ETAP®11.0 Análisis de Cortocircuito en Sistemas Eléctricos de Potencia Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 1 Diego Moitre, M. Sc. Ingeniero Mecánico Electricista Matricula Profesional Nº 10.333 - CIEC Senior Member, PES – IEEE RAIEN ARGENTINA S.A. Congreso 2171 – 6º Piso Código Postal: C1428 BVE Ciudad Autónoma de Buenos Aires, ARGENTINA Fijo: (54) 11 4701-9316 Móvil: (54) 358-156000104 dmoitre@raien.com.ar dmoitre@gmail.com Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 2 Análisis de Cortocircuito en Sistemas Eléctricos de Potencia Introducción al Análisis de CC. Nivel de Falla (Potencia de CC). Métodos Computacionales de análisis de CC equilibrados. Matriz de Impedancias de Barras Zbarras. Redes de Secuencia. Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Técnicas para análisis de CC. Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE. Análisis de Cortocircuito según IEC. Editor de Estudio de CC ETAP®11 Ejemplos de aplicación utilizando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 3 Bibliografía N. Tleis Power Systems Modelling and Fault Analysis:Theory and Practice. Newnes, Elsevier. 2.008. P. M. Anderson Analysis of Faulted Power Systems. The Iowa State University Press. 1973. J. C. Das. Power Systems Analysis: Short-Circuit, Load Flow and Harmonics. CRC Press, 2002. J. Arrillaga & C.P. Arnold Computer Analysis of Power Systems. Wiley, 1990. G. L. Kusic. Computer-Aided Power Systems Analysis. Second Edition. CRC Press, 2008. A. R. Bergen & V. Vittal Power Systems Analysis. Second Edition. Prentice -Hall, 2000. O. I. Elgerd. Electric Energy Systems Theory. Second Edition. McGraw-Hill, 1983. J. J. Grainger & W. D. Stevenson Power Systems Analysis. McGraw-Hill, 1994. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 4 Bibliografía IEEE Violet Book (IEEE Std 551TM – 2006: Recommended Practice for Calculating Short-Circuit Currents in Industrial and Commercial Power Systems) IEEE Brown Book (IEEE Std 399TM – 1997: Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis ) IEEE Red Book (IEEE Std 141TM – 1993: Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants) IEEE C37.5-1979 Guide for Calculation of Fault Currents for Application of AC High Voltage Circuit Breakers Rated on a Total Current Basis. IEEE C37.04 – 1979 (1988) : Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis and Supplements. IEEE C37.04f – 1990: Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis and Supplements. IEEE C37.04g – 1986: Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis and Supplements. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 5 Bibliografía IEEE C37.04h– 1990 : Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis and Supplements. IEEE C37.04i – 1991: Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis and Supplements. IEEE C37.04 – 1999 : Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis and Supplements. IEEE C37.010 – 1979 (1988) : IEEE Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Basis and Supplements. IEEE C37.010b – 1985 : IEEE Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Basis and Supplements. IEEE C37.010e – 1985 : IEEE Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Basis and Supplements. IEEE C37.010 – 1999: IEEE Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Basis and Supplements. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 6 Bibliografía IEEE C37.13 – 1990: Standard for Low-Voltage AC Power Circuit Breakers Used in Enclosures. IEEE C37.013 – 1997: Standard for AC High-Voltage Generator Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis. IEEE C37.20.1 – 2002: Standard for Metal Enclosed Low-Voltage Power Circuit Breakers Switchgear. IEC 60909- 0 Ed. 1.0 2001-0. Short-circuit currents in three-phase a.c systems – Part 0: Calculation of Currents . IEC 60909- 1 Ed. 2.0 2002-0. Short-circuit currents in three-phase a.c systems – Part 1: Factors for the calculation of short-circuit currents according to IEC 60909-0. IEC 60909- 2 Ed. 2.0 2008-11. Short-circuit currents in three-phase a.c systems – Part 2: Data of Electrical Equipment for short-circuit currents calculations. IEC 60909- 3 Ed. 3.0 2009-03. Short-circuit currents in three-phase a.c systems – Part 3: Currents during two separate simultaneous line-to-earth short-circuits and partial shortcircuit currents flowing through earth. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 7 Bibliografía IEC 60909- 4 Ed. 1.0 2000-07. Short-circuit currents in three-phase a.c systems – Part 4: Examples for the calculation of short-circuit currents. IEC 61363- 1 Ed. 1.0 1998-02. Electrical installations of ships and mobile and fixed offshore units – Part 1: Procedures for calculating short-circuit currents in three-phase a.c. IEC 60947- 1 Ed. 5.0 2007-06. Low-voltage switchgear and controlgear – Part 1: General Rules. IEC 60947- 2 Ed. 4.1Consol. With am1 2009-05. Low-voltage switchgear and controlgear – Part 2: Circuit-Breakers. IEC 60282- 1 Ed. 7.0 2009-10. High-voltage Fuses – Part 1: Current-limiting Fuses. IEC 60282- 2 Ed. 3.0 2008-04. High-voltage Fuses – Part 1: Expulsion Fuses IEC 62271-SER Ed. 1.0 2010-06. High-voltage switchgear and controlgear. ALL PARTS C. Hartman Understanding Asymmetry. IEEE Trans. On Industry Applications, Vol. IA21, No.4, July/August 1985, pp. 842–848. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 8 Bibliografía A. Berizzi, S. Massucco, A. Silvestri, D. Zaninelli Short-Circuit Current Calculation: A Comparison between Methods of IEC and ANSI Standards using dynamic simulation as reference. IEEE Trans. On Industry Applications, Vol. 30, No.4, July/August 1994, pp. 1099–1106. B. Bridger All Amperes Are Not Created Equal: A Comparison of Current Ratings of HighVoltage Circuit Breakers Rated According to ANSI and IEC Standards. IEEE Trans. On Industry Applications, Vol. 29, No.1, January-February 1993, pp. 195–201. J. Dunki-Jacobs, B. Lam, R. Stratford A Comparison of ANSI-Based and Dynamically Rigorous Short-Circuit Current Calculation Procedures. IEEE Trans. On Industry Applications, Vol. 24, No.6, November/December 1988, pp. 1180–1194. G. Knight, H. Sieling Comparison of ANSI and IEC 909 Short-Circuit Current Calculation Procedures. IEEE Trans. On Industry Applications, Vol. 29, No.3, May/June 1993, pp. 625–630. A. Rodolakis A Comparison of North American (ANSI) and European (IEC) Fault Calculation Guidelines. IEEE Trans. On Industry Applications, Vol. 29, No.3, May/June 1993, pp. 515–521. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 9 Bibliografía O. Roennspiess, A. Efthymiadis A Comparison of Static and Dynamic Short-Circuit Analysis Procedures. IEEE Trans. On Industry Applications, Vol. 26, No.3, May/June 1990, pp. 463–475. ETAP® 11 User Guide Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 10 Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia Marco temporal para los fenómenos dinámicos básicos en SEP Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 11 Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia Régimen permanente Régimen dinámico Red en condiciones Red en condiciones Red en condiciones Red en condiciones de operación normal de operación bajo falla de operación normal de operación bajo falla Equilibrada Equilibrada Desquilibrada Desquilibrada Equilibrada Desquilibrada Equilibrada Desquilibrada 1. Sistema lineal o no lineal 1. Sistema lineal o no lineal 2. Parámetros concentrados 2. Parámetros concentrados o distribuidos 3. “Foto” de un instante en el tiempo 3. Solución en el dominio del tiempo Sistema de ecuaciones algebraicas Curso de Capacitacion ETAP Sistema de ecuaciones diferenciales Cortocircuito 12 Introducción al Análisis de Cortocircuito Cortocircuito: dos o mas puntos de una red eléctrica que en condiciones normales de operación se encuentran a distinto potencial, se ponen accidentalmente en contacto a través de una impedancia (Zf ≠ 0 o bien Zf = 0). Causas: Falla de aislamiento por envejecimiento, calentamiento, contaminación, etc. Sobretensiones externas e internas. Fallas mecánicas: roturas, deformaciones, desplazamientos, etc. Efectos: Calentamiento de conductores por efecto Joule. Esfuerzos electrodinámicos sobre el equipamiento. Variación de la tensión en las distintas fases. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 13 Introducción al Análisis de Cortocircuito Objetivos del análisis: En instalaciones industriales de media y baja tensión: cálculo de la máxima corriente de cortocircuito para determinar la capacidad de ruptura de interruptores y los limites térmicos y dinámicos del equipamiento y conductores de la instalación. En redes de alta y media tensión: cálculo de las intensidades de cortocircuito en cualquier punto de la red y ante cualquier tipo de cortocircuito para determinar las exigencias de servicio del equipamiento y el ajuste de las protecciones. Clasificación de los CC: Equilibrados: las tres fases están involucradas al mismo tiempo y en el mismo lugar. Desequilibrados: no todas las fases están involucradas por igual. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 14 Introducción al Análisis de Cortocircuito Regímenes de los CC: Transitorio: el CC es un proceso electromagnético donde la red en una situación estacionaria sufre una modificación brusca de su topología. La red debería modelarse vía EDO. Estacionario: Este modelado no es práctico cuando se trata con redes de cientos de barras y líneas; por ello las normas existentes especifican aproximaciones al modelado estacionario de la red para el cálculo de CC. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 15 Introducción al Análisis de Cortocircuito R+jωL e(t) ~ Zc e( t ) 2 E sen t i( t ) 2 i(t) E R R c L X c 2 2 sen t 0 I0 L X c tg 0 R Rc Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 16 Introducción al Análisis de Cortocircuito R+jωL e(t) i(t) ~ di( t ) e( t ) R i( t ) L dt i(0) 2 I sen 0 0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 17 Introducción al Análisis de Cortocircuito t i( t ) i(0) 2 I CC sen exp 2 I CC sen t permanente transitorio I CC tg() E R 2 L 2 L R L R t 5 exp( 5) 0,0067 transitorio 0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 18 Introducción al Análisis de Cortocircuito Régimen permanente Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 19 Introducción al Análisis de Cortocircuito Régimen transitorio Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 20 Introducción al Análisis de Cortocircuito t i( t ) i(0) 2 I CC sen exp 2 I CC sen t permanente Curso de Capacitacion ETAP transitorio Cortocircuito 21 Introducción al Análisis de Cortocircuito R jL Z C I 0 E R R C L X C 2 2 I CC E R 2 L 2 Corriente de prefalla despreciable frente a la de falla t i( t ) 2 I CC sen exp 2 I CC sen t alterna continua Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 22 Introducción al Análisis de Cortocircuito R 0; ; t 2k 1 k 0,1,2,... i Max ( t ) i(0) 2 2 I CC 2 si L R tg 0 2 Para θ=0 la envolvente de las intensidades máximas será: i Env Max t t ( t ) i(0) exp 2 I CC sen 1 exp t i Env ( t ) 2 I sen 1 exp Max CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 23 Introducción al Análisis de Cortocircuito i Curso de Capacitacion ETAP Env Max Cortocircuito (t ) 24 Introducción al Análisis de Cortocircuito Su valor eficaz será: I Env Max ( t ) I CC sen t 1 exp De este modo se evalúa la intensidad de corriente transitoria máxima producida por un cortocircuito a partir de la intensidad de corriente de cortocircuito en régimen permanente. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 25 Introducción al Análisis de Cortocircuito Para una red eléctrica general esta expresión adopta la forma: I Env Max ( t ) I CC sen eq R eq t 1 exp X eq Donde Req , Xeq y φeq son la resistencia, la reactancia y la fase equivalentes vistas desde la falla, que se obtienen a partir de la matriz de impedancias de barras (impedancia de Thevenin vista desde la falla) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 26 Introducción al Análisis de Cortocircuito La intensidad de corriente de pico (de cresta o de choque) es el mayor valor de la intensidad de corriente máxima en el tiempo: Ipico i Env Max (t ) t* i(t) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 27 Introducción al Análisis de Cortocircuito La intensidad de corriente de pico se obtiene en el tiempo t* cuando: t * I pico i t * i Env t Max * 1 1 s 10 ms 1 2 ciclo t 2 f 100 * I pico 2 I CC sen Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito R 1 exp X 28 Introducción al Análisis de Cortocircuito Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 29 Introducción al Análisis de Cortocircuito Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 30 Introducción al Análisis de Cortocircuito Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 31 Introducción al Análisis de Cortocircuito Interruptor en SF6 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 32 Introducción al Análisis de Cortocircuito Tiempos de operacion de un Interruptor Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 33 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Esquema Maquina Síncrona Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 34 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Generador Síncrono en vacío Corriente simétrica en una fase de CC trifásico a bornes de un GS en vacío Curso de Capacitacion ETAP Envolvente de la corriente simétrica en una fase de CC trifásico a bornes de un GS en vacío Cortocircuito 35 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Generador Síncrono en vacío Diferencias de corriente simétrica en una fase de CC trifásico a bornes de un GS en vacío Corrientes de CC trifásico a bornes de un GS en vacío Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 36 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Generador Síncrono en vacío Corriente en una fase de CC trifásico a bornes de un GS en vacío (componente transitoria eliminada) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 37 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado 0a : 2 I CC donde ICC es la corriente de cortocircuito de régimen permanente I CC Eg Xd donde: Eg : valor eficaz de la tensión fase-neutro en vacío Xd : reactancia síncrona de eje directo Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 38 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado 0b : 2I ' CC donde I’CC es la corriente de cortocircuito transitoria I ' CC Eg X 'd donde: Eg : valor eficaz de la tensión fase-neutro en vacío X’d : reactancia transitoria de eje directo Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 39 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado 0c : 2I '' CC donde I’’CC es la corriente de cortocircuito subtransitoria I '' CC Eg X '' d donde: Eg : valor eficaz de la tensión fase-neutro en vacío X’’d : reactancia subtransitoria de eje directo Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 40 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado i a (t) 2 Eg Xd cos t 0 1 1 t 2 Eg ' exp ' cos t 0 Td Xd Xd 1 1 t 2 E g '' ' exp '' cos t 0 Td Xd Xd Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 41 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Ejemplo: Dos GS están conectados en paralelo al lado de baja tensión de un transformador trifásico de dos devanados. 50 MVA 13,8 kV X 'd' 25 % G1 ~ G2 ~ 75 MVA 13,8 / 69 kV X 'd' 10% 25 MVA 13,8 kV X 'd' 25 % Antes de la falla, la tensión en el lado de alta del trafo es de 66 kV. El trafo no tiene carga y no circula corriente entre los generadores. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 42 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Consideramos los valores de bases siguientes: AT Vbase 69 kV BT Vbase 13,8 kV S3base 75 M VA En valores pu resulta para el Generador 1: 75.000 X G1 0,25 0,375 50.000 '' d E g1 Curso de Capacitacion ETAP 66 0,9565 69 Cortocircuito 43 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado En valores pu resulta para el Generador 2: X 'd' G 2 0,25 E g2 75.000 0,750 25.000 66 0,9565 69 En valores pu resulta para el trafo: XTR = 0,10. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 44 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Diagrama de reactancias antes de la falla La reactancia subtransitoria en paralelo es: X 'd' // Curso de Capacitacion ETAP 0,375 0,75 0,25 0,375 0,75 Cortocircuito 45 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado La corriente de cortocircuito subtransitoria del lado de alta tensión del trafo será: I TR '' CC Eg X 'd' // 0,9565 j 2,7329 j 0,25 j 0,10 y en los generadores: X 'd' G 2 j 0,75 '' I G1 '' I TR j 2,7329 j 1,819 CC '' j 0,375 j 0,75 X d G1 X d G 2 '' CC X 'd' G1 j 0,375 '' I G 2 '' I TR j 2,7329 j 0,911 CC '' j 0,375 j 0,75 X d G1 X d G 2 '' CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 46 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado La intensidad de corriente de cortocircuito subtransitoria de los generadores, expresada en [A]: I G1 1,819 '' CC ' I 'CC G 2 0,911 75.000 3 13,8 75.000 3 13,8 5.707,6 A 2.858,5 A ☺ Aunque las reactancias no son constantes de las máquinas síncronas, ya que dependen del grado de saturación del circuito magnético, sus valores están normalmente dentro de ciertos limites para cada tipo de máquina. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 47 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Generador Síncrono en carga Circuitos de un GS abasteciendo una carga trifásica equilibrada Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 48 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Impedancia de Thevenin Z Th Z j X Z '' d '' d ext L Z ext j X Z L Corriente de cortocircuito subtransitoria en la falla I Curso de Capacitacion ETAP '' CC Vf Z ext j X Z L Vf Z Th Z ext j X 'd' Z L Cortocircuito '' d 49 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado ' I 'CC Vf Z Th Z E V '' f E '' y ' I 'CC '' ext j X d V Z Z Th f E '' I L Z ext j X 'd' Z L Z ext j X 'd' '' ext j X d Z L ZL E IZ I j X I Z '' L ext Vt Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito L '' d L L Vf 0 50 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Tensión (interna) detrás de la reactancia subtransitoria de un GS E Vt I L j X '' g '' d Tensión (interna) detrás de la reactancia transitoria de un GS E Vt I L j X ' g ' d Tensión (interna) detrás de la reactancia síncrona de un GS E g Vt I L j X d Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 51 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Motor Síncrono Tensión (interna) detrás de la reactancia subtransitoria de un MS E Vt I L j X '' m '' d Tensión (interna) detrás de la reactancia transitoria de un MS E Vt I L j X ' m ' d Tensión (interna) detrás de la reactancia síncrona de un MS E m Vt I L j X d Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 52 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Ejemplo: Un GS abastece a un MS a través de una línea. 30 MVA 13,2 kV X 'd' 20 % GS ~ 30 MVA 13,2 kV X 'd' 20 % X 10% ~ MS La reactancia de la línea esta expresada sobre la base de las máquinas. El motor esta consumiendo 20 MW con un factor de potencia de 0,8 en atraso (positivo), y una tensión en bornes de 12,8 kV al producirse una falla trifásica en sus terminales. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 53 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Consideramos los valores de bases siguientes: Vbase 13,2 kV S3base 30 MVA Circuitos equivalentes Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 54 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado 12,8 Vf 0,9697 0 pu 13,2 30.000 kVA I base 1.312 A 3 13,2 kV 20.000 kW IL 1.127,6 36,87 A ; pues cos 1 (0,8) 36,87 0,8 3 12,8 kV 1.127,6 36,87 A IL 0,8594 36,87 pu 1.312 A Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 55 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Para el generador: pu 0,9181 j 0,0687 pu 0,92074,28 pu E 'g' 0,92074,28 pu 0,8594 36,87 j 0,20 pu 0,8407 14,20 pu Vt 0,9697 0 0,8594 36,87 j 0,10 I 'g' 0,8407 14,20 pu 2,8023 75,8 pu j 0,20 j 0,10 I 'g' 2,8023 75,8 pu 1.312 A 3.676,62 75,8 A Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 56 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Para el motor: Vt Vf 0,9697 0 pu E 'm' 0,96970 pu 0,8594 36,87 j 0,20 pu 1,0816 7,30 pu I 'm' 1,0816 7,30 pu 5,408 97,30 pu j 0,20 I 'm' 5,408 97,30 pu 1.312 A 7.095,3 97,30 A Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 57 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado En la falla: I 'f' I 'm' I 'g' 5,408 97,30 2,8023 75,80 pu pu I 'f' 8,081 90 pu 1.312 A 10.602,1 90 A I 'f' 8,081 90 Contribución del Generador en MVA: S3g Vt I 'g' 0,92074,28 2,8023 75,8 pu 2,58 80,08 pu * S3g 2,58 80,08 pu 30 [MVA] 77,4 80,08 [MVA] Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 58 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Contribución del Motor en MVA: S 3 m '' * t m VI 0,96970 5,408 97,3 pu 5,2441 97,3 pu S3m 5,2441 97,3 pu 30 [MVA] 157,32 97,3 [MVA] Falla total en MVA: S3f Vf I 'f' 0,96970 8,081 90 pu 7,8361 90 pu * S3f 7,8361 90 pu 30 [MVA] 235,1 90 [MVA] ☺ Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 59 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Ejemplo: resolver el ejemplo anterior utilizando el Teorema de Thevenin j 0,30 j 0,20 j 0,12 j 0,30 j 0,20 Vf 0,96970 pu Z Th I 'f' Vf 0,96970 8,081 90 Z Th j 0,12 pu ☺ Esta corriente es la que sale del circuito en la falla al reducirse a cero la tensión en el punto. Si esta corriente originada por la falla se divide entre los circuitos paralelos de las máquinas síncronas inversamente a sus impedancias, los valores resultantes son las corrientes de cada máquina, debidas exclusivamente al cambio de la tensión en el punto de falla. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 60 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado j 0,20 8,081 90 pu 3,2324 90 pu j 0,50 j 0,30 '' Im 8,081 90 pu 4,8486 90 pu j 0,50 I 'g' A las corrientes de falla de cada máquina se deben sumar las corrientes de prefalla correspondientes para obtener las corrientes de falla totales. I 'g' I L I 'g' I 'g' 0,859436,87 3,2324 90 I 'm' I L I 'm' I 'm' 0,859436,87 4,8486 90 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito pu 2,8024 75,8 pu pu 5,4081 97,3 pu 61 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Teorema de Superposición Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 62 Comportamiento de la máquina síncrona frente a un CC equilibrado Teorema de Superposición 1) Cortocircuitando E’’g, E’’m, Vf , con -Vf en el circuito, se obtienen las corrientes de falla en las máquinas debidas al cambio de la tensión en el punto de falla. 2) Cortocircuitando -Vf , con E’’g, E’’m, Vf en el circuito, se obtienen las corrientes de prefalla en las máquinas. 3) Sumando los dos valores de corriente se obtienen las corrientes de falla totales en cada una de las máquinas. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 63 Nivel de Falla (Potencia de CC ) 1 2 Icc Icc al resto del sistema al resto del sistema 3 La potencia de CC (Short-Circuit Capacity) de una barra se define por: SCC 3 Vprefalla I falla pu SCC 3 3 Vprefalla I falla [MVA] Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 64 Nivel de Falla (Potencia de CC ) Si consideramos como tensión de prefalla su valor nominal, resulta: SCC 3 I falla pu Si aplicamos el Teorema de Thevenin a la barra 3: V30 I falla f Z Z Th V30 I falla Z Th Curso de Capacitacion ETAP si Z f 0 si Z f 0 (CC rigido a tierra ) Cortocircuito 65 Nivel de Falla (Potencia de CC ) Si consideramos como tensión de prefalla su valor nominal, resulta: Z Th E=V0 1 SCC 1/SCC3Φ Sistema visto desde la falla ~ Curso de Capacitacion ETAP 3 Cortocircuito 66 Nivel de Falla (Potencia de CC ) o Para todo propósito práctico, la ZTh es reactiva. o Para todo propósito práctico, los MVA de CC en el caso de un CC rígido a tierra es potencia reactiva (inductiva). o Debido a las variaciones que experimenta la corriente de CC aportada por las maquinas síncronas, la ZTh no es constante; asume un valor mínimo inmediatamente después del CC y luego eventualmente aumenta. o La “firmeza” de una barra es directamente proporcional a su SCC3Φ; esto es, cuando su SCC3Φ aumenta, la impedancia interna del sistema vista desde la barra ZTh disminuye. La habilidad de la barra para mantener su tensión cuando se produce un CC en otras barras en consecuencia aumenta. Obsérvese, sin embargo, que si el CC ocurre en la barra, un SCC3Φ elevado implica elevadas corrientes de CC (en la barra). Esto somete a esfuerzos a los interruptores; esto explica la razón de insertar reactores en la barra para disminuir artificialmente su SCC3Φ. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 67 Nivel de Falla (Potencia de CC ) o Obsérvese que los MVA de CC a los que es sometido un interruptor, esto es el SCC3Φ de la barra correspondiente, es una mejor medida de la solicitación del interruptor, más que la corriente de CC que debe interrumpir. o En ocasiones, a los fines de simplificar el análisis, se supone que una barra es “infinitamente firme”. Esto significa que suponemos que la barra tiene un SCC3Φ arbitrariamente elevado. Puesto que esto implicaría una impedancia interna del sistema ZTh nula, concluimos que una tal barra mantendrá constante su tensión, excepto para un CC sobre si misma. o Finalmente, en grandes sistemas de potencia, los SCC3Φ pueden alcanzar valores del orden de los 50.000 MVA; a 500 kV corresponde a corrientes de CC del orden de los 60 kA. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 68 Ejemplo de Análisis de CC Ejemplo: T1 G1 G2 ~ ~ Δ Y Δ Y T2 1 2 L1 L2 L3 3 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 69 Ejemplo de Análisis de CC Un CC trifásico rígido a tierra se desarrolla en la barra 3. Para determinar la solicitación de los interruptores y fijar los tiempos de actuación de los relevadores, se requieren los datos siguientes: 1. Corriente de falla en barra 3, calculadas de tres a cuatro ciclos posteriores al CC trifásico. 2. SCC3Φ de la barra 3. 3. Corrientes de falla en la red. 4. Tensiones en barras 1 y 2, calculadas de tres a cuatro ciclos posteriores al CC trifásico. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 70 Ejemplo de Análisis de CC METODOLOGIA DE ANALISIS 1) Conformación del diagrama de red equivalente para la condición de prefalla. 2) Determinación del estado de prefalla de la red (Flujo de Potencia). 3) Determinación de las variaciones de corrientes y tensiones en la red causadas por el CC. 4) Superposición de las variaciones de corrientes y tensiones en la red calculadas en el paso 3 con las corrientes y tensiones de prefalla en la red calculadas en el paso 2 para obtener las corrientes y tensiones de falla. (Principio de Superposición) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 71 Ejemplo de Análisis de CC Paso 1: Diagrama de red equivalente para la condición de prefalla. • Representación de las líneas de transmisión: impedancias en p.u. referidas a 50 MVA - 120 kV. • Representación de generadores y transformadores: G1: 100 MVA X’d = 20% G2: 200 MVA X’d = 20% T1: 100 MVA X= 10% T2: 200 MVA X= 10% Cambiando la base 2 Vbase1 S base2 Z pubase2 Z pubase1 Vbase2 S base1 Curso de Capacitacion ETAP 50.000 kVA 0,10 [pu] 100.000 kVA 50.000 kVA X 'd G 2 0,20 0,05 [pu] 200.000 kVA 50.000 kVA XT1 0,10 0,05 [pu] 100.000 kVA 50.000 kVA XT2 0,10 0,025 [pu] 200.000 kVA X 'd G1 0,20 Cortocircuito 72 Ejemplo de Análisis de CC • Representación de las demandas en barras 1 y 3: SD1=1+ j 0,5 [pu] SD3=0,5+ j 0 [pu] Si suponemos que las tensiones de prefalla en ambas barras son los nominales, entonces de S=|V|2 Y * obtenemos: 1+ j 0,5 [pu] = |1.0|2 YD1 * → YD1= 1 – j 0,5 [pu] 0,5+ j 0 [pu] = |1.0|2 YD3 * → YD2 = 0,5 [pu] Con el objeto de preservar la linealidad de la red para poder aplicar el Teorema de Thevenin en el paso 3, suponemos que las admitancias equivalentes de carga son independientes de la tensión. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 73 Ejemplo de Análisis de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 74 Ejemplo de Análisis de CC Paso 2. Determinación del estado de prefalla de la red (Flujo de Potencia) En nuestro ejemplo supondremos que: Todas las tensiones de prefalla tienen magnitud 1.0 Todas las corrientes de prefalla son nulas. Estas suposiciones implican que todas las admitancias en paralelo se desprecian, por lo tanto el diagrama de red equivalente se simplifica. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 75 Ejemplo de Análisis de CC Paso 3. Determinación de las variaciones de corrientes y tensiones en la red causadas por el CC El efecto del CC es equivalente a conectar una impedancia de falla Zf entre la barra y tierra. Si el CC es rígido, entonces Zf = 0. El Teorema de Thevenin afirma que los cambios en las corrientes y tensiones de red causados por el agregado de una impedancia de falla Zf son equivalentes a aquellos causados al agregar un fem E=V30 con todas las otras fuentes de tensión cortocircuitadas. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 76 Ejemplo de Análisis de CC Para calcular los cambios en las corrientes y tensiones de red en este ejemplo procedemos a reducirla: Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 77 Ejemplo de Análisis de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 78 Ejemplo de Análisis de CC De la red equivalente e) calculamos la corriente en la falla: 1,0 0º If j 9,85 pu º 0,101590 De la red equivalente c) calculamos la corriente de falla se divide entre los generadores: j 0,1083 I G1 I f j 3,67 pu j 0,1083 j 0,1883 j 0,1883 IG 2 I f j 6,18 pu j 0,1083 j 0,1883 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 79 Ejemplo de Análisis de CC De la red equivalente a) calculamos los cambios en las tensiones de las barras 1 y 2: V1 0 j 0,15 j 3,67 0,550 pu V2 0 j 0,075 j 6,18 0,463 pu El cambio en las tension de la barra 3 es: V3 1.0 pu El vector de tension de barras de Thevenin es: 0,550 VT 0,463 1,0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 80 Ejemplo de Análisis de CC Conocidos los cambios en las tensiones de las barras, finalmente calculamos los cambios en las corrientes de las líneas: V2 V1 I 21 j 0,87 pu j 0,1 V1 V3 I13 j 4,50 pu j 0,1 V2 V3 I 23 j 5,37 pu j 0,1 Paso 4. Determinación del estado de falla de la red V1f V10 V1 1,0 0,550 0,450 pu V2f V20 V2 1,0 0,463 0,537 pu V3f 0 pu Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 81 Ejemplo de Análisis de CC I f 9,85 pu I1f I10 I1 0 j 3,67 3,67 pu I f2 I 02 I 2 0 j 6,18 6,18 pu I f21 I 021 I 21 ? j 0,87 ? pu f 0 I13 I13 I13 0 j 4,50 4,50 pu Observemos que para calcular I21f necesitamos conocer I210 I f23 I 023 I 23 0 j 5,37 5,37 pu Finalizamos el estudio de CC calculando la Potencia de CC en barra 3 SCC 3 3 Curso de Capacitacion ETAP 9,85 pu 9,85 50 MVA 490 MVA Cortocircuito ☺ 82 Ejemplo de Análisis de CC En los sistemas eléctricos de potencia modernos, existen distintos tipos de fuentes activas que pueden contribuir a la corriente de cortocircuito en el momento en que ocurre una falla por cortocircuito en el sistema. Estas incluyen generadores síncronos y asíncronos, motores síncronos y asíncronos, y los convertidores electrónicos de potencia conectados a generadores. Otros componentes del sistema, tales como las líneas aéreas, cables, reactores serie, etc, situados entre la localización de la falla por cortocircuito y las distintas fuentes de corriente afectaran la magnitud de las corrientes de cortocircuito que alimentan la falla. En general el efecto consiste en reducir la magnitud y aumentar la tasa de decaimiento de las corrientes de cortocircuito. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 83 Métodos Computacionales para análisis de CC equilibrados Por el Teorema de Thevenin: V V V T f barras 0 barras n1 n1 n1 Puesto que los cambios en las tensiones de las barras ocurren como resultado de la corriente de CC If en la barra fallada, o equivalentemente por la inyección de la corriente -If en la barra fallada, resulta: V Z I T barras n1 f n1 Curso de Capacitacion ETAP n n Cortocircuito 84 Métodos Computacionales para análisis de CC equilibrados donde: 1 barras Z barras Y 0 I f I f 0 Curso de Capacitacion ETAP Conceptualmente es la inversa de la matriz de admitancias de barras. En la practica no se invierte Ybarras sino que se construye Zbarras q-esima componente; correspondiente a la falla en barra q. Cortocircuito 85 Métodos Computacionales para análisis de CC equilibrados Entonces: f barras V V 0 barras Z barrasI f O, en términos de componentes: V1f V10 Z 1qIf Vqf Vq0 Z qqIf Obsérvese que en esta etapa If es desconocida. Vnf Vn0 Z nqIf Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 86 Métodos Computacionales para análisis de CC equilibrados Ahora bien, la tensión de falla de la q-esima barra esta relacionada con la corriente de falla por la ley de Ohm: Vqf Z f If donde Zf es la impedancia de falla. Reemplazando obtenemos la corriente de falla: Z I V Z qq I f f 0 q f I f Vq0 Z f Z qq Reemplazando ahora If en el sistema de ecuaciones obtenemos: Vi Vi f Z iq 0 Z Z qq f Vq0 iq f Z Vqf f Vq0 Z Z qq Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 87 Métodos Computacionales para análisis de CC equilibrados Si el CC es rígido: Vq0 If Z qq Vqf 0 Vif Vi0 Z iq Z qq Vq0 iq Finalmente, consideremos la línea de transmisión que conecta la barra α con la barra β. Si la impedancia de esa línea es Zαβ entonces la corriente de falla Iαβf en la línea es: I f Vf Vf Z Impedancia de la línea, no de la matriz Z!! Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 88 Métodos Computacionales para análisis de CC equilibrados Ejemplo: Retomamos el ejemplo anterior y hallamos la matriz de admitancia de barras. 1 1 1 j 26,67 j0,15 j0,10 j0,10 1 1 1 y 22 j 33,33 j0,075 j0,10 j0,10 1 1 y 33 j 20,00 j0,10 j0,10 1 y12 y 21 j 10,00 j0,10 1 y13 y 31 j 10,00 j0,10 1 y 23 y 32 j 10,00 j0,10 y11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 89 Métodos Computacionales para análisis de CC equilibrados j10,0 j10,0 - j 26,67 j 0,0728 Y j10,0 j 33,33 j10,0 Z j 0,0386 j10,0 j 0,0557 j10,0 - j 20,0 j 0,0386 j 0,0557 j 0,047 j 0,0557 j 0,047 j 0,1014 V3f 0 V1f V10 Z13 0 j 0,0557 V3 1,0 1,0 0,4507 pu Z 33 j 0,1014 Z 23 0 j 0,047 V V V2 1,0 1,0 0,5365 pu Z 33 j 0,1014 f 2 Curso de Capacitacion ETAP 0 2 Cortocircuito 90 Métodos Computacionales para análisis de CC equilibrados V30 1,0 I j 9,8619 Z 33 j 0,1014 f 3 V20 1,0 I j17,9533 Z 22 j 0,0557 f 2 V10 1,0 I j13,7363 Z11 j 0,0728 f 1 V1f V2f 0,4507 0,5365 I12 j 0,8580 Z12 j 0,1 f V1f V3f 0,4507 0 I13 j 4,507 Z13 j 0,1 f V2f V3f 0,5365 0 I23 j 5,365 Z 23 j 0,1 f Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito ☺ 91 Redes de Secuencia Efecto de la TCS sobre los elementos pasivos de la red Vabc Z Iabc 33 V 0 T -1ZT I 0 Iabc Y Vabc 33 -1 I 0 T YT V 0 Y -0 Z -0 El mayor valor inherente de la TCS como herramienta de análisis esta asociado al hecho de que estas matrices tienden a ser diagonales para la mayoría de los elementos ampliamente usados en SEP. En consecuencia, no existe acoplamiento entre las redes de secuencia y por lo tanto pueden tratarse separadamente. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 92 Redes de Secuencia Consideremos el caso de un elemento pasivo de la red en operación desequilibrada Línea de transmisión con carga desequilibrada Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 93 Redes de Secuencia Va1 Va 2 I a Z L I a I b I c Z n Vb1 Vb 2 I b Z L I a I b I c Z n Vc1 Vc 2 I c Z L I a I b I c Z n Zn Z n I a Va1 Va 2 Z L Z n V V Z I Z Z Z n L n n b1 b 2 b Vc1 Vc 2 Z n Zn Z L Z n I c ΔVabc Curso de Capacitacion ETAP Z Cortocircuito Iabc 94 Redes de Secuencia ΔVabc Z Iabc -1 ΔV 0 T ZT I 0 Z -0 Z L Z n Z -0 T 1 Z n Z n Curso de Capacitacion ETAP Zn ZL Zn Zn Zn Z L Z n T 0 0 Z L Z n Cortocircuito 0 ZL 0 0 0 Z L 3 Z n 95 Redes de Secuencia Si definimos: z ZL Impedancia de secuencia positiva z ZL Impedancia de secuencia negativa z 0 Z L 3 Z n Impedancia de secuencia cero V1 V 2 z I V1 V 2 z I V01 V02 z 0 I 0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito Por ser Z+-0 diagonal, los componentes de secuencia están desacoplados!! 96 Redes de Secuencia Efecto de la TCS sobre una maquina síncrona con carga desequilibrada Z1 Z Z 3 Z 2 Vabc E abc Z Iabc Z2 Z1 Z3 Z3 Z 2 Z1 TV0 E abc ZT I0 V 0 T E abc T ZT I 0 -1 -1 Z -0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 97 Redes de Secuencia 1 1 -1 T E abc 1 2 3 1 1 z1 Z 0 T -1 z 3 z 2 z2 z1 z3 Curso de Capacitacion ETAP E a 1 3 3 E a 2 Ea 2 1 4 2 E a E a 1 0 3 E a 1 2 0 1 E a z 1 2 z 2 z 3 z3 z 2 T 0 z1 0 Cortocircuito 0 z z z 2 1 2 0 3 0 0 z1 z 2 z 3 98 Redes de Secuencia Si definimos: z z 1 2 z 2 z 3 Impedancia de secuencia positiva z z 1 z 2 2 z 3 Impedancia de secuencia negativa z 0 z1 z 2 z 3 Impedancia de secuencia cero V E a z I V 0 z I V0 0 z 0 I 0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito Por ser Zs diagonal, los componentes de secuencia están desacoplados!! 99 Redes de Secuencia Ejemplo: Generador síncrono sujeto a un CC - LT Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 100 Redes de Secuencia I a I abc 0 0 1 I I 1 1 2 3 1 1 I 0 Ia 2 I a 3 I I 0 a I I I 0 a 3 3 1 0 I a 3 Ia V E a z 3 Ia V 0 z 3 Ia V0 0 z 0 3 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 101 Redes de Secuencia Ia Va I a Z V V V0 E a z z z 0 3 f Ia Ea Zf Va E a 1 z z z 0 3 Zf 1 Z z z z 0 3 f Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 102 Redes de Secuencia Ia Ia Ia Vb V V V0 E a z z z 0 3 3 3 3 2 Z f z 2 z 0 2 1 Vb E a 3Z f z 0 z z 2 2 Ia Ia Ia 2 Vc V V V0 E a z z z 0 3 3 3 3Z f z 2 z 0 1 Vc E a 3Z f z 0 z z 2 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 103 Redes de Secuencia Impedancias de secuencia de maquinas síncronas o Secuencia positiva z j Xd para régimen permanente z j X 'd' para CC, 1 ciclo ' z j Xd para CC, 3-4 ciclos o Secuencia negativa z j X o Secuencia cero z0 j X0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 104 Redes de Secuencia Va z Ia Medición de impedancias de secuencia negativa Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 105 Redes de Secuencia E z0 I0 Medición de impedancias de secuencia nula Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 106 Redes de Secuencia Impedancias de secuencia de líneas de transmisión Las impedancias de secuencia positiva y negativa de componentes de redes lineales, simétricos y estáticos son idénticas, porque la impedancia de tales circuitos es independiente del orden de fase, siempre que las tensiones aplicadas estén equilibradas. La impedancia de secuencia cero de una línea de transmisión es distinta (normalmente mayor) que la impedancia a las corrientes de secuencia positiva y negativa. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 107 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Construcción de redes de secuencia del SEP V barras Z barras J barras Secuencia positiva V barras Z barras J barras Secuencia negativa V0 barras Z 0 barras J 0 barras Secuencia cero n 1 Curso de Capacitacion ETAP nn n 1 Cortocircuito 108 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados 0 v 1 z 11 0 v 0 z 0 11 1 v 01 0 0 z 011 v i z i1 0 0 v i 0 z i1 0 v 0 0 z 0i1 0i v z 0 0 n n 1 v n 0 z n1 0 0 z 0 n1 v 0n 0 Curso de Capacitacion ETAP z 1i 0 0 0 z 1i 0 0 0 z 01i z ii 0 0 0 z ii 0 0 0 z 0ii z ni 0 0 0 z ni 0 0 0 z 0 ni Cortocircuito z 1n 0 0 J 1 0 z 1n 0 J 1 0 0 z 01n J 01 z in 0 0 J i 0 z in 0 J i 0 0 z 0in J 0i z nn 0 0 J n 0 z nn 0 J n 0 0 z 0 nn J 0 n 109 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados V 01 Z 011 V 0i Z 0i1 V 0 n Z 0n1 Vi V 0i Vi V0i Curso de Capacitacion ETAP Z 01i Z 0ii Z 0ni J i J 0i J i J 0i Cortocircuito Z 01n J 01 Z 0in J 0i Z 0nn J 0 n z ij Z 0ij 0 0 0 z ij 0 0 0 z 0ij 110 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Matriz de impedancia de barras Vector de inyecciones de corrientes de secuencia en barras de componentes de secuencia V 0 barras Z 0 barras J 0 barras 3n1 3n3n 3n1 Vector de tensiones de secuencia de barras Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 111 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Ejemplo: retomamos el ejemplo del SEP de tres barras. j 0,0728 Z barras j 0,0386 j 0,0557 j 0,0386 j 0,0557 j 0,0470 j 0,0557 j 0,0470 j 0,1014 Red de secuencia positiva Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 112 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados j 0,0728 Z barras j 0,0386 j 0,0557 j 0,0386 j 0,0557 j 0,0470 j 0,0557 j 0,0470 j 0,1014 Red de secuencia negativa Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 113 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados j5 j5 - j 30 Y0barras j 5 j 50 j 5 j 5 j5 - j10 j 0,0380 Z 0barras 0,0060 j 0,0220 j 0,0060 j 0,0220 j 0,0140 j 0,0220 j 0,0140 j 0,1180 Red de secuencia cero Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 114 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados 0 0 0,0386 0 0 0,0557 0 0 0,0728 0 0 , 0728 0 0 0 , 0386 0 0 0 , 0557 0 0 0 0,0380 0 0 0,0060 0 0 0,0220 0 , 0386 0 0 0 , 0557 0 0 0 , 0470 0 0 Z 0 barras j 0 0,0386 0 0 0,0557 0 0 0,0470 0 0 0 0 , 0060 0 0 0 , 0220 0 0 0 , 0140 0,0557 0 0 0,0470 0 0 0,1014 0 0 0,0557 0 0 0,0470 0 0 0,1014 0 0 0 0 0,0220 0 0 0,0140 0 0 0,1180 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 115 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Formulación general para tensiones y corrientes de CC Corriente de falla en la barra q I faq I fabcq I fbq I fcq Tensión de falla en la barra q Vaqf f f Vabcq Vbq f Vcq Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 116 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados V Z I 33 f f abcq f abcq 31 Matriz impedancia de falla 31 dependen del tipo de CC f I fabcq Y f Vabcq Matriz admitancia de falla Vf 0 q T -1 Z f T I f 0 q Z f -0 I f 0 q T Y TV -1 f f 0 q Matriz impedancia de secuencias de falla Matriz admitancia de secuencias de falla Yf 0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 117 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Por el Teorema de Thevenin: V f 0barras V 00barras Z 0 barras I f 0barras 3n1 donde: Curso de Capacitacion ETAP 3 n1 3 n3n 3n1 0 I f 0barras I f 0 q 0 q-esimo elemento Cortocircuito 118 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Reescribiendo la ecuación matricial anterior en forma vectorial: V f V 0 Z 01q I f 01 01 0q 31 33 31 31 ..................................... f 3 n V 0q V 00q Z 0 qq I f 0q 33 31 31 31 ........................................ f V f V 0 Z I 0 nq 0q 0n 0n 31 33 31 31 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 119 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados La corriente de falla se obtiene de: V f 0q V 00q Z 0qqI f 0q y Vf 0q Z f-0 If 0q despejando obtenemos: V 00q Z f 0 Z 0qq I f 0q cuya solución es: I 0q Z 0 Z 0qq f Curso de Capacitacion ETAP f Cortocircuito V 1 0 0q 120 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Sustituyendo la corriente de falla obtenemos: V 0i V 0i Z 0iq Z 0 Z 0qq f f 0q V 0 f Z 0 Z 0 Z 0qq f Curso de Capacitacion ETAP f V 1 Cortocircuito V 1 0 0q iq 0 0q 121 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Conocidas las tensiones de falla y la corriente de falla, calculamos las corrientes en las líneas. Si la línea conecta las barras ρ-μ y esta caracterizada por: y Y 0 0 0 0 y 0 0 0 y 0 La corriente de falla en la línea esta dada por: If-0 Y-0 Vf -0 Vf -0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 122 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados 0BSERVACIONES: Las fórmulas son completamente generales y pueden usarse para un sistema de n barras. La falla ocurre en cualquier barra q. Una vez que la matriz de impedancia de barras de secuencias de falla Z+0barras ha sido conformada y almacenada en memoria, podemos extender nuestro análisis fácilmente a cualquier tipo de falla. Todas las fórmulas involucran vectores de dimensión 3 y matrices de dimensión 3×3 con valores complejos. Las matrices Z+-0ij son diagonales, pero las matrices de impedancia de secuencias de falla Z+-0f no lo son. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 123 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Todas las fórmulas calculan las corrientes y tensiones de falla expresados en componentes de secuencia. Para convertirlos a valores por fase se debe aplicar la TCS inversa. Las tensiones de prefalla son equilibradas, por lo tanto las componentes de secuencia negativa y de secuencia nula se anulan. O sea, para toda barra q: V0q Vq0 0 V 0q 0 0 0 0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 124 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Las ecuaciones anteriores fueron deducidas basadas en la existencia de la matriz impedancia de secuencia de falla: Z f -0 Dependiendo del tipo de falla, esta puede no existir, en cuyo caso existe la matriz admitancia de secuencia de falla: Yf 0 En tal caso se deduce un nuevo conjunto de ecuaciones basadas en la matriz admitancia de secuencia de falla. De las ecuaciones: V f 0q V 00q Z 0qqI f 0q obtenemos: Curso de Capacitacion ETAP y If 0q Yf 0 Vf 0q V f 0q V 00q Z 0qq Yf 0 V f 0q Cortocircuito 125 Métodos Computacionales de análisis de CC desequilibrados Y de aquí: V 0q Id Z 0qq Y 0 f f V -1 0 0q donde Id es la matriz identidad. De la ecuación: I f 0 q Y f 0 f 0 q V obtenemos reemplazando en: Y f 0 Id Z 0 qq Y 0 0 q V f 0i V 00i Z 0iq I f 0q V f 0i V 00i Z 0iq Yf-0 Id Z 0qq Yf-0 Curso de Capacitacion ETAP V 1 f 0 Cortocircuito V 1 0 -0q iq 126 Determinación de las matrices de secuencia de falla De la anterior discusión, debe quedar claro que la clave del análisis consiste en disponer de las matrices de impedancia y de admitancia de falla. En este sentido el análisis de CC desequilibrado es diferente y mas complicado que el caso equilibrado, donde una impedancia de falla escalar Zf era suficiente para representar todos los casos. En el caso extremo en que el cortocircuito es rígido a tierra Zf = 0; en el otro caso extremo donde Zf = no hay falla. La situación es completamente diferente en el caso desequilibrado. Siempre que tengamos un caso extremo de impedancia de falla nula o infinita en una fase la matriz de impedancia o de admitancia de falla no estará definida. Tales casos extremos son mas la regla que la excepción y es necesario aprender como manipularlos en nuestro análisis. Para ello consideramos el caso general desequilibrado siguiente: Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 127 Determinación de las matrices de secuencia de falla Falla desequilibrada genérica Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 128 Determinación de las matrices de secuencia de falla Vaqf I faq Z a I faq I fbq I fcq Z g f Vbq I fbq Z b I faq I fbq I fcq Z g Vcqf I fcq Z c I faq I fbq I fcq Z g Vaqf Z a Z g Zg Z g I faq f f Zb Zg Z g I bq Vbq Z g f Vcqf Z g Z Z Z I g cq g c Zf Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 129 Determinación de las matrices de secuencia de falla Aplicando la TCS a la matriz de impedancia de falla Zf obtenemos: Z f -0 Za Zb Zc 1 Z f-0 Z a Z b 2 Z c 3 Z a 2 Z b Z c Curso de Capacitacion ETAP 1 T Z T f Z a 2 Z b Z c Za Zb Zc Z a Z b 2 Z c Cortocircuito Z a Z b 2 Z c Z a 2 Z b Z c Z a Z b Z c 9Z g 130 Determinación de las matrices de secuencia de falla Y Y Y Y Y Y 1 Y Y Y Y Y Y I faq Vaqf Ya Yc a b c g a b f f I Y Y a b b a c g b c bq Y Y Y Y Vbq a b c g I fcq Vcqf Y Y Y Y Y Y Y Y a c b c c a b g Yf Yf 0 1 Ya Yb Yc Yg 1 3 Yg Ya Yb Yc Ya Yb Yb Yc Yc Ya 1 2 Yg Ya Yb Yc 3 Yb Yc 2 Ya Yb Yc Ya 1 2 Yg Ya Yb Yc 3 Curso de Capacitacion ETAP 1 Yg Ya 2 Yb Yc 3 Yb Yc Ya Yb 2 Yc Ya 1 Yg Ya Yb Yc 3 Ya Yb Yb Yc Yc Ya 1 Yg Ya Yb 2 Yc 3 Cortocircuito 1 Yg Ya Yb 2 Yc 3 1 Yg Ya 2 Yb Yc 3 1 Yg Ya Yb Yc 3 131 Determinación de las matrices de secuencia de falla Caso 1: CC trifásico equilibrado Za Zb Zc Z 1 Y Z 0 0 Z f -0 0 Z 0 0 0 Z 3Z g Y 0 Yf 0 0 Y 0 0 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 0 0 YYg Yg 3Y 132 Determinación de las matrices de secuencia de falla f Puesto que Z -0 es diagonal y lo mismo es cierto para la matriz Z -0qq se deduce que la matriz Z f 0 Z 0qq también es diagonal. 1 Puesto que el vector de tensiones de prefalla solo tiene componentes de secuencia positiva resulta que la corriente I 0q Z 0 Z 0qq f f V 1 0 0q también contiene solo componentes de secuencia positiva. De hecho, lo mismo ocurre con tensiones postfalla: 1 f 0 f V 0i V 0i Z 0iq Z 0 Z 0qq V 00q iq Vf 0q Z f 0 Z f 0 Z 0qq V 1 0 0q Puesto que corrientes de secuencia cero, el potencial del punto N es el de tierra local y en consecuencia no circula corriente por Zg. ☺ Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 133 Determinación de las matrices de secuencia de falla Zb Zc Caso 2: CC monofásico a tierra Zg 0 Y f Za Zf Z f -0 1 Yf indefinida 1 1 1 Y f Y 0 1 1 1 3 1 1 1 f ☺ Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 134 Determinación de las matrices de secuencia de falla Caso 3: CC bifásico sin contacto a tierra Za Zg Ya 0 Y 0 g Yb Yc 2Yf Z f -0 indefinida 1 1 0 Yf 0 Y f 1 1 0 0 0 0 ☺ Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 135 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado Ejemplo: retomamos el ejemplo del SEP de tres barras para el cual la matriz de impedancia de barras de componentes de secuencia Z+-0barras ya ha sido calculada. Supongamos que en la barra 3 se desarrolla un CC monofásico a tierra. T1 G1 G2 ~ ~ Δ Y Δ Y T2 1 2 L1 L2 L3 3 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 136 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado 0 0 0,0386 0 0 0,0557 0 0 0,0728 0 0 , 0728 0 0 0 , 0386 0 0 0 , 0557 0 0 0 0,0380 0 0 0,0060 0 0 0,0220 0 , 0386 0 0 0 , 0557 0 0 0 , 0470 0 0 Z 0 barras j 0 0,0386 0 0 0,0557 0 0 0,0470 0 0 0 0 , 0060 0 0 0 , 0220 0 0 0 , 0140 0,0557 0 0 0,0470 0 0 0,1014 0 0 0,0557 0 0 0,0470 0 0 0,1014 0 0 0 0 0,0220 0 0 0,0140 0 0 0,1180 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 137 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado Las tensiones en la barra q=3 se obtienen de la ecuación: f -0q V Id Z 0qq Y De acuerdo al Caso 2: V -1 f -0 f -0q 1 1 1 Y f Y 0 1 1 1 3 1 1 1 f por lo tanto: 1 0 0 z qq Vf -0q 0 1 0 0 0 0 1 0 Curso de Capacitacion ETAP 0 z -qq 0 -1 0 f 1 1 1 Vq0 Y 0 0 1 1 1 3 1 1 1 0 z 0qq Cortocircuito 138 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado calculando: Yf 1 z z - qq 0qq 3 f Vq0 Y f V -0q z -qq f 3 Y f z qq z -qq z 0qq 1 Y 3 z 0qq 3 La corriente de CC en la barra q=3 se obtiene de la ecuación: I f 0 q Y f 0 f 0 q V Yf 3 1 1 I f -0q Vq0 Yf z qq z -qq z 0qq 1 1 3 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 139 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado Finalmente, las tensiones postfalla en barras i ≠q se obtienen de la ecuación: V f 0i V 00i Z 0iq I f 0q Vi0 z iq Vf -0i 0 0 0 0 0 z -iq 0 0 0 If 0q z 0iq Yf Vi0 z iq 3 Vf -0i 0 Vq0 z iq Yf 0 z qq z -qq z 0qq z 0iq 1 3 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 140 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado Todas las ecuaciones se simplifican si el CC es rígido a tierra: z -qq z 0qq Vf -0q z qq z qq z -qq z 0qq z 0qq Vq0 1 1 I f -0q z qq z -qq z 0qq 1 Vq0 Vi0 z iq 0 V q Vf -0i 0 z iq z qq z -qq z 0qq 0 z 0iq Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito iq 141 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado A los fines de calcular numéricamente, en este ejemplo Vq0=1: j 0,1014 Z -033 0 0 0 j 0,1014 0 0 0 p.u. j 0,1118 j 0,1014 0,1014 0,685 1 0,317 p.u. Vf -03 j 0,1014 j 0,1014 0,1014 0,1118 0,369 j 0,1118 1 3,12 1 1 j 3,12 p.u. I f-03 j 0,1014 0,1014 0,1118 1 3,12 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 142 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado Ahora calculamos las tensiones postfalla en barras 1 y 2: j 0,0557 Z -013 0 0 0 j 0,0557 0 0 0 j 0,0220 j 0,0472 Z -023 0 0 0 j 0,0472 0 0 0 j 0,0140 1 j 0,0557 0,826 1 j 0,0557 0,174 p.u. Vf -01 0 j 0,1014 0,1014 0,1180 0 j 0,0220 0,069 1 j 0,0472 0,853 1 j 0,0472 0,147 p.u. Vf -02 0 j 0,1014 0,1014 0,1180 0 j 0,0140 0,044 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 143 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado Ahora, por ejemplo, calculamos la corriente en la línea que vincula las barras 1 y 3: If-013 Y-013 Vf -01 Vf -03 j 0,10 Z -013 0 0 0 j 0,10 0 j 10 If-013 0 0 Curso de Capacitacion ETAP j 10 Y -013 0 0 0 0 p.u. j 0,20 0 0 j 10 0 0 j 5 0 0 0,826 0,685 1,42 j 10 0 0,174 0,317 j 1,42 p.u. 1,50 0 j 5 0,069 0,369 Cortocircuito 144 Ejemplo de Análisis de CC desequilibrado Los correspondientes valores por fase, por ejemplo para la barra 3 se obtienen de: f abc3 V TV f 03 Vaf3 1 1 1 0,685 0 0 f f Vabc3 Vb3 0,5 j0,866 0,5 j0,866 1 0,317 0,553 j0,868 1,0292 122,5 p.u Vcf3 0,5 j0,866 0,5 j0,866 1 0,369 0,553 j0,868 1,0292 122,5 I f abc3 TI f 03 I fa 3 1 1 1 j 3,12 j 9,36 Ifabc3 I fb 3 0,5 j0,866 0,5 j0,866 1 j 3,12 0 p.u. I fc3 0,5 j0,866 0,5 j0,866 1 j 3,12 0 ☺ Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 145 Técnicas para Análisis de CC Simulación de cortocircuitos CC a través de una impedancia de falla Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 146 Técnicas para Análisis de CC Simulación de cortocircuitos Red de prefalla Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 147 Técnicas para Análisis de CC Simulación de cortocircuitos Simulación del CC a través de FF’ Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 148 Técnicas para Análisis de CC Simulación de cortocircuitos Cálculo de los cambios de tensión y corriente debidos al CC usando Thevenin Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 149 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 150 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 151 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 152 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 153 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 154 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 155 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC La observación importante es que el decaimiento de la componente de alterna de la corriente de CC es muy pronunciado en el caso de falla cercana al generador pero despreciable en el caso de falla lejana (eléctricamente) al generador. Contrariamente, el decaimiento de la componente de continua de la corriente de CC es mayor en el caso de falla lejana que en el caso de falla cercana. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 156 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 157 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 158 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 159 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 160 Técnicas para Análisis de CC Variación en el tiempo de las componentes ac y dc de la corriente de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 161 Estándares para Análisis de CC Revisión Histórica En 1918 Fortescue presentó en una conferencia del AIEE (American Institute of Electrical Engineers) una de las más poderosas herramientas para análisis de cortocircuito en redes polifásicas equilibradas y desequilibradas: Fortescue, C. L. Method of Symmetrical Coordinates Applied to the Solution of Polyphase Networks. Trans. AIEE 37: 1027-1140,1918 El procedimiento era aplicable al cálculo de soluciones analíticas así como también a los cuadros de cálculo en cc y ca, por lo que fue ampliamente adoptado en Europa y EEUU durante los primeros años de la industria eléctrica. Sin embargo, la complejidad de los cálculos de cortocircuito para cualquier sistema de potencia en la práctica industrial estaba mas allá del alcance de los cálculos manuales, independientemente de la potencia del método de componentes simétricas. Resultaba claro la necesidad de aproximar ciertas interacciones eléctricas para complementar el método de componentes simétricas a través de un estándar. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 162 Estándares para Análisis de CC Revisión Histórica La primera metodología estándar para calcular corrientes de cortocircuito fue introducida en 1929 por la VDE (Verband Deutscher Electrotechniker). En ese mismo año, el MIT (Massachusetts Institute of Technology) y GE (General Electric Company) desarrollaron conjuntamente un cuadro de cálculo en ca. Los estudios de cortocircuito que podían hacerse en un cuadro de cálculo en cc, se podrían hacer a partir de ese momento en forma mas precisa en un cuadro de cálculo en ca. Entre 1940 y 1950 en EEUU la ASA (American Standards Association) desarrolló estándares para calcular corrientes de cortocircuito similares a los de la VDE en el uso de componentes simétricas pero diferentes en relación a los factores empíricos que cada estándar usaba para aproximar fenómenos tales como el decaimiento temporal de la corriente durante un cortocircuito. En 1969, ASA adopta el nombre de ANSI (American National Standards Institute). En 1987, el estándar VDE 0102 fue incorporado a un nuevo estándar IEC 909. Con el paso del tiempo, los factores empíricos de los estándares se tornaron más críticos debido al hecho de que la capacidad nominal del equipamiento eléctrico era establecida en consonancia con cada método particular de cálculo. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 163 Estándares para Análisis de CC Revisión Histórica Como consecuencia de ello, tanto los estándares ANSI como los IEC para análisis de cortocircuito han refinado su metodología y factores empíricos. El estándar IEC 909 fue actualizado en 2001 como IEC 60909. El estándar IEEE C37.010 (1999) es una actualización del de 1988 y éste del de 1979. Antes de 1964 el estándar estaba basado en la corriente total en oposición al actual basado en la corriente simétrica. A diferencia del IEC 60909, el cual establece solamente los procedimientos de cálculo de corrientes de cortocircuito, el IEEE C37.010 esta orientado al cálculo de las solicitaciones de servicio de interruptores. En consecuencia, la metodología de cálculo de corrientes de cortocircuito esta incluida dentro de la guía de aplicación de interruptores. Actualmente, la mayoría de los estudios de cortocircuito basados en estos estándares se realiza en computadora digital, y los procedimientos empíricos para predecir la respuesta del equipamiento han sido combinados con técnicas analíticas de reducción de redes basadas en la manipulación de matrices ralas. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 164 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Selector de Modos de Estudio Análisis de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 165 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Barra de Herramientas Editor de Estudio de CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 166 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Tomas transformadores Nombre del caso de estudio Subsistemas monofásicos CC a bornes de la carga Impedancia de cables y protecciones Contribución Motores Niveles tensión barras selección barras CC Hasta 120 caracteres alfanuméricos Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 167 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE (ANSI) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 168 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE (ANSI) El estándar IEEE C37.010 es aplicable a interruptores de potencia con tensión nominal mayor a 1 kV para uso en sistemas eléctricos de potencia industriales, comerciales, así como en la red de transmisión y distribución, operados a frecuencia nominal de 60 Hz. La metodología de cálculo fue desarrollada para suministrar resultados conservativos para la determinación de las exigencias de servicio por cortocircuito (short-circuit duties) y la determinación y selección de las capacidades nominales de los interruptores de potencia. La forma de onda de la corriente de cortocircuito asimétrica se supone que tiene la máxima componente de continua. El estándar no hace distinción entre los cortocircuitos alimentados por una única fuente (red radial) o por múltiples fuentes (redes malladas). El estándar trata solo con el calculo de las máximas corrientes de cortocircuito y distingue entre cortocircuitos locales (con decaimiento de corriente) o remotos (sin decaimiento). Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 169 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Descripción General de la metodología de cálculo Se reemplazan todos las fuentes de tensión externas y las fem internas de las maquinas por una fuente de tensión equivalente en la localización de la falla, igual a la tensión de prefalla. Todas las máquinas se representan por sus impedancias internas. Las capacitancias de las líneas y las cargas estáticas se desprecian. Las fallas trifásicas son sólidas (no se considera resistencia de arco). Las impedancias del sistema se suponen equilibradas. Se emplea el método de Componentes Simétricas. Se conforman tres redes de secuencia para calcular las corrientes de cortocircuito momentánea, de interrupción, y de régimen permanente; así como las exigencias de servicio (duties) de los distintos dispositivos de protección. Estas redes son: la red de ½ ciclo (red subtransitoria), la red de 1,5 - 4 ciclos (red transitoria) y la red de 30 ciclos (red de régimen permanente). Se determina una X/R para cada barra individual fallada. Esta relación se usa para determinar el factor de multiplicación (MF) para cuantificar la componente de continua para la corriente de cortocircuito. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 170 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Red de ½ ciclo Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 171 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Red de ½ ciclo Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 172 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Red de 1,5 - 4 ciclos Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 173 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Red de 1,5 - 4 ciclos Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 174 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Red de 30 ciclos Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 175 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Red de 30 ciclos Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 176 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Factor de Multiplicación (MF) El factor MF se determina a partir de la relación X/R del sistema equivalente en el punto de falla. Contribuciones locales y remotas Una contribución local a una corriente de cortocircuito es la porción de la corriente de cortocircuito suministrada fundamentalmente por generadores que distan no mas de un nivel de transformación o una reactancia en serie menor que 1,5 veces la reactancia subtransitoria del generador. Toda otra contribución se considera remota. Relación de no decaimiento de la corriente alterna (NACD) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 177 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC momentánea La corriente de CC momentánea representa el valor máximo de corriente de CC y se calcula usando la red de ½ ciclo. Procedimiento de Cálculo 1) Cálculo del valor eficaz simétrico de la corriente de CC momentánea donde Zeq es la impedancia equivalente de la red de ½ ciclo vista desde la falla. 2) Cálculo del valor eficaz asimétrico de la corriente de CC momentánea Donde: Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 178 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC momentánea 3) Cálculo del valor pico de la corriente de CC momentánea donde Estos valores de la corriente de CC momentánea se usan para: Capacidad de cierre de interruptores de alta tensión (HVCB). Capacidad de interrupción de fusibles e interruptores de baja tensión (LVCB). Capacidad de esfuerzos en barras. Ajuste instantáneo de relevadores Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 179 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC de interrupción para HVCB La corriente de CC de interrupción representa el valor de corriente de CC en el periodo transitorio (1,5 - 4 ciclos) y se calcula usando la red de 1,5 - 4 ciclos. Tiempo de partida de los contactos: La magnitud de la componente de corriente continua en la corriente de CC de interrupción para interruptores de alta tensión (HVCB) depende del tiempo de partida de los contactos (Contact Parting Time: CPT) Factor S: refleja la habilidad de un HVCB (con valores nominales simétricos) para interrumpir una corriente de CC con componente de continua. Se define como el cociente entre el valor eficaz asimétrico de la corriente de interrupción nominal del HVCB y el valor eficaz simétrico de la corriente de interrupción nominal del HVCB. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 180 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC de interrupción para HVCB Procedimiento de Cálculo 1) Cálculo del valor eficaz simétrico de la corriente de CC de interrupción: donde Zeq es la impedancia equivalente de la red de 1,5 - 4 ciclos vista desde la falla. 2) Cálculo de las contribuciones desde las otras barras a la corriente de CC de interrupción Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 181 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC de interrupción para HVCB o Si la contribución es desde una barra remota, el valor eficaz simétrico de la corriente de CC de interrupción es corregido por el factor de multiplicación para contribuciones remotas: donde t= CPT [ciclos]. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 182 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC de interrupción para HVCB o Si la contribución es desde un generador local, el valor eficaz simétrico de la corriente de CC de interrupción es corregido por el factor de multiplicación para contribuciones locales MFl Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 183 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC de interrupción para HVCB 3) Cálculo de las contribuciones remotas y locales totales y a partir de ellas del NACD 4) Cálculo del valor eficaz ajustado (asimétrico) de la corriente de CC de interrupción: donde: Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 184 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC de interrupción para HVCB 5) Para HVCB con valores nominales simétricos, el valor eficaz ajustado (asimétrico) de la corriente de CC de interrupción se calcula por: S=1 para HVCB con valores nominales sobre la base de la corriente total. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 185 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC de interrupción para LVCB Debido a la acción instantánea de los LVCB a los máximos valores de corriente de CC, la red de ½ ciclo se utiliza para calcular la corriente de CC de interrupción. Procedimiento de Cálculo 1) Cálculo del valor eficaz simétrico de la corriente de CC de interrupción: donde Zeq es la impedancia equivalente de la red de ½ ciclo vista desde la falla. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 186 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Cálculo de la corriente de CC de interrupción para LVCB 2) Cálculo del valor eficaz ajustado (asimétrico) de la corriente de CC de interrupción: donde: Basado en corriente de pico Basado en corriente asimetrica Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 187 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Comparación de las capacidades nominales con las exigencias de servicio (duties) de los distintos dispositivos de protección Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 188 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Interruptores asociados a generadores síncronos (IEEE C37.013 1997) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 189 Análisis de Cortocircuito según ANSI/IEEE Interruptores asociados a generadores síncronos (IEEE C37.013 1997) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 190 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Selección de la tensión de prefalla Norma Capacidad de interrupción HVCB Capacitancia de secuencia cero Capacidad de interrupción LVCB Resistencia de armadura de generadores Factor de multiplicación de HVCB Factor de multiplicación de LVCB Exigencia de servicio Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 191 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 192 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 193 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 194 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 195 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 196 Barra de Herramientas ANSI/IEEE Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 197 Barra de Herramientas ANSI/IEEE Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 198 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 199 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 200 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 201 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 202 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Visualización de resultados Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 203 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Visualización de resultados Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 204 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Alertas Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 205 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 206 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Informe de resultados Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 207 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 208 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Informe de resultados Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 209 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 210 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 211 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 212 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 213 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 214 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 215 Análisis de Cortocircuito según IEC INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION (IEC) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 216 Análisis de Cortocircuito según IEC INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION (IEC) La norma IEC 60909 y sus estándares asociados clasifican a las corrientes de CC según su magnitud (máxima o mínima) y la distancia de la falla al generador (lejana o cercana). Las corrientes de CC máximas determinan las capacidades del equipamiento, mientras que la mínimas fijan los valores de ajuste de los dispositivos de protección. La clasificación de la falla en cercana o lejana al generador determina si se modela o no el decaimiento de la componente alterna, respectivamente. El estándar es aplicable a sistemas eléctricos de baja tensión y de alta tensión hasta 550 kV y de frecuencia nominal 50 Hz o de 60 Hz. La norma IEC 61363-1 calcula las corrientes de CC en función del tiempo y calcula su valor instantáneo usando las reactancias subtransitoria y transitoria, así como las constantes de tiempo subtransitoria, transitoria y de corriente continua. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 217 Análisis de Cortocircuito según IEC Descripción General de la metodología de cálculo Se reemplazan todos las fuentes de tensión externas y las fem internas de las maquinas por una fuente de tensión equivalente en la localización de la falla. Se aplica un factor de tensión c para ajustar el valor de la fuente de tensión equivalente para calcular las corrientes mínimas y máximas de CC. Todas las máquinas se representan por sus impedancias internas. Las impedancias del sistema se suponen equilibradas. Se emplea el método de Componentes Simétricas. Se considera la distancia eléctrica desde la falla a los generadores asíncronos. Para fallas alejadas del generador se supone que la corriente de CC de régimen permanente es igual a la corriente de CC inicial simétrica. En el cálculo de fallas desequilibradas se consideran las capacitancias de secuencia cero de líneas de transmisión, cables y admitancias paralelo. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 218 Análisis de Cortocircuito según IEC Descripción General de la metodología de cálculo Solo las componentes de corriente continua decrecen, excepto en el caso de fallas cercanas al generador donde se considera el decaimiento de ambas componentes (continua y alterna). La relación X/R determina la tasa de decrecimiento de las componentes continua y alterna de las corrientes de cortocircuito empleándose diferentes valores para generadores y motores cercanos a la falla. Definiciones Corriente de CC inicial simétrica (I”k): es el valor eficaz de la componente simétrica de la corriente alterna de una corriente de CC presunta si la impedancia tuviera un valor nulo. Corriente de CC pico (Ip): es el valor máximo instantáneo de la corriente de CC presunta. Corriente de CC de ruptura simétrica (Ib): es el valor eficaz de la componente simétrica de la corriente alterna de una corriente de CC presunta en el instante de separación del contacto del primer polo del dispositivo de corte. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 219 Análisis de Cortocircuito según IEC Definiciones Corriente de CC de régimen permanente (Ik): es el valor eficaz de la corriente alterna de una corriente de CC presunta que permanece después del decaimiento del transitorio. Tensión Subtransitoria de la maquina síncrona (E”): es el valor eficaz de la fem simétrica de la maquina síncrona la cual esta activa detrás de la reactancia subtransitoria en el momento del CC. Cortocircuito alejado del generador: es la condición de CC durante la cual la magnitud de la componente simétrica de corriente alterna de la corriente presunta de CC permanece esencialmente constante. Cortocircuito cercano al generador: es la condición de CC en la cual al menos una máquina síncrona contribuye a la corriente presunta inicial de CC con más del doble de su corriente nominal, o la condición de CC en la cual motores asíncronos y síncronos contribuyen con más del 5% de la corriente de CC inicial simétrica sin motores. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 220 Análisis de Cortocircuito según IEC Definiciones Reactancia Subtransitoria de la maquina síncrona (Xd”): es la reactancia (saturada) en el momento del CC. La impedancia de un motor asíncrono se calcula por donde kVn y kVr son las tensiones nominales de barras y del motor, respectivamente. Cmax se determina sobre la base de la tensión nominal del motor, Xd” es la reactancia subtransitoria de la maquina (p.u) y φr es el ángulo del factor de potencia nominal del motor síncrono. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 221 Análisis de Cortocircuito según IEC Definiciones Tiempo de retardo mínimo del interruptor (Tmin): es el mínimo tiempo entre el comienzo de la corriente de CC y la separación del primer contacto de un polo del dispositivo. Factor de Tensión c: es el factor usado para ajustar el valor de la fuente de tensión equivalente para calcular las corrientes mínimas y máximas de CC. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 222 Análisis de Cortocircuito según IEC Métodos de cálculo Corriente de CC inicial simétrica (I”k): donde Zk es la impedancia equivalente de la red vista desde la falla. Corriente de CC pico (Ip): donde k es depende de la relación R/X de la red vista desde la falla. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 223 Análisis de Cortocircuito según IEC La norma IEC recomienda tres métodos: Método A Ip R " 2 I k 1,02 0,98 exp 3 X k donde R/X es el menor valor existente de todas las ramas de la red Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 224 Análisis de Cortocircuito según IEC Método B o o Baja Tensión I p 1,08 2 I "k Media Tensión R I p 1,15 2 I "k 1,02 0,98 exp 3 X k o Alta Tensión I p 2 2 I "k donde R/X corresponde a la impedancia de la red vista desde la falla. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 225 Análisis de Cortocircuito según IEC Método C Ip R " 2 I k 1,02 0,98 exp 3 X k R /X se establece ahora por: R R C 20 X X C 50 donde RC y XC corresponden a la impedancia de la red vista desde la falla definida para una frecuencia estacionaria en la red de 20 Hz, si la frecuencia nominal de la red es 50 Hz. (Para una frecuencia nominal de 60 Hz la frecuencia de calculo es 24 Hz) Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 226 Análisis de Cortocircuito según IEC Métodos de cálculo Corriente de CC de ruptura simétrica (Ib): Para un CC alejado del generador: Para un CC cercano al generador: para maquinas síncronas para maquinas asíncronas donde μ y q son factores que tienen en cuenta el decaimiento de la componente de corriente alterna. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 227 Análisis de Cortocircuito según IEC Métodos de cálculo Componente de continua de la corriente de CC: donde f es la frecuencia del sistema, tmin es el tiempo mínimo de retardo del dispositivo de protección y X/R corresponde a la impedancia de la red vista desde la falla. Corriente de CC de ruptura asimétrica : Ii valor _ eficaz _ componente _ alterna 2 valor _ eficaz _ componente _ continua 2 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 228 Análisis de Cortocircuito según IEC Métodos de cálculo Corriente de CC de régimen permanente: La corriente de CC de régimen permanente Ik es la combinación de las contribuciones de los aportes de los generadores asíncronos: donde IrG es la corriente nominal del generador y λ es función de la tensión de excitación del generador, así como de otros parámetros del generador. Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 229 Análisis de Cortocircuito según IEC Comparación de las capacidades nominales con las exigencias de servicio (duties) de los distintos dispositivos de protección Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 230 Análisis de Cortocircuito según IEC Comparación de las capacidades nominales con las exigencias de servicio (duties) de los distintos dispositivos de protección Interruptores de Media Tensión: Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 231 Análisis de Cortocircuito según IEC Comparación de las capacidades nominales con las exigencias de servicio (duties) de los distintos dispositivos de protección Interruptores de Baja Tensión: Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 232 Análisis de Cortocircuito según IEC Comparación de las capacidades nominales con las exigencias de servicio (duties) de los distintos dispositivos de protección Fusibles: Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 233 Análisis de Cortocircuito según IEC Comparación de las capacidades nominales con las exigencias de servicio (duties) de los distintos dispositivos de protección Corriente de CC equivalente térmica: Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 234 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Factor de ajuste de impedancias de generadores y transformadores Norma Capacitancia de secuencia cero Método de calculo de la corriente de CC de pico Exigencia de servicio Valores nominales de ruptura del LVCB Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 235 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 236 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 237 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 238 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 239 Editor de Estudio de CC ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 240 Barra de Herramientas IEC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 241 Barra de Herramientas IEC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 242 Barra de Herramientas IEC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 243 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 244 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 CC Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 245 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 246 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 247 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Visualización de resultados Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 248 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Visualización de resultados Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 249 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Informe de resultados Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 250 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 251 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Informe de resultados Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 252 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 253 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 254 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 255 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 256 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 257 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 258 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 259 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 260 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 261 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 262 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 263 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 264 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 265 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 266 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 267 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 268 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 269 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 270 Ejemplo de aplicación usando ETAP®11 Curso de Capacitacion ETAP Cortocircuito 271