FALLAS EN
SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN
Msc.Ing. Leonidas Sayas Poma
Celular: 996963438
SISTEMAS DE PROTECCIÓN
Los sistemas de protección son un conjunto de elementos
destinados a: – Detectar
– Localizar FALLAS O ANOMALIAS EN EL SEP
– Evaluar
– Comunicar
– Despejar
– Informar
La detección de anomalías se realiza midiendo básicamente los siguientes parámetros:
- Corriente (mayor indicador de fallas)
- Tensión
- Potencia
- Impedancia
- Frecuencia
- Dirección del flujo de potencia
PERTURBACIONES EN EL SEP
SOBRECORRIENTES
CORTOCIRCUITOS
SOBRECARGAS
(Detecta Temperatura)
FALLAS SIMETRICAS
Y ASIMETRICAS
ALTA CORRIENTE (KA)
APARICION REPENTINA
DURACION CORTA
(50 – 250 ms)
OPERACION NORMAL
(125-130%In)
APARICION GRADUAL
DURACION LARGA
(Varios minutos)
TENSIONES
ANORMALES
SOBRETENSIONES
SUBTENSIONES
TRANSITORIAS
PERMANENTES
SOBRECARGAS
(s – min)
FALLAS
(ms – s)
CORTAS
(Desc. Atmosfericas)
LARGAS
(Maniobras)
(KHz - MHz)
Cable de guarda
Pararrayos
Baja resistencia
(us – ms)
A FRECUENCIA
INDUSTRIAL
(s – min)
Lineas largas
(efecto ferranti)
Fallas)
Reles de sobretension
Reles de minima tension
FRECUENCIAS
ANORMALES
SOBREFRECUENCIAS
SUBFRECUENCIAS
•AUMENTO DE PERDIDAS– CALENTAMIENTOS
•VIBRACION DE PALETAS DE GRUPOS TERMICOS
•RELES DE SOBREFRECUENCIA
•DESBALANCE GENERACION Y CARGA
•RELES DE MINIMA FRECUENCIA
(rechazo de carga)
OTROS
(COMBINACION)
• ARMÓNICOS, FLICKER, SAG, SWELL, NOTCHING
• INVERSION DE POTENCIA – ESPECIALMENTE PERJUDICIAL PARA GRUPOS TÉRMICOS
• CORRIENTES DE SECUENCIA NEGATIVA – FALLAS SERIE
• SOBREPRESIONES
• VIBRACIONES
• TENSIONES DE SECUENCIA HOMOPOLAR – CIRCUITOS EN DELTA ABIERTO
• VARIACION DE IMPEDANCIAS APARENTES – OSCILACIONES DE POTENCIA
PERTURBACIONES EN EL SEP
L.Sayas P.
Contenido
1. Origen de las fallas
2. Tipos de fallas, simétricas y asimétricas
3. Teoría de componentes simétricas
4. Calculo manual de Icc
5. Calculo computacional de Icc
6. Aplicación
L.Sayas P.
Las fallas en un SD tienen los siguientes origenes:
• Condiciones climáticas adversas • descargas atmosféricas
• lluvia
• nieve o granizo
• hielo excesivo
• neblina, viento
• calor
• Medio ambiente • contaminación
• corrosión
• choque de materiales arrastrados por el viento.
• incendio
• caída de los árboles sobre las redes
Origen de las fallas
AISLADOR HIBRIDOAISLADOR HIBRIDO
Contaminación industrial compuesta de
partículas producto de las actividades
industriales que arroja sobre los aisladores
L.Sayas P.
• Actos de la naturaleza • inundación
• movimiento telúrico
• terremotos
• Animales • aves
• Roedores
• Terceros • actos de vandalismo
• choque de vehículos sobre postes
• cometas de niños
Origen de las fallas
L.Sayas P.
• Propias de la red – error de operación
– sobrecargas
– instalación/construcción deficiente
– falsa operación de los sistemas de protección
– equipo/ diseño inadecuado
– envejecimiento
– mal funcionamiento
– mantenimiento defectuoso
• Defecto de fabricación
Origen de las fallas
L.Sayas P.
Selección Del Seccionador De Potencia
Los Seccionadores de Potencia deben ser
diseñados para soportar las corrientes
capacitivas del sistema
L.Sayas P.
Resumen Origen de las fallas
TIPO: CAUSADO POR:
Falla en el Errores y defectos de diseño aislamiento inapropiado, contaminación. Origen eléctrico. Sobrecargas atmosféricas, maniobras internas, sobretensiones dinámicas. Origen Térmico. Sobrecorriente, sobretensión. Factores Mecánicos. Esfuerzos por sobrecorriente, impacto de objetos extraños, rotura por hielo..
L.Sayas P.
Clasificación de las fallas
• Por el tiempo de duración • Transitorias
• Permanentes
• Por la forma • Serie
• Shunt
• Por la simetria de las ondas • Simetricas
• Asimetricas
L.Sayas P.
Fallas serie
• Ruptura física de uno o dos conductores de una línea
de transmisión por accidente o una tormenta.
• Debido a corrientes de sobrecarga en una o dos fases,
pueden operar los dispositivos de protección.
• Falla en los polos del interruptor al efectuar una
operación monofásica.
I=0
L.Sayas P.
•Trifasica a tierra
•Trifasica sin contacto a tierra
Falla trifásica diagrama vectorial
a b c
L.Sayas P.
• Para SD – Monofásicas 70 %
– Bifásicas 7%
– Bifásicas –t 20%
– Trifásicas 3%
Total 100%
• Ubicación de las fallas – Redes 85%
– Barras y transformador 15%
Estadística de fallas shunt
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
L.Sayas P.
• Su valor inicial depende en que parte de la onda de tensión ocurre el cortocircuito y su amortiguamiento es tanto más rápido cuanto mayor sea la relación R/L.
Fallas simétricas y asimétricas
La corriente de cortocircuito Icc
L.Sayas P.
• La Icc tiene dos componentes, una alterna (Ia) y otra continua (Ic).
• Icc=Ia+Ic
La corriente de cortocircuito
L.Sayas P.
• Es el caso más frecuente. La componente AC se mantiene y la DC se amortigua.
• Se aprecia los dos casos extremos.
Simétrico Asimétrico
Fallas simétricas y asimétricas
L.Sayas P.
Coeficiente “K”
resinterrupto los de cierre dePoder Ip
.2.
96899,0022,10301,3
IaKIp
eK X
R
L.Sayas P.
Reactancia subtransitoria
Componente unidireccional
Reactancia permanente
Reactancia transitoria
L.Sayas P.
Métodos • Fallas simétricas; Icc 3f
• Fallas asimétricas; Icc1f, Icc2f, fallas serie
• Consideraciones para el calculo Iccmax
• Todo los generadores en servicio
• Impedancia de falla igual a cero
• Debe ser Icc3f y Icc2f
• Máxima demanda
• Se considera impedancias subtransitorias
Calculo de la corriente de
cortocircuito
• Consideraciones para el calculo Iccmin
• Mínimo numero de generadores en servicio
• Se considera impedancia de falla
• Debe ser Icc2f y Icc1f
• Mínima demanda
• Se considera impedancias transitorias
• En general en los SD • Se omiten las corrientes de carga
• La tensión prefalla pueden ser iguales en toda el SD
• Se omiten las resistencias , capacitancias de carga, y los taps no nominales, ya que la influencia no es significante.
L.Sayas P.
Datos 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.
Icc trifásico simétrico
Z(-) ) Z(si solo 3.2
32
Zs.senXs Zs.cosRs Scc
Upf
.33
.3
2
22
fIccfIcc
Zs
XR
UpffIcc
Upf
SccIccs
InUcc
Icct
Ucc
SntScct
.(%)
1
(%)
R1,X1
L1(km)
R2,X2
L2(km)
Scc(MVA)
Upf(kV)
Angulo
Sn
Ucc(%), U1/U2
L.Sayas P.
Parámetros de líneas y cables
CUADRO Nº 1
PARAMETROS ELECTRICOS DE LINEAS AEREAS Y CABLES SUBTERRANEOS DE MEDIA TENSION
CABLE SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)
(16) 1,3258 0,144 5,77E-05
(35) 0,6033 0.177 7,13E-05
NKY (70) 0,3122 0,109 8,71E-05
(120) 0,1758 0,102 1,01E-04
(240) 0,0856 0,096 1,21E-04
(25) 0.9290 0,216 5,32E-05 0,1816
N2XSY (120) 0.1960 0,175 0,2789
(240) 0.1000 0,1587 0,3145
LINEA SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)
(33) 0,8398 0,4526661 3,6786E-06
(67) 0,5912 0,420495 3,97703E-06
Aluminio (70) 0,5834 0,4176 3,97703E-06
(120) 0,3226 0,41262 4,24091E-06
(125) 0,2979 0,3925986 4,24091E-06
(13) 1,6164 0,4876382 3,40097E-06
(16) 1,3488 0,47204 3,4509E-06
(21) 1,0168 0,4701502 3,53436E-06
Cobre (33) 0,6398 0,4526661 3,6786E-06
(35) 0,6156 0,44237 3,7426E-06
(42) 0,5072 0,4439213 3,75526E-06
(67) 0,3189 0,4163712 3,98591E-06
(70) 0,3147 0,43289 3,99095E-06
L.Sayas P.
Aplicación 1
Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f en la derivación 0434T
L.Sayas P.
Tarea 1
Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f y Icc2f en la SE 981.
L.Sayas P.
Sistema
rL + j x
L
2768.1 A
60 kV
A
B
C
60/10 KV
14 MVA (17,5 MVA)
8,16%
KAKV
MVAI
MVAS
S
S
S
u
SSS
BCC
BCC
BCC
BCC
BCC
CC
TACCBCC
2,6103
47,107
47,107
103048,91
108286,510476,31
0816,0
14
1
67,287
11
111
3
33
MÉTODO DE LOS MVA
L.Sayas P.
1,0 0º p.u.
A
B
xS (p.u.)
xT (p.u.)
kAI
AIiI
AKV
MVA
U
SI
upz
ui
jxxz
upjx
jS
Sux
upjjS
Sjx
KVVMVAS
CC
BCCCC
IIB
BB
CC
CC
TCC
T
N
BCCT
CC
B
IBB
2,6
5,57730747,1
5,5773103
100
3
..0747,19305,0
0,1
9305,0
..58286,0
14
1000816,0
:ador transformdel Impedancia
..347,067,287
100
:fuente la de Impedancia
60 100
S
S
MÉTODO EN p.u.
L.Sayas P.
Cálculo de fallas asimétricas
• En algunas aplicaciones es necesario realizar cálculos
de cortocircuitos desequilibrados (bifásico y
monofásico).
• Son las fallas de mayor probabilidad de ocurrencia.
• Para este cálculo se emplea el método de las
Componentes Simétricas.
• Nota .- para el cálculo de cortocircuitos, se suele
despreciar las corrientes de carga del sistema.
L.Sayas P.
• El análisis de un SD balanceado se efectúa utilizando sus equivalentes de monofásicos o unitarios.
• Si el SD es desbalanceado o asimetrico (por fallas) resulta complicado
• En el año 1918, el Doctor Charles F. Fortescue publicó su trabajo "Method of Symmetrical Coordinates Applied to the Solution of Poliphase Network", con lo cual se inicio los estudios de los sistemas eléctricos en situaciones de fallas asimétricas o desbalanceadas, mediante el METODO DE COMPONENTES SIMETRICAS
Teoría de componentes
simétricas
L.Sayas P.
(+) (-) (0)
“Fortescue” Propuso que un sistema trifásico desbalanceado
puede descomponerse en tres sistemas de vectores balanceados llamados componentes secuencia positiva , negativa y cero.
VR VS
VT
VT1
VR1
VS1
VT0
VT2
VR2
VR0 VS2
VS0
Secuencia positiva
RST
Secuencia negativa
RTS
Secuencia
homopolar
Teoría de componentes simétricas
L.Sayas P.
R1
S1T1
120°
120°
120°
El operador a es un
vector de magnitud la unidad y argumento 120°
a =1 120° se cumple lo siguiente: S1 = a2 R1
T1 = a R1
Sistema de secuencia positiva.
L.Sayas P.
R2
T2S2
120°
120°
120°
Asimismo se
cumple:
S2 = a R2
T2 = a2 R2
Sistema de secuencia negativa.
L.Sayas P.
Ro So To
3Ro = 3So = 3To
Los tres vectores homopolares o de secuencia cero, son iguales en magnitud, dirección, y sentido.
Sistema de secuencia cero.
L.Sayas P.
• Un sistema eléctrico asimétrico, puede ser descompuesto en tres sistemas de simétricos diferentes e independientes (positiva, negativa y cero).
21
21
21
2
2
VaaVVoVT
aVVaVoVS
VVVoVR
Valores reales en función de la secuencia
21
21
21
2
2
IaaIIoIT
aIIaIoIS
IIIoIR
L.Sayas P.
• Se demuestra que :
32
31
3
2
2
aITISaIRIr
ITaaISIRIr
ITISIRItoIsoIro
Valores de secuencia en función de la real
)(3
12
)(3
11
)(3
1
2
2
aItIsaIrI
ItaaIsIrI
ItIsIrIo
)(3
12
)(3
11
)(3
1
2
2
aVtVsaVrV
VtaaVsVrV
VtVsVrVo
L.Sayas P.
Comentario
• Las componentes de secuencia positiva, están presentes en cualquier condición (balanceada o desbalanceada, simétricos y asimétricos).
• Las componentes de secuencia negativa, por tener secuencia diferente a las positivas, rompen el equilibrio establecido por el sistema positivo.
• En otras palabras, cualquier desequilibrio introduce componentes de secuencia negativa.
L.Sayas P.
• 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.
Comentario
L.Sayas P.
Redes de secuencia +
• Reemplazar las impedancias de secuencia positiva en el sistema eléctrico en estudio, luego determinar el circuito Thévenin equivalente (Red monofásica activa, con impedancias directas) en el punto de falla.
Z1
E Ua1
Ia1
Red de secuencia positiva ( 1 )
+
-
L.Sayas P.
• Reemplazar las impedancias de secuencia negativa y anular las fuentes de tensión existentes. De igual modo se determina la red de secuencia negativa (Red monofásica pasiva, con impedancias inversas) en el punto de falla.
Z2
Ua2
Ia2
Red de secuencia
negativa ( 2 )
+
-
Redes de secuencia -
L.Sayas P.
• Asimismo se determina la red de secuencia cero (Red monofásica pasiva, con impedancias homopolares, reemplazando las impedancias de secuencia cero) en el punto de falla.
Z0
Ua0
Ia0
Red de secuencia cero ( 0 )
+
-
Redes de secuencia 0
L.Sayas P.
Generadores
ER
IR1
Z1
UR1
+
-
IR2
Z2
UR2
+
-
Red de secuencia
positiva (1) o (+)
Red de secuencia
negativa (2) o (-)
L.Sayas P.
ZN
R
XO
XO
XO
3ZN
XO
3ZN
ZN=X
T + a2 R
a:1
XO
Redes de secuencia cero según su conexión
Generadores
L.Sayas P.
Transformadores
Transformador de 3
devanados
XT
Transformador de 2
devanados
P
T
S
ZP
ZS
ZT
Redes de secuencia positiva y negativa
L.Sayas P.
Transformador de puesta a tierra (zig-zag)
XT
XT
3R
Red de secuencia
positiva y negativa
Red de secuencia
cero
L.Sayas P.
FALLAS TRANSVERSALES
Z2
Ia0
FALLA MONOFASICA
FALLAS BIFASICA
Z1
Z0
Ia1
Ia2
3Zf
Vth Va1
Va2
Va0
Z2 Z1
Ia1
Vth Va1 Va2
Ia2 Zf
ZfZZZ
UthI
3021
0
f
ffZZZ
UthII
21
21
Circuitos de secuencia
L.Sayas P.
FALLAS TRANSVERSALES
Z2
Ia0
FALLA BIFASICA A TIERRA FALLAS TRIFASICA
Z1
Z0
Ia1 Ia2
3Zf
Vth Va1
Va0
Z1
Ia1
Vth Va1 Va2
Z13
Uth 3 kI
Circuitos de secuencia
L.Sayas P.
Conexión entre las redes de secuencia correspondiente a varios tipos de cortocircuitos en una red trifasica
30 30 30 3030b
c
d
a a
b
c
d
a
b
c
d
(0) (0) (0) (0)
(-) (-) (-) (-)
(+) (+) (+) (+)
CONEXION ENTRE LAS REDES DE SECUENCIA CORRESPONDIENTE A VARIOS TIPOS DE
CORTOCIRCUITO EN UNA RED TRIFASICA.
Linea a linea
(f )
2 lineas a
tierra
(f )
Trif asico
(g)
Trif asico a
tierra
(h)
L.Sayas P.
Tensiones homopolares
• Para poder efectuar la detección de las tensiones homopolares simplemente hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico, tal como se muestra a continuación:
L.Sayas P.
Corriente homopolar
• De igual manera, para la detección de la corriente homopolar hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico.
L.Sayas P.
• 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 homopolar
L.Sayas P.
R
IR
IS
IT
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 homopolar
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 homopolar
L.Sayas P.
IR I
SIT
Ir + Is + It
Iex I rele
I rele = ( Ir + Is + It ) - Iex
Para solucionar este inconveniente es preferible sumar las
tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético
Corriente homopolar
L.Sayas P.
- Vector - Aplicación de fallas asimétricas - Calculo automático - Calculo automatico1 -Calculo automático 2 -Calculo de fallas con software
Aplicación
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