Universidad Central de Venezuela

Facultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera Elctrica

Departamento de Potencia

Sobretensiones Transitorias

Trabajo#2: Recierre de lneas subterrneas en sistemas de distribucin

Nombre: Douglas Carreo; C.I. 17080682

1) Introduccin

A medida que los sistemas de distribucin se han expandido y elevado su tensin de alimentacin, los fenmenos de sobretensiones internas por conexin y desconexin (recierre) de equipos se han presentado con mayor frecuencia [1]. La tendencia general de los sistemas de distribucin en los ltimos aos ha sido la expansin de los sistemas subterrneos tanto para reas residenciales como para nuevas zonas alimentadas mediante lneas areas, desde las cuales se suministra energa a grandes centros comerciales e industriales por medios de cables subterrneos.

2) Desarrollo

Sobretensiones de maniobra. Estn producidas por los bruscos cambios de estado de una red, a causa de maniobras de acoplamientos de redes, conexin, reconexin y desconexin de disyuntores, etc. Estando la instalacin a plena marcha. En resumen, cuando un sistema con resistencia hmica, inductividad y capacidad pasa bruscamente de un rgimen permanente a otro rgimen permanente distinto. Por lo tanto, se trata de fenmenos transitorios y la transicin de uno a otro rgimen permanente va siempre acompaada de ondas de tensin que tienen un carcter oscilatorio amortiguado, desapareciendo cuando han pasado algunos periodos [2].

Recierre automtico. La apertura de los interruptores en las redes elctricas tiene por objetivo desconectar circuitos o equipos y/o eliminar fallas que susciten al sistema. Dentro de estas ltimas las ms frecuentes ocurren en las lneas de transmisin, que suelen ser de naturaleza temporal, una vez que se ha recuperado el aislamiento de la zona fallada, y transcurrido un lapso prudencial, es posible volver a energizar la instalacin porque la falla ha desaparecido. Por tal motivo, es prctica frecuente, en la proteccin de las lneas de transmisin, efectuar un recierre automtico. Estos recierres pueden ser unipolares y/o tripolares [3]. En los sistemas de transmisin comerciales las fallas monofsicas a tierra son las ms comunes en un gran porcentaje, caracterizadas por un arco elctrico, esto suele ocurrir en las cadenas de aisladores donde las condiciones se prestan para que se produzca este evento [2].

Una vez que se origina el arco por defecto de la avera, es detectado por la proteccin y el disyuntor intenta despejar la corriente de falla por el circuito. La apertura de los interruptores posee un tiempo muerto o de espera tpicamente de 200ms a 500ms, antes de la reconexin del sistema, as durante este plazo pueda extinguirse el arco [4]. Algunas veces la reconexin no es exitosa continuando presente la falla, esto es detectado por el sistema de protecciones generando una nueva desconexin. El tiempo muerto durante el despeje de la falla por el interruptor tiene una importante funcin, proporcionar el periodo necesario para la deionizacin del espacio inter-electrodico donde existe el arco elctrico y a su vez mantener la estabilidad del sistema. Es decir el tiempo muerto no puede ser muy corto por que no sera suficiente para la extincin de la falla, pero a la vez no puede ser tan extenso ya que acarreara como consecuencia perdida de la estabilidad del sistema, esto tiene variaciones si la reconexin es trifsica o monofsica.

Figura1. Esquema bsico de la reconexin automtica. La falla se inicia y la proteccin actua rpidamente en su tiempo bsico (tb), abrindose el interruptor durante una pausa o tiempo muerto (tp). Si la falla persiste se

desconecta finalmente la lnea luego de un tiempo (td) [2].

Reconexin monofsica El uso de reconectores monopolares para el reenganche del sistema ante fallas asimtricas puede ser una opcin atractiva segn el sistema elctrico, ya que permite desconectar selectivamente solo la fase afectada ante falla monofsicas [5]. La aplicacin de este esquema genera grandes problemas a la hora de reconexin, dada su dependencia a los factores ambientales presentes donde se produce la falla. Suele aplicarse en sistemas de transmisin que poseen el neutro puesto a tierra para reducir los efectos magnticos que pueden generarse al aplicar esta maniobra. Uno de los fenmenos que se puede presentar al momento del despeje y antes del recierre monofsico es la presencia de un arco secundario. En un sistema trifsico al desconectar selectivamente una de las fases ante una falla monofsica, el acoplamiento electromagntico respecto a las otras dos puede reencender nuevamente el arco de falla [4]. En otras palabras, es la corriente de arco presente en la falla luego que el interruptor abri pero aun recibiendo energa de las fases sanas por el acoplamiento electromagntico, causando que el aire por donde circula el arco tarde ms en desionizarse provocando la reincidencia del arco de falla de falla [5].

Para combatir el fenmeno del arco secundario se aumenta el tiempo muerto para la reconexin del sistema. Este tiempo comparado con la reconexin trifsica suele ser hasta 2.5 veces mayor [4]. De esta forma el medio ionizado tiene ms tiempo para recuperar sus propiedades elctricas normales. Para disminuir el arco secundario puede aplicarse el uso de reactores, pero no es recomendable que compensen la capacitancia 100%, dado que puede producir el fenmeno de resonancia antes condiciones de falla monofsica. Otra opcin para combatir este problema es el uso de interruptores de alta velocidad colocados en ambos extremos de la lnea de transmisin, constituye un mtodo eficiente para extinguir rpidamente el arco secundario [2]. Un sistema donde el neutro se encuentre flotando, existen capacitancias presentes entre las fases y entre cada fase y tierra. Si se produce una falla monofsica a tierra, solamente las capacitancias entre fase y tierra tienen influencia en la intensidad de corriente de falla, mientras que las capacitancias entre fase y fase tienen una importancia secundaria. Al generarse esta clase de avera el neutro adquiere un potencial respecto a tierra, generando la circulacin de corrientes capacitivas a travs del circuito, las cuales se superponen en el lugar de la falla. Estas corrientes contribuyen directamente al rco secundario, en lneas menores a 200km [4].

Reconexin trifsica La aplicacin del reenganche trifsico en los sistemas elctrico resulta ms econmica del punto de vista de simplicidad del sistema, ya que es capaz de despejar todos los tipos de falla posible bajo este esquema de reconexin. Algunas empresas elctricas prefieren utilizar este sistema de recierre como EDELCA [4]. Ya que la pronta desaparicin de la falla es ms factible bajo esta operacin, a pesar de las elevadas sobretensiones que genera. Esta maniobra trae consigo algunas consecuencias como el efecto de carga atrapada y la desenergizacion total de la rama o zona del sistema afectado.

Carga atrapada. En un sistema trifsico operando en rgimen estable existen capacitancias mutuas en las fases y entre cada una de ellas a tierra. Al generarse un despeje tripolar, las lneas de transmisin quedan abiertas, conservando una carga atrapada en forma de voltaje DC en las capacitancias. Esta carga decrecer de forma exponencial a una velocidad que vara segn las condiciones ambientales, llegando en ocasiones a durar varios minutos antes de descargarse completamente con una tensin en sus extremos aproximada a la del sistema elctrico [6]. La ocurrencia de este fenmeno puede ser la causante de incrementos de voltaje en la maniobra de reenganche.

Los cables de media tensin que se emplean en los circuitos de distribucin subterrnea se comportan como un capacitor, donde las placas estn formadas por el conductor y las pantallas semiconductoras sobre el aislamiento del cable y el dielctrico del capacitor se forma con el aislamiento [1].

Figura 2.- cable subterrneo

Como la longitud de onda de una seal AC a 60 Hz es de 5000km considerando que la velocidad de propagacin en el medio es aproximadamente la velocidad de la luz y en cables subterrneos es menor debido a la permitividad del cable que depende del tipo de aislamiento. Tomando en cuenta que las distancias de las lneas subterrneas son cortas podemos enfocar un anlisis bajo el contexto de los parmetros concentrados para realizar el anlisis de los circuitos de distribucin

Valores distribuidos de inductancia y capacitancia de la lnea de distribucin [1].

Primer caso

Figura 3.-forma diagramtica de un alimentador de distribucin.

En la figura se muestra en forma diagramtica un alimentador de distribucin en donde podran desarrollarse sobretensiones. En este caso el banco de capacitores se referir a la capacitancia del cable subterrneo, si este banco es desconectado desde la subestacin, las cargas conectadas al alimentador no producir sobretensiones excesivas que puedan daar los equipos, si ocurre la reenergizacion inmediatamente este quedara cargado y podr presentarse una sobretensin de hasta 3 pu. Los capacitores en general poseen una resistencia de descarga que drena la carga capacitiva remanente en un tiempo promedio de cinco minutos [1].

Segundo caso Si un banco (capacitancia de la lnea subterrnea [uf]) es energizado en un mismo bus donde otro banco de capacitores se encuentre energizado (capacitancia de lnea area [nf]), es factible que se presenten sobretensiones, ya que los dos bancos tendern a igualar su potencial a una frecuencia muy alta [1]. Si el capacitor fijo en realidad fuese la capacitancia del bus o de las lneas o cables subterrneos, las sobretensiones que se pueden presentar suelen ser mayores que 3 pu. Estas sobretensiones e presentan nicamente si el banco es reenergizado estando cargado con una carga de polaridad opuesta a la aplicada [1].

Figura 4.- circuito propuesto para el estudio de la energizacion

Con el paquete de simulacin ATPDraw se simulo el circuito anterior para comprobar que al reenergizar un circuito con carga atrapada en el condensador se generan sobretensiones mayores a 3 pu, se considera para efecto de la simulacin una fuente senodidal de 25 kVpico @60 Hz.

Resultados de la simulacin.

Figura 5.- efecto de la reenergizacion para el circuito de la figura 4

Figura 6.- grafica en el momento de la desconexin.

En la grfica de la figura 6 cabe destacar que en el momento de que la corriente pasa por cero el capacitor est a su carga mxima y gusto en este instante de tiempo se encuentra a polaridad inversa.

Se observa en la grfica de la figura 5, las sobretensiones que sobrepasan a 75 kV esto es una sobretensin de mayor a 3 pu.

Resultado de la simulacin para Reconexin monofsica (monopolar).

Resultado de la simulacin para Reconexin trifsica (tripolar).

Generalmente los interruptores se disean para soportar sin menoscabo de sus caractersticas de diseo una redescarga por cada 50 interrupciones que efecta. Usualmente no se debe rebasar los 3 pu para interruptores de aplicacin general [1]. La energa desarrollada puede ser tan alta y prolongada que puede daar aun los apartarrayos de estacin. En caso de prever estos problemas de operacin en el sistema, deben instalarse resistencias de apertura en los interruptores o cortocircuitos, o desconectar los bancos de capacitores en pasos sucesivos y no el banco de capacitores completo [1].

3) Conclusiones

Es de vital importancia conocer los efectos (sobretensin) de las distintas circunstancia que pueden ocurrir en la operacin de lneas en nuestro caso reconexin de una lnea subterrnea, estos efectos pueden traer como consecuencia que en los puntos ms dbiles del aislamiento pueden producirse pequeas perforaciones cuando no hay ruptura, estas quedan ignoradas durante mucho tiempo; pero si ocurren frecuentes interrupciones de este tipo, al cabo de cierto tiempo pueden producirse la ruptura completa del aislamiento, averiando seriamente elementos del sistema [5].

4) Referencias

[1] ROBERTO ESPINOSA Y LARA. Sistemas de Distribucin. Editorial LIMUSA. [2] Tesis: LUIS GERADO DOS SANTOS ALVERNIA. Estudio de factibilidad de

apertura monopolar en reconectores de la red de 24kv en campo Boscan [3] Dodge M.; Tortosa M. compensacin para recierre monofsico en lneas

transpuestas [4] SIGERT L. Alta Tensin y sistemas de transmisin [5] STEVENSON W.D.; GRAINGER J.J. Anlisis de sistemas de potencia. [6] VIVAS J.; MENDOZA V.; F. FERRI. Estudio detallado de la maniobra de

despeje trifsico en sistemas de potencia.