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FALLAS EN FALLAS EN SISTEMAS DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIDISTRIBUCIÓÓNN

Msc.Ing. Leonidas Sayas Pomalsayas@softhome.net

Celular: 99009096 L.Sayas P.

Contenido Contenido

1.1. Origen de las fallasOrigen de las fallas2.2. Tipos de fallas, Tipos de fallas,

simsiméétricas y asimtricas y asiméétricastricas3.3. TeorTeoríía de componentes a de componentes

simsiméétricastricas4.4. Calculo manual de Calculo manual de IccIcc5.5. Calculo computacional Calculo computacional

de de IccIcc6.6. AplicaciAplicacióónn

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Las fallas en un SD tienen los siguientes origenes:•• Condiciones climCondiciones climááticas adversas ticas adversas

• descargas atmosféricas• lluvia • nieve o granizo• hielo excesivo• neblina, viento• calor

•• Medio ambienteMedio ambiente• contaminación• corrosión• choque de materiales arrastrados por el viento.• incendio• caída de los árboles sobre las redes

Origen de las fallas Origen de las fallas

AISLADOR HIBRIDOAISLADOR HIBRIDO

Contaminación industrial compuesta de partículas producto de las actividades industriales que arroja sobre los aisladores

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•• Actos de Actos de la naturalezala naturaleza• inundación• movimiento telúrico• terremotos

•• AnimalesAnimales• aves• Roedores

•• TercerosTerceros• actos de vandalismo• choque de vehículos sobre postes• cometas de niños

Origen de las fallas Origen de las fallas

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•• Propias de la redPropias de la red– error de operación– sobrecargas– instalación/construcción deficiente– falsa operación de los sistemas de

protección– equipo/ diseño inadecuado– envejecimiento– mal funcionamiento– mantenimiento defectuoso

•• Defecto de fabricaciDefecto de fabricacióónn

Origen de las fallas Origen de las fallas

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Causa De Falla Por Llovizna Causa De Falla Por Llovizna

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Descarga A Tierra Descarga A Tierra

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Descarga A Tierra Descarga A Tierra

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Descarga A TierraDescarga A Tierra

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Descarga Total A Tierra Descarga Total A Tierra

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Aisladores Con Botas PolimAisladores Con Botas Polimééricas Y ricas Y Aisladores Extensores Aisladores Extensores

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Causa De Falla Por LloviznaCausa De Falla Por Llovizna

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Aisladores Extensores Aisladores Extensores SeccionadorSeccionador

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SelecciSeleccióón Del n Del SeccionadorSeccionador De PotenciaDe Potencia

Los Seccionadores de Potencia deben ser diseñados para soportar las corrientes

capacitivas del sistema

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Resumen Origen de las fallas Resumen Origen de las fallas

TIPO: CAUSADO POR:TIPO: CAUSADO POR:

Falla en el Errores y defectos de diseño aislamiento inapropiado, contaminacicontaminacióónn.

Origen eléctrico. Sobrecargas atmosféricas, maniobras internas, sobretensiones dinámicas.

Origen Térmico. Sobrecorriente, sobretensión.

Factores Mecánicos. Esfuerzos por sobrecorriente, impactode objetos extraños, rotura por hielo..

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ClasificaciClasificacióón de las fallas n de las fallas

•• Por el tiempo de duraciPor el tiempo de duracióónn• Transitorias• Permanentes

•• Por la formaPor la forma• Serie• Shunt

•• Por la Por la simetriasimetria de las ondasde las ondas• Simetricas• Asimetricas

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Fallas serie Fallas serie

• Ruptura física de uno o dos conductores de una línea de transmisión por accidente o una tormenta.

• Debido a corrientes de sobrecarga en una o dos fases, pueden operar los dispositivos de protección.

• Falla en los polos del interruptor al efectuar una operación monofásica.

I=0

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Fallas Fallas shuntshunt o paraleloo paralelo

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•Trifasica a tierra

•Trifasica sin contacto a tierra

Falla trifFalla trifáásica diagrama vectorialsica diagrama vectorial

abc

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falla bifásica sin contacto a tierra

Falla bifFalla bifáásica diagrama vectorialsica diagrama vectorial

abc

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Falla bifásica con contacto a tierra

abc

Falla bifFalla bifáásica a tierra diagrama sica a tierra diagrama vectorialvectorial

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Falla monofasicacon contacto a tierra

abc

Falla monofFalla monofáásica diagrama sica diagrama vectorialvectorial

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Sistema con neutro aisladoSistema con neutro aislado

En condición normal

En condición de falla

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•• Para SDPara SD– Monofásicas 70 %– Bifásicas 7%– Bifásicas –t 20%– Trifásicas 3%

Total 100%

•• UbicaciUbicacióón de las fallasn de las fallas– Redes 85%– Barras y transformador 15%

EstadEstadíística de fallas stica de fallas shuntshunt

Nota:Nota:• Del total de fallas a tierra

el 60% es transitoria y el 30% permanente (5% caída de línea)

• El sistema de protección debe considerar estos valores

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• Su valor inicial depende en que parte de la onda de tensión ocurre el cortocircuito y su amortiguamiento es tanto más rápido cuanto mayor sea la relación R/L.

Fallas simFallas siméétricas y asimtricas y asiméétricastricas

La corriente de cortocircuito La corriente de cortocircuito IccIcc

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• La Icc tiene dos componentes, una alterna (Ia) y otra continua (Ic).

•• IccIcc==IaIa++IcIc

La corriente de cortocircuitoLa corriente de cortocircuito

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• Es el caso más frecuente. La componente AC se mantiene y la DC se amortigua.

• Se aprecia los dos casos extremos.

Simétrico Asimétrico

Fallas simFallas siméétricas y asimtricas y asiméétricastricas

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Coeficiente Coeficiente ““KK””

resinterrupto los de cierre dePoder Ip .2.

96899,0022,10301,3

==

⋅+=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅−

IaKIp

eK XR

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Reactancia subtransitoria

Componente unidireccional

Reactancia permanente

Reactancia transitoria

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ContribuciContribucióón a la n a la IccIcc

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MMéétodostodos• Fallas simétricas; Icc 3f• Fallas asimétricas; Icc1f, Icc2f,

fallas serie

•• Consideraciones para Consideraciones para el calculo el calculo IccmaxIccmax

• Todo los generadores en servicio• Impedancia de falla igual a cero• Debe ser Icc3f y Icc2f• Máxima demanda• Se considera impedancias

subtransitorias

Calculo de la corriente de Calculo de la corriente de cortocircuitocortocircuito

•• Consideraciones para el Consideraciones para el calculo calculo IccminIccmin

• Mínimo numero de generadores en servicio

• Se considera impedancia de falla• Debe ser Icc2f y Icc1f• Mínima demanda• Se considera impedancias transitorias

•• En general en los SDEn general en los SD• Se omiten las corrientes de carga• La tensión prefalla pueden ser iguales

en toda el SD• Se omiten las resistencias ,

capacitancias de carga, y los taps no nominales, ya que la influencia no es significante.

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Datos necesariosDatos necesarios• En el punto de entrega se

requiere, Scc, Upf y Angulo• Si no hay Scc, se considera al

transformador de impedancia infinita.

• Se debe conocer las resistencias y reactancias de los conductores.

IccIcc triftrifáásico simsico siméétricotrico

Z(-) ) Z(si solo 3.232

Zs.senXs Zs.cosRs Scc

Upf

.33

.3

2

22

=+=

===

+=

=

∑ ∑

fIccfIcc

Zs

XRUpffIcc

UpfSccIccs

θθ

InUcc

Icct

UccSntScct

.(%)

1(%)

=

=

R1,X1

L1(km)

R2,X2

L2(km)Scc(MVA)Upf(kV)Angulo

SnUcc(%), U1/U2

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ParParáámetros de lmetros de lííneas y cablesneas y cables

PARAMETROS ELECTRICOS DE LINEAS AEREAS Y CABLES SUBTERRANEOS DE MEDIA TENSION

CABLE SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)(16) 1,3258 0,144 5,77E-05(35) 0,6033 0.177 7,13E-05

NKY (70) 0,3122 0,109 8,71E-05(120) 0,1758 0,102 1,01E-04(240) 0,0856 0,096 1,21E-04(25) 0.9290 0,216 5,32E-05 0,1816

N2XSY (120) 0.1960 0,175 0,2789(240) 0.1000 0,1587 0,3145

LINEA SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)(33) 0,8398 0,4526661 3,6786E-06(67) 0,5912 0,420495 3,97703E-06

Aluminio (70) 0,5834 0,4176 3,97703E-06(120) 0,3226 0,41262 4,24091E-06(125) 0,2979 0,3925986 4,24091E-06(13) 1,6164 0,4876382 3,40097E-06(16) 1,3488 0,47204 3,4509E-06(21) 1,0168 0,4701502 3,53436E-06

Cobre (33) 0,6398 0,4526661 3,6786E-06(35) 0,6156 0,44237 3,7426E-06(42) 0,5072 0,4439213 3,75526E-06(67) 0,3189 0,4163712 3,98591E-06(70) 0,3147 0,43289 3,99095E-06

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AplicaciAplicacióón 1n 1

Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f en la derivación 0434T

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SoluciSolucióón Aplicacin Aplicacióón 1n 1

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Tarea 1Tarea 1

Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f y Icc2f en la SE 981.

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• El análisis de un SD balanceado se efectúa utilizando sus equivalentes de monofásicos o unitarios.

• Si el SD es desbalanceado o asimetrico (por fallas) resulta complicado

• En el año 1918, el Doctor Charles F. Fortescue publicósu trabajo "Method of Symmetrical Coordinates Appliedto the Solution of Poliphase Network", con lo cual se inicio los estudios de los sistemas eléctricos en situaciones de fallas asimétricas o desbalanceadas, mediante el METODO DE COMPONENTES SIMETRICAS

TeorTeoríía de componentes a de componentes simsiméétricastricas

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(+) (-) (0)

“FortescueFortescue”” Propuso que un sistema trifásico desbalanceadopuede descomponerse en tres sistemas de vectores balanceadosllamados componentes secuencia positiva , negativa y cero.

VRVS

VT

VT1

VR1

VS1

VT0

VT2

VR2

VR0VS2 VS0

Secuencia positivaRST

Secuencia negativaRTS

Secuencia homopolar

TeorTeoríía de componentes sima de componentes siméétricastricas

L.Sayas P.

TeorTeoríía de componentes a de componentes simsiméétricastricas

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R1

S1T1

120°

120°

120°

El operador a es un vector de magnitud la unidad y argumento 120°

a =1 120°

se cumple lo siguiente:

S1 = a2 R1

T1 = a R1

Sistema de secuencia positiva.Sistema de secuencia positiva.

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R2

T2S2

120°

120°

120°

Asimismo se cumple:

S2 = a R2

T2 = a2 R2

Sistema de secuencia negativa.Sistema de secuencia negativa.

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Ro So To

3Ro = 3So = 3To

Los tres vectores homopolares o de secuencia cero, son iguales en magnitud, dirección, y sentido.

Sistema de secuencia cero.Sistema de secuencia cero.

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• Un sistema eléctrico asimétrico, puede ser descompuesto en tres sistemas de simétricos diferentes e independientes (positiva, negativa y cero).

2121

21

2

2

VaaVVoVTaVVaVoVS

VVVoVR

++=

++=

++=

Valores reales en funciValores reales en funcióón de la n de la secuenciasecuencia

2121

21

2

2

IaaIIoITaIIaIoIS

IIIoIR

++=

++=

++=

L.Sayas P.

• Se demuestra que :

32

31

3

2

2

aITISaIRIr

ITaaISIRIr

ITISIRItoIsoIro

++=

++=

++===

Valores de secuencia en funciValores de secuencia en funcióón n de la realde la real

)(312

)(311

)(31

2

2

aItIsaIrI

ItaaIsIrI

ItIsIrIo

++⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

++⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

++⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

)(312

)(311

)(31

2

2

aVtVsaVrV

VtaaVsVrV

VtVsVrVo

++⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

++⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

++⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

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ComentarioComentario

• Las componentes de secuencia positiva, están presentes en cualquier condición (balanceada o desbalanceada, simétricos y asimétricos).

• Las componentes de secuencia negativa, por tener secuencia diferente a las positivas, rompen el equilibrio establecido por el sistema positivo.

• En otras palabras, cualquier desequilibrio introduce componentes de secuencia negativa.

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• Las componentes homopolares o de secuencia cero, sólo pueden aparecer cuando el sistema trifásico tenga una resultante (IR + IS + IT >0 ).Para que un red trifásica tenga resultante es preciso que dicha red tenga, al menos un punto a tierra.Por ejemplo:Una falla monofásica a tierra.Una falla bifásica a tierra.Las aperturas de fase o las cargas desequilibradas solamente producirán componente homopolar cuando exista un segundo punto de contacto a tierra.

ComentarioComentario

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Redes de secuencia +Redes de secuencia +

• Reemplazar las impedancias de secuencia positiva en el sistema eléctrico en estudio, luego determinar el circuito Thévenin equivalente (Red monofásica activa, con impedancias directas) en el punto de falla.

Z1

E Ua1

Ia1

Red de secuencia positiva ( 1 )

+

-

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• Reemplazar las impedancias de secuencia negativa y anular las fuentes de tensión existentes. De igual modo se determina la red de secuencia negativa (Red monofásica pasiva, con impedancias inversas) en el punto de falla.

Z2

Ua2

Ia2

Red de secuencianegativa ( 2 )

+

-

Redes de secuencia Redes de secuencia --

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• Asimismo se determina la red de secuencia cero (Red monofásica pasiva, con impedancias homopolares, reemplazando las impedancias de secuencia cero) en el punto de falla.

Z0

Ua0

Ia0

Red de secuencia cero ( 0 )

+

-

Redes de secuencia 0Redes de secuencia 0

L.Sayas P.

GeneradoresGeneradores

ER

IR1 Z1

UR1

+

-

IR2 Z2

UR2

+

-Red de secuenciapositiva (1) o (+)

Red de secuencianegativa (2) o (-)

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ZN

R

XO

XO

XO

3ZN

XO

3ZN

ZN=XT + a2 R

a:1

XO

Redes de secuencia cero según su conexión

GeneradoresGeneradores

L.Sayas P.

TransformadoresTransformadores

Transformador de 3devanados

XT

Transformador de 2devanados

P

T

S

ZP

ZS

ZT

Redes de secuencia positiva y negativa

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L.Sayas P.

Transformadores de 3 devanadosTransformadores de 3 devanados

2

2

2

PSSTPTT

PTSTPSS

STPTPSP

XXXX

XXXX

XXXX

−+=

−+=

−+=

P S

T

L.Sayas P.

Red de Red de secuencia secuencia cero para los cero para los transformadotransformadores segres segúún su n su conexiconexióón.n.

L.Sayas P.

Red de Red de secuencia cero secuencia cero para los para los transformadores transformadores segsegúún su n su conexiconexióón.n.

L.Sayas P.

Transformador de puesta a tierraTransformador de puesta a tierra((zigzig--zagzag))

XT XT

3R

Red de secuenciapositiva y negativa

Red de secuenciacero

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FALLAS TRANSVERSALES

Z2

Ia0

FALLA MONOFASICAFALLAS BIFASICA

Z1

Z0

Ia1

Ia2

3Zf

Vth Va1

Va2

Va0

Z2Z1

Ia1

Vth Va1 Va2

Ia2Zf

ZfZZZUthI

30210 +++=

fff ZZZ

UthII++

=−=21

21

Circuitos de secuenciaCircuitos de secuencia

L.Sayas P.

FALLAS TRANSVERSALES

Z2

Ia0

FALLA BIFASICA A TIERRA FALLAS TRIFASICA

Z1

Z0

Ia1 Ia2

3ZfVth Va1

Va0

Z1

Ia1

Vth Va1Va2

Z13Uth 3 =φkI

Circuitos de secuenciaCircuitos de secuencia

L.Sayas P.

ConexiConexióón entre las redes de secuencia correspondiente a n entre las redes de secuencia correspondiente a varios tipos de cortocircuitos en una red varios tipos de cortocircuitos en una red trifasicatrifasica

30 30 30 3030b

c

d

a a

b

c

d

a

b

c

d

(0) (0) (0) (0)

(-) (-) (-) (-)

(+) (+) (+) (+)

Linea a linea(f)

2 lineas atierra

(f)

Trifasico(g)

Trifasico atierra(h)

L.Sayas P.

Tensiones Tensiones homopolareshomopolares

• Para poder efectuar la detección de las tensiones homopolaressimplemente hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico, tal como se muestra a continuación:

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L.Sayas P.

Corriente Corriente homopolarhomopolar

• De igual manera, para la detección de la corriente homopolar hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico.

L.Sayas P.

• Sin embargo debido a que la corriente homopolar es muy pequeña en comparación de la corriente del alimentador y si la detección de la corriente se efectúa a través de la suma de tres transformadores de corriente, es posible que el resultado del filtro homopolar sea una corriente debido a la diferencia de corrientes de excitación que daría como resultado operaciones incorrectas.

Corriente Corriente homopolarhomopolar

L.Sayas P.

R

IR

ISIT

Io = ( IR + IS + IT ) / 3

IR

Ir

Iex

Ir - Iex

Irele = ( Ir - Iexr ) + ( Is - Iexs ) + ( It - Iext )Irele = ( Ir + Is + It ) - ( Iexr + Iexs + Iext )

- si el sistema no tiene falla a tierra

Irele = - ( Iexr + Iexs + Iext )

Relé

luego la corriente en el relé es :

esta corriente puede originar operaciones incorrectas del relé

Corriente Corriente homopolarhomopolar

L.Sayas P.

• Para solucionar este problema debemos efectuar la suma de las tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético, lo cual da como resultado una corriente en el secundario del transformador siempre y cuando exista corriente homopolar en el sistema primario. Para poder introducir las tres fases dentro de un núcleo magnético la única forma es que el electroducto sea un cable.

Corriente Corriente homopolarhomopolar

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L.Sayas P.

IR IS IT

Ir + Is + It

Iex I rele

I rele = ( Ir + Is + It ) - Iex

Para solucionar este inconveniente es preferible sumar lastres corrientes dentro de un solo núcleo magnético

Corriente Corriente homopolarhomopolar

L.Sayas P.

-- Calculo Calculo automaticoautomatico-- Calculo computacionalCalculo computacional--Calculo de fallas en el SINACCalculo de fallas en el SINAC

AplicaciAplicacióónn