Capítulo 2.1 - Osinergmin Orienta

FALLAS EN
SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN
Msc.Ing. Leonidas Sayas Poma
lsayas@osinerg.gob.pe
Celular: 996963438
SISTEMAS DE PROTECCIÓN
Los sistemas de protección son un conjunto de elementos
destinados a:
–
–
–
–
–
–
Detectar
Localizar
Evaluar
Comunicar
Despejar
Informar
FALLAS O ANOMALIAS EN EL SEP
La detección de anomalías se realiza midiendo básicamente los
siguientes parámetros:
- Corriente (mayor indicador de fallas)
- Tensión
- Potencia
- Impedancia
- Frecuencia
- Dirección del flujo de potencia
PERTURBACIONES EN EL SEP
CORTOCIRCUITOS
SOBRECORRIENTES
FALLAS SIMETRICAS
Y ASIMETRICAS
SOBRECARGAS
(Detecta Temperatura)
SOBRETENSIONES
ALTA CORRIENTE (KA)
APARICION REPENTINA
DURACION CORTA
(50 – 250 ms)
OPERACION NORMAL
(125-130%In)
TRANSITORIAS
APARICION GRADUAL
DURACION LARGA
(Varios minutos)
CORTAS
(Desc. Atmosfericas)
LARGAS
(Maniobras)
TENSIONES
ANORMALES
PERMANENTES
SUBTENSIONES
SOBRECARGAS
(s – min)
FALLAS
(ms – s)
A FRECUENCIA
INDUSTRIAL
(s – min)
Reles de minima tension
(KHz - MHz)
Cable de guarda
Pararrayos
Baja resistencia
(us – ms)
Lineas largas
(efecto ferranti)
Fallas)
Reles de sobretension
PERTURBACIONES EN EL SEP
SOBREFRECUENCIAS
FRECUENCIAS
ANORMALES
SUBFRECUENCIAS
OTROS
(COMBINACION)
•
•
•
•
•
•
•
•AUMENTO DE PERDIDAS– CALENTAMIENTOS
•VIBRACION DE PALETAS DE GRUPOS TERMICOS
•RELES DE SOBREFRECUENCIA
•DESBALANCE GENERACION Y CARGA
•RELES DE MINIMA FRECUENCIA
(rechazo de carga)
ARMÓNICOS, FLICKER, SAG, SWELL, NOTCHING
INVERSION DE POTENCIA – ESPECIALMENTE PERJUDICIAL PARA GRUPOS TÉRMICOS
CORRIENTES DE SECUENCIA NEGATIVA – FALLAS SERIE
SOBREPRESIONES
VIBRACIONES
TENSIONES DE SECUENCIA HOMOPOLAR – CIRCUITOS EN DELTA ABIERTO
VARIACION DE IMPEDANCIAS APARENTES – OSCILACIONES DE POTENCIA
Contenido
1. Origen de las fallas
2. Tipos
de
fallas,
simétricas y asimétricas
3. Teoría de componentes
simétricas
4. Calculo manual de Icc
5. Calculo
de Icc
computacional
6. Aplicación
L.Sayas P.
Origen de las fallas
Las fallas en un SD tienen los siguientes origenes:
• Condiciones climáticas adversas
•
•
•
•
•
•
descargas atmosféricas
lluvia
nieve o granizo
hielo excesivo
neblina, viento
calor
AISLADOR HIBRIDO
• Medio ambiente
•
•
•
•
•
Contaminación
industrial
compuesta
de
partículas
producto
de
las
actividades
industriales que arroja sobre los aisladores
contaminación
corrosión
choque de materiales arrastrados por el viento.
incendio
caída de los árboles sobre las redes
L.Sayas P.
Origen de las fallas
• Actos de la naturaleza
• inundación
• movimiento telúrico
• terremotos
• Animales
• aves
• Roedores
• Terceros
• actos de vandalismo
• choque de vehículos sobre postes
• cometas de niños
L.Sayas P.
Origen de las fallas
• Propias 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 fabricación
L.Sayas P.
Causa De Falla Por Llovizna
L.Sayas P.
Descarga A Tierra
L.Sayas P.
Descarga A Tierra
L.Sayas P.
Descarga A Tierra
L.Sayas P.
Descarga Total A Tierra
L.Sayas P.
Aisladores Con Botas Poliméricas Y
Aisladores Extensores
L.Sayas P.
Causa De Falla Por Llovizna
L.Sayas P.
Aisladores Extensores Seccionador
L.Sayas P.
Selección Del Seccionador De Potencia
Los Seccionadores de Potencia deben ser
diseñados para soportar las corrientes
L.Sayas
P.
capacitivas
del
sistema
Resumen Origen de las fallas
TIPO:
CAUSADO POR:
Falla en el
aislamiento
Errores y defectos de diseño
inapropiado, contaminación.
Origen eléctrico.
Sobrecargas atmosféricas, maniobras
internas, sobretensiones dinámicas.
Origen Térmico.
Sobrecorriente, sobretensión.
Factores Mecánicos. Esfuerzos por sobrecorriente, impacto
de objetos extraños, rotura por hielo..
L.Sayas P.
Clasificación de las fallas
• Por el tiempo de duración
• Transitorias
• Permanentes
• Por la forma
• Serie
• Shunt
• Por la simetria de las ondas
• Simetricas
• Asimetricas
L.Sayas P.
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 shunt o paralelo
L.Sayas P.
Falla trifásica diagrama vectorial
c
b
a
•Trifasica a tierra
•Trifasica sin
contacto a tierra
L.Sayas P.
Falla bifásica diagrama vectorial
c
b
a
falla bifásica sin
contacto a tierra
L.Sayas P.
Falla bifásica a tierra diagrama
vectorial
Falla bifásica con
contacto a tierra
c
b
a
L.Sayas P.
Falla monofásica diagrama
vectorial
Falla
monofasica
con contacto a
tierra
c
b
a
L.Sayas P.
Sistema con neutro aislado
En condición
normal
En condición
de falla
L.Sayas P.
Estadística de fallas shunt
• Para SD
–
–
–
–
Monofásicas 70 %
Bifásicas
7%
Bifásicas –t 20%
Trifásicas
3%
Total
100%
• Ubicación de las fallas
– Redes 85%
– Barras y transformador 15%
L.Sayas P.
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
Fallas simétricas y asimétricas
La corriente de cortocircuito Icc
• 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.
L.Sayas P.
La corriente de cortocircuito
• La Icc tiene dos componentes, una alterna
(Ia) y otra continua (Ic).
• Icc=Ia+Ic
L.Sayas P.
Fallas simétricas y asimétricas
• Es el caso más frecuente. La componente AC se
mantiene y la DC se amortigua.
• Se aprecia los dos casos extremos.
Simétrico
L.Sayas P.
Asimétrico
Coeficiente “K”
K  1,022  0,96899  e
R
3, 0301 
X
Ip  K . 2.Ia
L.Sayas P.
Ip  Poder de cierre de los interruptores
Reactancia subtransitoria
Reactancia transitoria
Reactancia permanente
Componente unidireccional
L.Sayas P.
Contribución a la Icc
L.Sayas P.
Calculo de la corriente de
cortocircuito
Métodos
•
•
Fallas simétricas; Icc 3f
Fallas asimétricas; Icc1f, Icc2f,
fallas serie
• Consideraciones para
el calculo Iccmax
•
•
•
•
•
Todo los generadores en servicio
Impedancia de falla igual a cero
Debe ser Icc3f y Icc2f
Máxima demanda
Se considera impedancias
subtransitorias
• Consideraciones para el
calculo Iccmin
•
•
•
•
•
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 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.
Icc trifásico simétrico
Datos necesarios
• En el punto de entrega se
requiere, Scc, Upf y Angulo
• Si no hay Scc, se considera al
transformador de impedancia
infinita.
Snt
Scct 
Ucc(%)
Icct 
1
.In
Ucc(%)
• Se debe conocer las
resistencias y reactancias de
los conductores.
Sn
Ucc(%), U1/U2
R1,X1
R2,X2
L1(km)
L2(km)
Scc(MVA)
Upf(kV)
Angulo
Iccs 
Scc
3.Upf
Upf
Icc3 f 
3.
Upf 2
Zs 
Scc
Icc 2 f 
L.Sayas P.
R X
2
2
Rs  Zs.cos
3
.Icc3 f
2
Xs  Zs.sen
solo si Z()  Z(-)
Parámetros de líneas y cables
CUADRO Nº 1
PARAMETROS ELECTRICOS DE LINEAS AEREAS Y CABLES SUBTERRANEOS DE MEDIA TENSION
CABLE
NKY
N2XSY
LINEA
Aluminio
Cobre
SECCION
(16)
(35)
(70)
(120)
(240)
(25)
(120)
(240)
SECCION
(33)
(67)
(70)
(120)
(125)
(13)
(16)
(21)
(33)
(35)
(42)
(67)
(70)
R(ohm/km)
1,3258
0,6033
0,3122
0,1758
0,0856
0.9290
0.1960
0.1000
X(ohm/km)
0,144
0.177
0,109
0,102
0,096
0,216
0,175
0,1587
R(ohm/km) X(ohm/km)
0,8398
0,4526661
0,5912
0,420495
0,5834
0,4176
0,3226
0,41262
0,2979
0,3925986
1,6164
0,4876382
1,3488
0,47204
1,0168
0,4701502
0,6398
0,4526661
0,6156
0,44237
0,5072
0,4439213
L.Sayas P.
0,3189
0,4163712
0,3147
0,43289
S(mho)
5,77E-05
7,13E-05
8,71E-05
1,01E-04
1,21E-04
5,32E-05
C(microF/km)
0,1816
0,2789
0,3145
S(mho)
C(microF/km)
3,6786E-06
3,97703E-06
3,97703E-06
4,24091E-06
4,24091E-06
3,40097E-06
3,4509E-06
3,53436E-06
3,6786E-06
3,7426E-06
3,75526E-06
3,98591E-06
3,99095E-06
Aplicación 1
Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f
en la derivación 0434T
L.Sayas P.
Solución Aplicación 1
L.Sayas P.
Tarea 1
Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f y
Icc2f en la SE 981.
L.Sayas P.
MÉTODO DE LOS MVA
2768.1 A
60 kV
Sistema
A
B
1
SCC  B
1


1
SCC  A

1
ST
uCC
1

287,67
1
14
0,0816
SCC  B
60/10 KV
14 MVA (17,5 MVA)
1
8,16%
 3,476 10 3  5,8286 10 3
SCC  B
1
rL + j xL
C
SCC  B
 9,3048 10 3
SCC  B  107,47 MVA
I CC  B 
L.Sayas P.
107,47 MVA
 6,2 KA
3 10 KV
Tarea 1 Método de los MVA
L.Sayas P.
MÉTODO EN p.u.
S B  100 MVA
VB  I  60 KV
Impedancia de la fuente :
1,0 0º p.u.
xS  j
SB
100
 j
 j 0,347 p.u.
SCC
287,67
Impedancia del transformador :
xS (p.u.)
zCC  xS  xT  j 0,9305
A
iCC 
xT (p.u.)
B
S 
 100 
xT  uCC   B   j 0,0816  

S
14


 N
xT  j 0,58286 p.u.
IB 
u
1,0

 1,0747 p.u.
zCC 0,9305
SB
100MVA

 5773,5 A
3  U B  II
3 10 KV
I CC  iCC  I B  1,0747  5773,5 A
I
L.SayasCCP.
 6,2kA
Tarea 2 Método p.u.
L.Sayas P.
Cálculo de fallas asimétricas
• En algunas aplicaciones es necesario realizar cálculos
de cortocircuitos desequilibrados (bifásico y
monofásico).
• Son las fallas de mayor probabilidad de ocurrencia.
• Para este cálculo se emplea el método de las
Componentes Simétricas.
• Nota .- para el cálculo de cortocircuitos, se suele
despreciar las corrientes de carga del sistema.
L.Sayas P.
Teoría de componentes
simétricas
• 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 publicó
su trabajo "Method of Symmetrical Coordinates Applied
to 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
L.Sayas P.
Teoría de componentes simétricas
“Fortescue” Propuso que un sistema trifásico desbalanceado
puede descomponerse en tres sistemas de vectores balanceados
llamados componentes secuencia positiva , negativa y cero.
VT1
VS2
VT
VR0 VS0 VT0
VR2
VR1
VS
VR
VS1
VT2
(+)
(-)
(0)
Secuencia positiva
RST
Secuencia negativa
RTS
Secuencia
homopolar
L.Sayas P.
Teoría de componentes
simétricas
L.Sayas P.
Sistema de secuencia positiva.
El operador a es un
vector de magnitud la
unidad y argumento
120°
R1
120°
120°
a =1 120°
T1
120°
S1
se cumple lo siguiente:
S1 = a2 R1
T1 = a R1
L.Sayas P.
Sistema de secuencia negativa.
Asimismo se
cumple:
R2
120°
S2 = a R2
120°
T2 = a2 R2
S2
120°
T2
L.Sayas P.
Sistema de secuencia cero.
3 R o = 3 So = 3 To
Ro
So
To
L.Sayas P.
Los tres vectores
homopolares o de
secuencia cero, son
iguales en
magnitud,
dirección, y
sentido.
Valores reales en función de la
secuencia
• Un sistema eléctrico asimétrico, puede
ser descompuesto en tres sistemas de
simétricos diferentes e independientes
(positiva, negativa y cero).
VR  Vo  V 1  V 2
IR  Io  I1  I 2
VS  Vo  a V 1  aV 2
IS  Io  a I1  aI 2
VT  Vo  aV 1  a V 2
IT  Io  aI1  a I 2
2
2
2
L.Sayas P.
2
Valores de secuencia en función
de la real
1 
Io    ( Ir  Is  It )
3
1 
I 1    ( Ir  aIs  a 2 It )
3
• Se demuestra que :
Iro  Iso  Ito 
1 
I 2    ( Ir  a 2 Is  aIt )
3
IR  IS  IT
3
1 
Vo    (Vr  Vs  Vt )
3
1 
V 1    (Vr  aVs  a 2Vt )
3
IR  aIS  a 2 IT
Ir1 
3
IR  a 2 IS  aIT
Ir 2 
3
1 
V 2    (Vr  a 2Vs  aVt )
3
L.Sayas P.
Comentario
• 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.
Comentario
• 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.
L.Sayas P.
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.
L.Sayas P.
Ia1
+
Z1
E
Ua1
Red de secuencia positiva ( 1 )
Redes de secuencia • 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.
L.Sayas P.
Ia2
+
Z2
Ua2
Red de secuencia
negativa ( 2 )
Redes de secuencia 0
• Asimismo se determina
la red de secuencia
cero (Red monofásica
pasiva, con
impedancias
homopolares,
Ia0
+
Z0
Ua0
reemplazando las
impedancias de
secuencia cero) en el
punto de falla.
L.Sayas P.
Red de secuencia cero ( 0 )
Generadores
Z1
IR1
IR2
+
ER
Z2
+
UR1
UR2
-
-
Red de secuencia
positiva (1) o (+)
Red de secuencia
negativa (2) o (-)
L.Sayas P.
Generadores
XO
XO
a:1
R
3ZN
ZN=XT + a2 R
XO
XO
XO
ZN
3ZN
Redes de secuencia cero según su conexión
L.Sayas P.
Transformadores
XT
S
ZS
P
ZP
ZT
T
Transformador de 2
devanados
Transformador de 3
devanados
Redes de secuencia positiva y negativa
L.Sayas P.
Transformadores de 3 devanados
S
P
T
X PS  X PT  X ST
XP 
2
X PS  X ST  X PT
XS 
2
X PT  X ST  X PS
XT 
2
L.Sayas P.
Red de
secuencia
cero para los
transformado
res según su
conexión.
L.Sayas P.
Red de
secuencia cero
para los
transformadores
según su
conexión.
L.Sayas P.
Transformador de puesta a tierra
(zig-zag)
XT
XT
3R
Red de secuencia
positiva y negativa
Red de secuencia
cero
L.Sayas P.
Circuitos de secuencia
 FALLAS TRANSVERSALES
Uth
I0 
Z1  Z 2  Z 0  3Zf
Ia1
Z1
Vth
Va1
Ia2
Ia1
Z2
Va2
3Zf
Z1
Vth
Va1
Zf
Ia2
Z2
Va2
Ia0
Z0
Va0
I1 f   I 2 f
 FALLA MONOFASICA
Uth

Z1  Z 2  Z f
 FALLAS BIFASICA
L.Sayas P.
Circuitos de secuencia
 FALLAS TRANSVERSALES
Ia1
Z1
Vth
Ia2
Ia1
Z2
Z1
Va2
Va1
3Zf
Vth
Ia0
Va1
Z0
Va0
I 3k 
 FALLA BIFASICA A TIERRA
Uth
3 Z1
 FALLAS TRIFASICA
L.Sayas P.
CORTOCIRCUITO EN UNA RED TRIFASICA.
Conexión entre las redes de secuencia correspondiente a
varios tipos de cortocircuitos en una red trifasica
a
a
30
c
b
b
b
30
a
30
c
30
30
d
d
d
c
(0)
(0)
(0)
(0)
(-)
(-)
(-)
(-)
(+)
(+)
(+)
(+)
Linea a linea
(f )
L.Sayas
P.
2 lineas a
tierra
(f )
Trif asico
(g)
Trif asico a
tierra
(h)
Tensiones homopolares
• Para poder efectuar
la detección de las
tensiones
homopolares
simplemente hay
que reproducir la
ecuación
matemática en un
circuito eléctrico, tal
como se muestra a
continuación:
L.Sayas P.
Corriente homopolar
• De igual manera,
para la detección
de
la
corriente
homopolar hay que
reproducir
la
ecuación
matemática en un
circuito eléctrico.
L.Sayas P.
Corriente homopolar
• 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.
L.Sayas P.
Corriente homopolar
IR
IS
IT
R
Io = ( IR + IS + IT ) / 3
Ir
Ir - Iex
Iex
Relé
IR
luego la corriente en el relé es :
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 )
esta corriente puede originar operaciones incorrectas del relé
L.Sayas P.
Corriente homopolar
• 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.
L.Sayas P.
Corriente homopolar
Para solucionar este inconveniente es preferible sumar las
tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético
IR IS IT
Ir + Is + It
Iex
I rele
I rele = ( Ir + Is + It ) - Iex
L.Sayas P.
Aplicación
- Vector
- Aplicación de fallas asimétricas
- Calculo automático
- Calculo automatico1
-Calculo automático 2
-Calculo de fallas con software
L.Sayas P.