1
FALLAS EN FALLAS EN SISTEMAS DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIDISTRIBUCIÓÓNN
Msc.Ing. Leonidas Sayas [email protected]
Celular: 99009096 L.Sayas P.
Contenido Contenido
1.1. Origen de las fallasOrigen de las fallas2.2. Tipos de fallas, Tipos de fallas,
simsiméétricas y asimtricas y asiméétricastricas3.3. TeorTeoríía de componentes a de componentes
simsiméétricastricas4.4. Calculo manual de Calculo manual de IccIcc5.5. Calculo computacional Calculo computacional
de de IccIcc6.6. AplicaciAplicacióónn
L.Sayas P.
Las fallas en un SD tienen los siguientes origenes:•• Condiciones climCondiciones climááticas adversas ticas adversas
• descargas atmosféricas• lluvia • nieve o granizo• hielo excesivo• neblina, viento• calor
•• Medio ambienteMedio ambiente• contaminación• corrosión• choque de materiales arrastrados por el viento.• incendio• caída de los árboles sobre las redes
Origen de las fallas Origen de las fallas
AISLADOR HIBRIDOAISLADOR HIBRIDO
Contaminación industrial compuesta de partículas producto de las actividades industriales que arroja sobre los aisladores
L.Sayas P.
•• Actos de Actos de la naturalezala naturaleza• inundación• movimiento telúrico• terremotos
•• AnimalesAnimales• aves• Roedores
•• TercerosTerceros• actos de vandalismo• choque de vehículos sobre postes• cometas de niños
Origen de las fallas Origen de las fallas
2
L.Sayas P.
•• Propias de la redPropias de la red– error de operación– sobrecargas– instalación/construcción deficiente– falsa operación de los sistemas de
protección– equipo/ diseño inadecuado– envejecimiento– mal funcionamiento– mantenimiento defectuoso
•• Defecto de fabricaciDefecto de fabricacióónn
Origen de las fallas Origen de las fallas
L.Sayas P.
Causa De Falla Por Llovizna Causa De Falla Por Llovizna
L.Sayas P.
Descarga A Tierra Descarga A Tierra
L.Sayas P.
Descarga A Tierra Descarga A Tierra
3
L.Sayas P.
Descarga A TierraDescarga A Tierra
L.Sayas P.
Descarga Total A Tierra Descarga Total A Tierra
L.Sayas P.
Aisladores Con Botas PolimAisladores Con Botas Polimééricas Y ricas Y Aisladores Extensores Aisladores Extensores
L.Sayas P.
Causa De Falla Por LloviznaCausa De Falla Por Llovizna
4
L.Sayas P.
Aisladores Extensores Aisladores Extensores SeccionadorSeccionador
L.Sayas P.
SelecciSeleccióón Del n Del SeccionadorSeccionador De PotenciaDe Potencia
Los Seccionadores de Potencia deben ser diseñados para soportar las corrientes
capacitivas del sistema
L.Sayas P.
Resumen Origen de las fallas Resumen Origen de las fallas
TIPO: CAUSADO POR:TIPO: CAUSADO POR:
Falla en el Errores y defectos de diseño aislamiento inapropiado, contaminacicontaminacióónn.
Origen eléctrico. Sobrecargas atmosféricas, maniobras internas, sobretensiones dinámicas.
Origen Térmico. Sobrecorriente, sobretensión.
Factores Mecánicos. Esfuerzos por sobrecorriente, impactode objetos extraños, rotura por hielo..
L.Sayas P.
ClasificaciClasificacióón de las fallas n de las fallas
•• Por el tiempo de duraciPor el tiempo de duracióónn• Transitorias• Permanentes
•• Por la formaPor la forma• Serie• Shunt
•• Por la Por la simetriasimetria de las ondasde las ondas• Simetricas• Asimetricas
5
L.Sayas P.
Fallas serie Fallas serie
• Ruptura física de uno o dos conductores de una línea de transmisión por accidente o una tormenta.
• Debido a corrientes de sobrecarga en una o dos fases, pueden operar los dispositivos de protección.
• Falla en los polos del interruptor al efectuar una operación monofásica.
I=0
L.Sayas P.
Fallas Fallas shuntshunt o paraleloo paralelo
L.Sayas P.
•Trifasica a tierra
•Trifasica sin contacto a tierra
Falla trifFalla trifáásica diagrama vectorialsica diagrama vectorial
abc
L.Sayas P.
falla bifásica sin contacto a tierra
Falla bifFalla bifáásica diagrama vectorialsica diagrama vectorial
abc
6
L.Sayas P.
Falla bifásica con contacto a tierra
abc
Falla bifFalla bifáásica a tierra diagrama sica a tierra diagrama vectorialvectorial
L.Sayas P.
Falla monofasicacon contacto a tierra
abc
Falla monofFalla monofáásica diagrama sica diagrama vectorialvectorial
L.Sayas P.
Sistema con neutro aisladoSistema con neutro aislado
En condición normal
En condición de falla
L.Sayas P.
•• Para SDPara SD– Monofásicas 70 %– Bifásicas 7%– Bifásicas –t 20%– Trifásicas 3%
Total 100%
•• UbicaciUbicacióón de las fallasn de las fallas– Redes 85%– Barras y transformador 15%
EstadEstadíística de fallas stica de fallas shuntshunt
Nota:Nota:• Del total de fallas a tierra
el 60% es transitoria y el 30% permanente (5% caída de línea)
• El sistema de protección debe considerar estos valores
7
L.Sayas P.
• Su valor inicial depende en que parte de la onda de tensión ocurre el cortocircuito y su amortiguamiento es tanto más rápido cuanto mayor sea la relación R/L.
Fallas simFallas siméétricas y asimtricas y asiméétricastricas
La corriente de cortocircuito La corriente de cortocircuito IccIcc
L.Sayas P.
• La Icc tiene dos componentes, una alterna (Ia) y otra continua (Ic).
•• IccIcc==IaIa++IcIc
La corriente de cortocircuitoLa corriente de cortocircuito
L.Sayas P.
• Es el caso más frecuente. La componente AC se mantiene y la DC se amortigua.
• Se aprecia los dos casos extremos.
Simétrico Asimétrico
Fallas simFallas siméétricas y asimtricas y asiméétricastricas
L.Sayas P.
Coeficiente Coeficiente ““KK””
resinterrupto los de cierre dePoder Ip .2.
96899,0022,10301,3
==
⋅+=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅−
IaKIp
eK XR
8
L.Sayas P.
Reactancia subtransitoria
Componente unidireccional
Reactancia permanente
Reactancia transitoria
L.Sayas P.
ContribuciContribucióón a la n a la IccIcc
L.Sayas P.
MMéétodostodos• Fallas simétricas; Icc 3f• Fallas asimétricas; Icc1f, Icc2f,
fallas serie
•• Consideraciones para Consideraciones para el calculo el calculo IccmaxIccmax
• Todo los generadores en servicio• Impedancia de falla igual a cero• Debe ser Icc3f y Icc2f• Máxima demanda• Se considera impedancias
subtransitorias
Calculo de la corriente de Calculo de la corriente de cortocircuitocortocircuito
•• Consideraciones para el Consideraciones para el calculo calculo IccminIccmin
• Mínimo numero de generadores en servicio
• Se considera impedancia de falla• Debe ser Icc2f y Icc1f• Mínima demanda• Se considera impedancias transitorias
•• En general en los SDEn general en los SD• Se omiten las corrientes de carga• La tensión prefalla pueden ser iguales
en toda el SD• Se omiten las resistencias ,
capacitancias de carga, y los taps no nominales, ya que la influencia no es significante.
L.Sayas P.
Datos necesariosDatos necesarios• En el punto de entrega se
requiere, Scc, Upf y Angulo• Si no hay Scc, se considera al
transformador de impedancia infinita.
• Se debe conocer las resistencias y reactancias de los conductores.
IccIcc triftrifáásico simsico siméétricotrico
Z(-) ) Z(si solo 3.232
Zs.senXs Zs.cosRs Scc
Upf
.33
.3
2
22
=+=
===
+=
=
∑ ∑
fIccfIcc
Zs
XRUpffIcc
UpfSccIccs
θθ
InUcc
Icct
UccSntScct
.(%)
1(%)
=
=
R1,X1
L1(km)
R2,X2
L2(km)Scc(MVA)Upf(kV)Angulo
SnUcc(%), U1/U2
9
L.Sayas P.
ParParáámetros de lmetros de lííneas y cablesneas y cables
PARAMETROS ELECTRICOS DE LINEAS AEREAS Y CABLES SUBTERRANEOS DE MEDIA TENSION
CABLE SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)(16) 1,3258 0,144 5,77E-05(35) 0,6033 0.177 7,13E-05
NKY (70) 0,3122 0,109 8,71E-05(120) 0,1758 0,102 1,01E-04(240) 0,0856 0,096 1,21E-04(25) 0.9290 0,216 5,32E-05 0,1816
N2XSY (120) 0.1960 0,175 0,2789(240) 0.1000 0,1587 0,3145
LINEA SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)(33) 0,8398 0,4526661 3,6786E-06(67) 0,5912 0,420495 3,97703E-06
Aluminio (70) 0,5834 0,4176 3,97703E-06(120) 0,3226 0,41262 4,24091E-06(125) 0,2979 0,3925986 4,24091E-06(13) 1,6164 0,4876382 3,40097E-06(16) 1,3488 0,47204 3,4509E-06(21) 1,0168 0,4701502 3,53436E-06
Cobre (33) 0,6398 0,4526661 3,6786E-06(35) 0,6156 0,44237 3,7426E-06(42) 0,5072 0,4439213 3,75526E-06(67) 0,3189 0,4163712 3,98591E-06(70) 0,3147 0,43289 3,99095E-06
L.Sayas P.
AplicaciAplicacióón 1n 1
Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f en la derivación 0434T
L.Sayas P.
SoluciSolucióón Aplicacin Aplicacióón 1n 1
L.Sayas P.
Tarea 1Tarea 1
Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f y Icc2f en la SE 981.
10
L.Sayas P.
• El análisis de un SD balanceado se efectúa utilizando sus equivalentes de monofásicos o unitarios.
• Si el SD es desbalanceado o asimetrico (por fallas) resulta complicado
• En el año 1918, el Doctor Charles F. Fortescue publicósu trabajo "Method of Symmetrical Coordinates Appliedto the Solution of Poliphase Network", con lo cual se inicio los estudios de los sistemas eléctricos en situaciones de fallas asimétricas o desbalanceadas, mediante el METODO DE COMPONENTES SIMETRICAS
TeorTeoríía de componentes a de componentes simsiméétricastricas
L.Sayas P.
(+) (-) (0)
“FortescueFortescue”” Propuso que un sistema trifásico desbalanceadopuede descomponerse en tres sistemas de vectores balanceadosllamados componentes secuencia positiva , negativa y cero.
VRVS
VT
VT1
VR1
VS1
VT0
VT2
VR2
VR0VS2 VS0
Secuencia positivaRST
Secuencia negativaRTS
Secuencia homopolar
TeorTeoríía de componentes sima de componentes siméétricastricas
L.Sayas P.
TeorTeoríía de componentes a de componentes simsiméétricastricas
L.Sayas P.
R1
S1T1
120°
120°
120°
El operador a es un vector de magnitud la unidad y argumento 120°
a =1 120°
se cumple lo siguiente:
S1 = a2 R1
T1 = a R1
Sistema de secuencia positiva.Sistema de secuencia positiva.
11
L.Sayas P.
R2
T2S2
120°
120°
120°
Asimismo se cumple:
S2 = a R2
T2 = a2 R2
Sistema de secuencia negativa.Sistema de secuencia negativa.
L.Sayas P.
Ro So To
3Ro = 3So = 3To
Los tres vectores homopolares o de secuencia cero, son iguales en magnitud, dirección, y sentido.
Sistema de secuencia cero.Sistema de secuencia cero.
L.Sayas P.
• Un sistema eléctrico asimétrico, puede ser descompuesto en tres sistemas de simétricos diferentes e independientes (positiva, negativa y cero).
2121
21
2
2
VaaVVoVTaVVaVoVS
VVVoVR
++=
++=
++=
Valores reales en funciValores reales en funcióón de la n de la secuenciasecuencia
2121
21
2
2
IaaIIoITaIIaIoIS
IIIoIR
++=
++=
++=
L.Sayas P.
• Se demuestra que :
32
31
3
2
2
aITISaIRIr
ITaaISIRIr
ITISIRItoIsoIro
++=
++=
++===
Valores de secuencia en funciValores de secuencia en funcióón n de la realde la real
)(312
)(311
)(31
2
2
aItIsaIrI
ItaaIsIrI
ItIsIrIo
++⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
++⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
++⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
)(312
)(311
)(31
2
2
aVtVsaVrV
VtaaVsVrV
VtVsVrVo
++⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
++⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
++⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
12
L.Sayas P.
ComentarioComentario
• Las componentes de secuencia positiva, están presentes en cualquier condición (balanceada o desbalanceada, simétricos y asimétricos).
• Las componentes de secuencia negativa, por tener secuencia diferente a las positivas, rompen el equilibrio establecido por el sistema positivo.
• En otras palabras, cualquier desequilibrio introduce componentes de secuencia negativa.
L.Sayas P.
• Las componentes homopolares o de secuencia cero, sólo pueden aparecer cuando el sistema trifásico tenga una resultante (IR + IS + IT >0 ).Para que un red trifásica tenga resultante es preciso que dicha red tenga, al menos un punto a tierra.Por ejemplo:Una falla monofásica a tierra.Una falla bifásica a tierra.Las aperturas de fase o las cargas desequilibradas solamente producirán componente homopolar cuando exista un segundo punto de contacto a tierra.
ComentarioComentario
L.Sayas P.
Redes de secuencia +Redes de secuencia +
• Reemplazar las impedancias de secuencia positiva en el sistema eléctrico en estudio, luego determinar el circuito Thévenin equivalente (Red monofásica activa, con impedancias directas) en el punto de falla.
Z1
E Ua1
Ia1
Red de secuencia positiva ( 1 )
+
-
L.Sayas P.
• Reemplazar las impedancias de secuencia negativa y anular las fuentes de tensión existentes. De igual modo se determina la red de secuencia negativa (Red monofásica pasiva, con impedancias inversas) en el punto de falla.
Z2
Ua2
Ia2
Red de secuencianegativa ( 2 )
+
-
Redes de secuencia Redes de secuencia --
13
L.Sayas P.
• Asimismo se determina la red de secuencia cero (Red monofásica pasiva, con impedancias homopolares, reemplazando las impedancias de secuencia cero) en el punto de falla.
Z0
Ua0
Ia0
Red de secuencia cero ( 0 )
+
-
Redes de secuencia 0Redes de secuencia 0
L.Sayas P.
GeneradoresGeneradores
ER
IR1 Z1
UR1
+
-
IR2 Z2
UR2
+
-Red de secuenciapositiva (1) o (+)
Red de secuencianegativa (2) o (-)
L.Sayas P.
ZN
R
XO
XO
XO
3ZN
XO
3ZN
ZN=XT + a2 R
a:1
XO
Redes de secuencia cero según su conexión
GeneradoresGeneradores
L.Sayas P.
TransformadoresTransformadores
Transformador de 3devanados
XT
Transformador de 2devanados
P
T
S
ZP
ZS
ZT
Redes de secuencia positiva y negativa
14
L.Sayas P.
Transformadores de 3 devanadosTransformadores de 3 devanados
2
2
2
PSSTPTT
PTSTPSS
STPTPSP
XXXX
XXXX
XXXX
−+=
−+=
−+=
P S
T
L.Sayas P.
Red de Red de secuencia secuencia cero para los cero para los transformadotransformadores segres segúún su n su conexiconexióón.n.
L.Sayas P.
Red de Red de secuencia cero secuencia cero para los para los transformadores transformadores segsegúún su n su conexiconexióón.n.
L.Sayas P.
Transformador de puesta a tierraTransformador de puesta a tierra((zigzig--zagzag))
XT XT
3R
Red de secuenciapositiva y negativa
Red de secuenciacero
15
L.Sayas P.
FALLAS TRANSVERSALES
Z2
Ia0
FALLA MONOFASICAFALLAS BIFASICA
Z1
Z0
Ia1
Ia2
3Zf
Vth Va1
Va2
Va0
Z2Z1
Ia1
Vth Va1 Va2
Ia2Zf
ZfZZZUthI
30210 +++=
fff ZZZ
UthII++
=−=21
21
Circuitos de secuenciaCircuitos de secuencia
L.Sayas P.
FALLAS TRANSVERSALES
Z2
Ia0
FALLA BIFASICA A TIERRA FALLAS TRIFASICA
Z1
Z0
Ia1 Ia2
3ZfVth Va1
Va0
Z1
Ia1
Vth Va1Va2
Z13Uth 3 =φkI
Circuitos de secuenciaCircuitos de secuencia
L.Sayas P.
ConexiConexióón entre las redes de secuencia correspondiente a n entre las redes de secuencia correspondiente a varios tipos de cortocircuitos en una red varios tipos de cortocircuitos en una red trifasicatrifasica
30 30 30 3030b
c
d
a a
b
c
d
a
b
c
d
(0) (0) (0) (0)
(-) (-) (-) (-)
(+) (+) (+) (+)
Linea a linea(f)
2 lineas atierra
(f)
Trifasico(g)
Trifasico atierra(h)
L.Sayas P.
Tensiones Tensiones homopolareshomopolares
• Para poder efectuar la detección de las tensiones homopolaressimplemente hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico, tal como se muestra a continuación:
16
L.Sayas P.
Corriente Corriente homopolarhomopolar
• De igual manera, para la detección de la corriente homopolar hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico.
L.Sayas P.
• Sin embargo debido a que la corriente homopolar es muy pequeña en comparación de la corriente del alimentador y si la detección de la corriente se efectúa a través de la suma de tres transformadores de corriente, es posible que el resultado del filtro homopolar sea una corriente debido a la diferencia de corrientes de excitación que daría como resultado operaciones incorrectas.
Corriente Corriente homopolarhomopolar
L.Sayas P.
R
IR
ISIT
Io = ( IR + IS + IT ) / 3
IR
Ir
Iex
Ir - Iex
Irele = ( Ir - Iexr ) + ( Is - Iexs ) + ( It - Iext )Irele = ( Ir + Is + It ) - ( Iexr + Iexs + Iext )
- si el sistema no tiene falla a tierra
Irele = - ( Iexr + Iexs + Iext )
Relé
luego la corriente en el relé es :
esta corriente puede originar operaciones incorrectas del relé
Corriente Corriente homopolarhomopolar
L.Sayas P.
• Para solucionar este problema debemos efectuar la suma de las tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético, lo cual da como resultado una corriente en el secundario del transformador siempre y cuando exista corriente homopolar en el sistema primario. Para poder introducir las tres fases dentro de un núcleo magnético la única forma es que el electroducto sea un cable.
Corriente Corriente homopolarhomopolar
17
L.Sayas P.
IR IS IT
Ir + Is + It
Iex I rele
I rele = ( Ir + Is + It ) - Iex
Para solucionar este inconveniente es preferible sumar lastres corrientes dentro de un solo núcleo magnético
Corriente Corriente homopolarhomopolar
L.Sayas P.
-- Calculo Calculo automaticoautomatico-- Calculo computacionalCalculo computacional--Calculo de fallas en el SINACCalculo de fallas en el SINAC
AplicaciAplicacióónn