nuevitas220 kV que corrobora el buen comportamiento de la misma desde

el punto de vista de sensibilidad y selectividad, los niveles de cortocircuitos

obtenidos y las impedancias vistas desde el extremo de Vicente nos confirman las

posibilidades de trabajo en este sentido aun mas en las actuales condiciones

cambiantes del SEN.

Se analiza el efecto de la resistencia del arco (Rf) sobre el comportamiento de los

relés de distancia con características tipo Mho en la frontera de operación así como

el de la variación del ángulo δ y se confirma la afectación producto de estas

situaciones lo cual puede se mejorado con una característica cuadrilateral .

CONCLUSIONES 74

El límite de 15 nodos en la versión estudiante no limita el uso del software en

estudios de proyectos con equivalentes del sistema y más aún la realización de los

mismos con objetivos docentes.

RECOMENDACIONES 75

RECOMENDACIONES

Continuar profundizando el estudio de transitorios con el uso del PSCAD realizando

análisis de fenómenos reales que ocurran en el SEN y que resulten de interés de los

técnicos que lo atienden, logrando una vinculación UCLV-UNE provechosa para el

máximo aprovechamiento de la versión estudiante y su ampliación como

herramienta del sistema.

Continuar trabajando sobre la versión estudiante para determinar sus limitaciones

reales no solo en nodos sino en modelaciones de los distintos elementos.

Diseñar la visualización de la característica cuadrilateral partiendo de su definición

geométrica.

Confeccionar carpetas de proyectos y usar estos en los seminarios de apoyo a las

asignaturas de la especialidad.

Imprimir por partes este trabajo para que sirva como material de estudio y apoyo a

la docencia.

Realizar un análisis de las limitaciones reales en los estudios del SEN que se hacen

en la actualidad y llegar a conclusiones acerca de la necesidad del uso de la versión

profesional.

El uso del software PSCAD para el análisis de Sistemas ...

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