Transitorios Electromagneticos

DIgSILENT PowerFactory Material de Entrenamiento

Transitorios Electromagnéticos

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Flavio Fernández Published by DIgSILENT GmbH, Germany Copyright 2003. All rights reserved. Unauthorised copying or publishing of this or any part of this document is prohibited.

14 October 2014

Material de Entrenamiento Transitorios Electromagnéticos (EMT)

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Tabla de Contenidos 1

CORRIENTE DE ARRANQUE DE TRANSFORMADORES ..................................................... 5

1.1 DEFINICIÓN DE LA RED ........................................................................................................ 5 1.2 ENERGIZACIÓN DEL TRANSFORMADOR ................................................................................. 6 1.2.1 Simulación en dominio del tiempo (EMT) ............................................................................. 6 1.2.2 Barrido en frecuencia .......................................................................................................... 6 1.2.3 Flujo Residual..................................................................................................................... 7 1.3 ENERGIZACIÓN MEDIANTE CABLE ......................................................................................... 7 1.3.1 Barrido en frecuencia .......................................................................................................... 7 1.3.2 Simulación en dominio del tiempo (EMT) ............................................................................. 8 2 2.1 2.2 2.3 2.4 3

TRANSITORIOS DE MANIOBRAS EN CAPACITORES ....................................................... 9 FILTRO DE ARMÓNICOS ........................................................................................................ 9 ENERGIZACIÓN DEL PRIMER FILTRO ................................................................................... 10 ENERGIZACIÓN DEL SEGUNDO FILTRO (BACK-TO-BACK)...................................................... 10 MAGNIFICACIÓN DE TENSIÓN ............................................................................................. 11 TRANSITORIOS DE ENERGIZACIÓN DE LÍNEAS ........................................................... 13

3.1 ENERGIZACIÓN DE LÍNEA. CASO BASE. ............................................................................... 13 3.1.1 Definición de un tipo de torre ............................................................................................ 13 3.1.2 Transitorio de energización ............................................................................................... 13 3.2 MODELOS CON PARÁMETROS DISTRIBUIDOS ...................................................................... 15 3.2.1 Parámetros distribuidos constantes .................................................................................... 15 3.2.2 Parámetros distribuidos dependientes de la frecuencia ....................................................... 15 3.3 COMPARACIÓN DE LOS MODELOS DE LÍNEA ........................................................................ 16 3.4 INTERRUPTORES ESTADÍSTICOS ......................................................................................... 16 4

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ........................................................................................ 17


1 Corriente de Arranque de Transformadores

Introducción El objetivo de los siguientes ejercicios es introducir las herramientas y métodos de análisis disponibles en DIgSILENT PowerFactory para la simulación de transitorios electromagnéticos (EMT). Las diferentes técnicas de análisis disponibles se irán introduciendo gradualmente a lo largo de los ejercicios de manera de permitirle al usuario familiarizarse con el uso del programa. Las instrucciones son sencillas y claras. Es la intención que usted trate de resolver los ejercicios por sí mismo. Por cualquier inquietud o problema que pudiera surgir durante la tarea, no dude en dirigirse al instructor que supervisa el desarrollo de los ejercicios. Trabaje a su propio ritmo; lo importante es entender la filosofía de trabajo de las herramientas disponibles en PowerFactory para la simulación de transitorios. No se preocupe si no alcanza a desarrollar los ejercicios íntegramente. Junto a la documentación de este curso se entregará una copia de la solución de los ejercicios para que le quede como referencia. ¡Le deseamos mucho éxito en la tarea!



1 Corriente de Arranque de Transformadores 1.1 Definición de la red En este ejercicio se estudiará la energización de un transformador de 60 MVA 132/10.6 kV a través de una línea de transmisión de 132 kV y 60 km de longitud como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Configuración de la red.  Para comenzar, crear un nuevo proyecto en PowerFactory y definir la red mostrada en el diagrama unifilar de la Figura 1.  La red externa representa un equivalente Thevenin del resto del sistema de potencia consistente en varios transformadores, reactores, líneas/cables, etc. Ajustar la fuente externa (external grid) para considerar las condiciones de máxima y mínima potencia de cortocircuito como se indican en la siguiente tabla: Potencia inicial de cortocircuito Sk” R/X ratio X0/X1 ratio R0/X0 ratio

Máximo 4000 0.027 1 0.035

Mínimo 1100 0.01 1 0,035

 La línea de transmisión de 132 kV tiene un largo de 60 km y está transpuesta. Sus valores por unidad de longitud para 50 Hz son:

Rpos  0,15 / km

X pos  0, 40 / km

Cpos  2,83S/km

Rzero  0,31 / km

X zero  1,11 / km

Czero  1,57S/km

 Los datos del transformador de dos arrollamientos son: 

Potencia Nominal: 60 MVA



Grupo de Conexión: YNd5



Tensiones Nominales: 132/10,6 kV



Reactancia de cortocircuito de secuencia positiva: 12,4%



Resistencia de cortocircuito de secuencia positiva: 0,6%



Corriente magnetizante de secuencia positiva: 0.16%



Pérdidas en vacío: 60 kW





Reactancia de cortocircuito de secuencia homopolar: 9,9%



Resistencia de cortocircuito de secuencia homopolar: 0,4%

 Utilizando una característica lineal por tramos, definir la curva de saturación del transformador con los siguientes datos: 

Tensión de codo: 1,21 pu



Reactancia no saturada: observar que PF calcula su valor automáticamente a partir de la corriente magnetizante (corriente magnetizante de secuencia positiva y pérdidas en vacío).



Reactancia saturada: 0,181 pu

 Una vez terminada la definición de la red y antes de comenzar con las simulaciones transitorias, ejecutar primero un flujo de cargas y verificar que no aparezcan mensajes de advertencia y/o error en la ventana de salida.

1.2 Energización del transformador 1.2.1 Simulación en dominio del tiempo (EMT)  Ajustar la red externa (página EMT del elemento) para considerar mínima corriente de cortocircuito.  Simular en dominio del tiempo (EMT) la energización del transformador cerrando para ello el interruptor de potencia de la Figura 1. 

Inicializar la simulación EMT. Ajustar el tiempo inicial a -100 ms y seleccionar un paso de tiempo apropiado.



Definir variables de resultado para al menos las siguientes variables: tensiones, corrientes y flujos en el transformador, tensiones en las barras del sistema.



Definir un evento de cierre del interruptor para t=0.



Ejecutar la simulación transitoria para t=1 s.

 Una vez ejecutada la simulación graficar las tensiones, corrientes y flujo en las 3 fases del transformador.  Determinar cuál es el instante de tiempo más desfavorable para el cierre del interruptor, desde el punto de vista de las corrientes de arranque del transformador. Ajustar el evento de cierre para esta condición y repetir la simulación.  Mediante un diagrama X-Y graficar la característica de saturación del transformador. Ajustar el rango de tiempo para mostrar en la curva un ciclo completo de la curva de saturación.  Editar el tipo del transformador y elegir ahora una característica de saturación polinomial. Ajustar el factor de saturación de la curva ksat =15. Repetir la simulación y observar las diferencias.  Mediante la herramienta “Transformada de Fourier (FFT)” evaluar el contenido armónico de la corriente de arranque del transformador. Cuál de las fases tiene la mayor componente de continua? Explicar.

1.2.2 Barrido en frecuencia  Mediante la herramienta para el barrido de frecuencia generar un diagrama de la impedancia de secuencia positiva y homopolar del sistema vista desde el punto de conexión del transformador (lado de alta tensión). Identificar los puntos de resonancia serie y paralelo.



 Ajustar ahora la red externa para condiciones de máxima potencia de cortocircuito y repetir el cálculo. Qué se comportan los puntos de resonancia paralelo?

1.2.3 Flujo Residual  Reiniciar la simulación EMT y ajustar el tiempo de cierre del interruptor para t = 0,015 s.  Agregar para el instante de cierre del interruptor un flujo residual de 1,296 pu para la fase A (componente d del flujo en el sistema d-q). Esto se realiza mediante la definición de un evento de simulación para la variable “psimd” del transformador.  Correr nuevamente la simulación. Qué se puede concluir?  Analizar la variación del contenido armónico de la corriente en este caso con respecto al caso anterior.

1.3 Energización mediante cable  Reemplazar a continuación la línea de transmisión de 132 kV por una cable de transmisión como se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Energización mediante cable subterráneo.  Crear para ello un nuevo tipo de cable (TypLne) con los siguientes parámetros eléctricos por unidad de longitud:

Rpos  0.04 / km

X pos  0.12 / km

Cpos  74S/km

Rzero  0.10 / km

X zero  0.15 / km

Czero  74S/km

 Los reactores shunt son de 40 Mvar cada uno.

1.3.1 Barrido en frecuencia  Ajustar la red externa para condición de mínima corriente de cortocircuito.  Ejecutar un barrido en frecuencia y graficar las impedancias de secuencia positiva y homopolar como vistas desde el lado de alta del transformador.  Identificar frecuencias de resonancia paralelo. Comparar los resultados con aquellos obtenidos para el caso de la línea de transmisión aérea. Cómo se desplazan las frecuencias de resonancia paralelo?



1.3.2 Simulación en dominio del tiempo (EMT)  Repetir la simulación transitoria para la energización del transformador a través del cable.  Graficar las corrientes de arranque del transformador y las tensiones en las barras del sistema. Verificar la aparición de sobretensiones temporarias durante el proceso de energización.  Mediante la herramienta FFT evaluar el contenido armónico de la corriente de arranque y compararla con los resultados del barrido en frecuencia.  Mediante la herramienta para el barrido de frecuencia generar un diagrama de la impedancia de secuencia positiva y homopolar del sistema vista desde el punto de conexión del transformador (lado de alta tensión). Identificar los puntos de resonancia serie y paralelo.  Ajustar ahora la red externa para condiciones de máxima potencia de cortocircuito y repetir el cálculo. Qué se comportan los puntos de resonancia paralelo?  Repetir el análisis para condiciones de máxima corriente de cortocircuito (red externa).


2 Transitorios de Maniobras en Capacitores

2 Transitorios de Maniobras en Capacitores 2.1 Filtro de armónicos  Importar el archivo “Ex_Capacitor Switching_START.dz”. Este proyecto contiene una red de transmisión de 110 kV que se usará a lo largo de los ejercicios siguientes. Activarlo y calcular un flujo de cargas para verificar la consistencia de todos los datos. Verificar en la ventana de salida por posibles errores o mensajes de advertencia.  Ubicar la barra UW-3 de 110 kV y conectar allí el banco de filtros RLC (11°, 13° y 23° armónica) como se indica en la Figura 3. El banco de filtros RLC con una tensión nominal de 6,3 kV está conectado a la barra de 110 kV mediante un transformador de 60 MVA.

Figura 3: Banco de Filtros de Armónicos  Los parámetros eléctricos de los filtros se muestran en la Figura 3. Se trata de filtros trifásicos conectados en estrella. El factor de calidad a su frecuencia de resonancia es en todos los casos igual a 100. Las potencias según su orden armónico y tipo son: 

Filtro Orden 11°: 10 Mvar, Tipo RLC (Bloqueo Banda)



Filtro Orden 13°: 8,5 Mvar, Tipo RLC (Bloqueo Banda)



Filtro Orden 23°: 4,5 Mvar, Tipo RLCRp (Paso Bajo). Rp = 200 ohms.

 Observar que a partir de estos datos de diseño PF calcula automáticamente los valores resultantes para los componentes R, L y C del filtro y los muestra a la derecha de la hoja de datos básicos.



2.2 Energización del Primer Filtro  A partir de la impedancia de cortocircuito del trasformador estimar la impedancia característica y la frecuencia de oscilación natural del circuito L-C correspondiente a la energización del filtro de orden 11° (primero en la secuencia de energización).  Inicializar una simulación EMT. Definir el paso de la simulación de acuerdo a la frecuencia estimada en el punto anterior. Nota: para verificar rápidamente si el paso de simulación es suficientemente pequeño, reducir el paso de tiempo a la mitad y repetir la simulación. Los resultados deberán ser en ambos casos los mismos. De no ser así, deberá reducirse el paso de la simulación.  Definir variables de resultado para la tensión en el capacitor C del filtro y la corriente.  Definir un evento de simulación para el cierre del interruptor. Evaluar el instante de tiempo que represente la condición más desfavorable desde el punto de vista de la corriente y la sobretensión transitoria de conexión para el capacitor.  Ejecutar la simulación y graficar las curvas de la tensión y la corriente en el filtro. Determinar sobre la gráfica la frecuencia de oscilación natural y compararla con el valor estimado previamente. Opcionalmente se puede determinar la frecuencia de oscilación natural mediante una transformada rápida de Fourier (FFT).  Evaluar la máxima corriente durante el transitorio de conexión del filtro y compararla con la corriente nominal del filtro. Cómo resultan estos valores?

2.3 Energización del Segundo Filtro (Back-To-Back) A continuación se evaluará la conexión del segundo filtro estando el primero ya energizado. A esta configuración se la suele identificar como conexión back-to-back. En este caso la corriente de inrush estará en un primer instante solo limitada por la inductancia del filtro y las inductancias de dispersión de los conductores de conexión, de las barras, etc. resultando en general en corriente de inrush elevadas.  Ajustar las condiciones iniciales de manera que el filtro de 11° orden se encuentre previamente energizado.  Idem al caso anterior, estimar la frecuencia natural de oscilación del circuito equivalente y la máxima corriente transitoria. Definir el paso de la simulación acorde al valor estimado de la frecuencia natural del transitorio.  Simular la energización del segundo filtro. Determinar el instante de cierre del interruptor de manera de considerar el caso más desfavorable.  Graficar los resultados para las corrientes de arranque y las tensiones. Típicamente se observarán dos frecuencias de oscilación mas o menos marcadas: a) un primer transitoria rápido mediante el cual el capacitor del primer filtro (energizado) carga al capacitor del segundo filtro y b) un segundo transitorio en el cual la red carga a ambos capacitores (en paralelo ) hasta la tensión de la barra.  Crear una diagrama FFT para las corrientes de arranque del capacitor y analizar las frecuencias de oscilación natural correspondientes al transitorio de energización.



2.4 Magnificación de tensión

0 .0 0 0 .0 0 3 .5 1

T3

2 0.26 1 .0 1 - 1 50 .0 3

1 32 .1 3 1 .0 0 - 0 .0 1

0 .0 0 - 1 .2 3 3 .5 1

0 .0 0 0 .0 0 1

Branches Active Power [MW] Reactive Power [Mv Loading [%]

Cable 2

Figura 4 Los componentes de la Figura 4 tienen los siguientes parámetros:  Cables 1 y 2    

Un= 20 kV, In= 0.3 kA, 3ph. Positive sequence data: Z’= 0.053+j0.106 Ohm/km, B’= 150 uS/km Zero sequence data: Z0’=0.4+j0.29 Ohm/km, B0’= 150 uS/km Length: 20 km

 Línea aérea    

Un= 145 kV, In= 0.5 kA, 3ph. Positive sequence data: Z’= 0.13+j0.26 Ohm/km, B’= 2.57 uS/km Zero sequence data: Z0’=0.45+j0.75 Ohm/km, B0’= 1.77 uS/km Length: 5 km

 Transformador    

70 MVA, 132/20 kV Vector group Yd5 Positive sequence shc-impedance uk= 25%, Copper losses: 240 kW Zero sequence shc-impedance: uk0= 25%, ukr0=0.3%

 Capacitor shunt (en la barra T2)  

40 MVAr, 132 kV rated Vector group 3PH in Delta

 Fuente de tensión 

La fuente de tensión define la potencia de cortocircuito en la barra T1 (equivalente Norton).


DIgSILENT

0 .0 0 0 .0 0 3 .5 1

0 .0 0 - 1 .2 3 3 .5 1

Cable 1

Trf-1

T2 Load Flow Balanced Nodes Line-Line Voltage, Magnitude [kV] Voltage, Magnitude [p.u.] Voltage, Angle [deg]

- 0 .0 0 2 .4 7 4 .8 7

0 0 .0 3 - 2 .4 0 4 .8 7

- 0 .0 3 2 .4 0 2 .2 9

Line

Qcom p

T1

1 32 .0 9 1 .0 0 - 0 .0 1

0 .0 3 - 2 .6 2 2 .2 9

0 .0 3 - 2 .6 2

~

V

Usource

El sistema de la Figura 4 se usará para analizar un caso de magnificación de la tensión durante la operación de energización de un capacitor. Como la figura muestra, un alimentador de 20 kV, consistente de un transformador reductor y dos cables, es alimentado desde un sistema de 132 kV. La fuente de tensión ubicada una subestación más alejada del punto de interconexión (T2) define la impedancia de salida del sistema de 132 kV y por consiguiente la potencia de cortocircuito en T1. En este ejercicio se inverstigará la energización del capacitor conectado en T2 y el posible riesgo de una amplificación de la sobretensión de maniobra en el alimentador de 20 kV.




Potencia de cortocircuito subtransitoria Skss= 4000 MVA, X/R= 8. Esto resulta en una impedancia de cortcocircuito equivalente para la fuente de R1= 0.54 Ohm, X1=4.32 Ohm

 Crear un nuevo proyecto y definir la red de acuerdo a los datos provistos en el punto anterior.  Mediante un barrido en frecuencia identificar las frecuencias de resonancia dominantes que determinarán el transitorio de energización del capacitor. Para un cálculo aproximado de dichas frecuencias podrá hacerse uso de la relación entre la potencia de cortocircuito del sistema y la potencia reactiva del capacitor como explicara el instructor en la presentación del ejercicio.  Ejecutar una simulación transitoria de la energización del capacitor. Considerar para ello: 

Tiempo de cierre del interruptor para el caso más desfavorable.



Monitorear las tensiones en todas las barras/terminales del sistema

 Calcular las FFTs de las tensiones y comparar los resultados con las frecuencias de resonancias calculadas mediante un barrido en frecuencia.  Cuál es la máxima sobretensión que se alcanza en el transitorio para el caso más desfavorable?


3 Transitorios de Energización de Líneas

3 Transitorios de Energización de Líneas El objetivo de este ejercicio es estudiar las sobretensiones de maniobra que se presentan durante la energización de una línea de 110 kV. Se utilizarán para ello diferentes modelos de líneas de parámetros concentrados y distribuidos.

3.1 Energización de línea. Caso Base. 3.1.1 Definición de un tipo de torre  Importar el proyecto “Transmission System.dz” y activarlo.  Los parámetros de la línea L-3-1 serán redefinidos ahora a partir de los datos geométricos de la torre (TypTow) y los conductores (TypCon). Para ello definir un nuevo tipo de torre (TypTow) para la línea de acuerdo a la geometría mostrada en la Figura 5.  Tanto para los conductores de fase como para el conductor del hilo de guardia seleccionar el tipo “265/35 Aldrey/Steel 115 kV” en la librería local del proyecto. Editar el tipo de conductor (TypCon) y verificar que se encuentre activa la opción de efecto skin.  Una vez completa la definición de la torre, calcular los parámetros de la línea presionado el botón “Calcular” en la ventana de dialogo del tipo de torre(TypTow). PF imprimirá a continuación las matrices de impedancias y admitancias de la línea en la ventana de salida. Identificar allí las impedancias de secuencia positiva y homopolar de la línea (en ohms/km).  Asignar el nuevo tipo de torre (TypTow) a la línea L-3-1 (ElmLne) del sistema de 110 kV.  Antes de continuar, ejecutar un flujo de cargas y comprobar cualquier mensaje de error o advertencia en la ventana de salida.

3.1.2 Transitorio de energización  Definir una simulación EMT de energización de la línea. Para ello, el interruptor de línea lado UW-2 cierra para el instante t=0 (los tres polos de manera simultánea) y el interruptor de línea lado UW3 con un retardo de 3 ms.  Graficar las tensiones de las 3 fases a ambos extremos de la línea. Identificar a partir del análisis de los resultados cual sería el instante más desfavorable para el cierre de los interruptores.  Mediante la herramienta de FFT, calcular el espectro armónico de las sobretensiones generadas durante la energización de la línea. Nota: el espectro de frecuencia obtenido se debería verificar con las oscilaciones observadas en las ondas de tensión.  A los efectos de comparar luego los resultados para diferentes modelos de línea crear una copia del archivo de resultados. Renombrar la copia por ejemplo “RES_ParamsConcetrados”.



Figura 5 : Geometría de Torre.



3.2 Modelos con parámetros distribuidos Por el momento la línea fue representada mediante un modelo de parámetros concentrados. A continuación verificaremos los resultados de la energización utilizando el modelo con parámetros distribuidos.

3.2.1 Parámetros distribuidos constantes  Editar la línea L-3-1 y seleccionar en la hoja de datos básicos “parámetros distribuidos”.  En la hoja de datos para EMT (ElmLne) seleccionar “parámetros constantes”, ingresar la frecuencia para la estimación del tiempo de tránsito y presionar luego el botón “Parámetros de Línea”. PF ajustará a continuación el modelo con parámetros distribuidos constante. En la ventana de diálogo del elemento se mostrarán los valores resultantes de la impedancia característica de la línea y de los tiempos de tránsitos.  Nota: la frecuencia para la estimación del tiempo de tránsito deberá ser consistente con el tipo de transitorio a analizar. Así por ejemplo, para simular sobretensiones temporarias podrá utilizarse la frecuencia nominal 50/60 Hz. Para sobretensiones de maniobra esta frecuencia deberá ser sin embargo de algunos kHz.  Correr nuevamente la simulación y observar los resultados. Calcular nuevamente el espectro de frecuencia de las sobretensiones al final de la línea. Comparar con los resultados del caso anterior.  A los efectos de comparar luego los resultados para diferentes modelos de línea crear una copia del archivo de resultados. Renombrar la copia por ejemplo “RES_ParamsDistConstantes”.

3.2.2 Parámetros distribuidos dependientes de la frecuencia  En la hoja de la simulación EMT de la línea (ElmLne) seleccionar a continuación el modelo de parámetros distribuidos dependientes de la frecuencia. Definir un rango de frecuencias para el ajuste del modelo. Valores típicos que el usuario podrá usar en estos casos son: 

Frecuencia Mínima para el Ajuste:



Frecuencia Máxima para el Ajuste: 1 MHz



Frecuencia para estimación del tiempo de tránsito: 500 Hz



Tolerancia (aproximación de Bode) : 5 %

0,01 Hz

 Presionar el botón “Parámetros de Línea” para que PF actualice los ajustes del modelo de la línea. El programa mostrará a continuación los parámetros de ajustes resultantes (amortiguamiento, tiempo de tránsito, coeficiente de amortiguamiento).  En las páginas subsiguientes (ElmLne\EMT Simulation) observar los resultados del ajuste (aproximación de Bode) para del coeficiente de propagación y la impedancia característica. Para cambiar de página picar en las flechas en el margen derecho de la ventana de diálogo.  Correr nuevamente la simulación y observar los resultados. Calcular nuevamente el espectro de frecuencia de las sobretensiones al final de la línea.  A los efectos de comparar luego los resultados para diferentes modelos de línea crear una copia del archivo de resultados. Renombrar la copia por ejemplo “RES_ParamsDistConstantes”.



3.3 Comparación de los modelos de línea  Utilizando los resultados de las simulaciones anteriores para el modelo con parámetros concentrados y distribuidos, generar un nuevo diagrama para comparar las formas de ondas resultantes en ambos casos.  Observar y sacar conclusiones

3.4 Interruptores estadísticos Interesa a continuación estudiar el comportamiento estadístico de las sobretensiones de maniobra. Para ello se hará uso del escrito DPL “Stochastic Switching” que se encuentra en la librería del proyecto.  Crear un nuevo caso de estudio y denominarlo “Interruptor Estadístico”. Ajustar el modelo de línea para parámetros distribuidos constantes.  Iniciar nuevamente la simulación de energización de la línea, y definir como variables de resultado las tensiones de las tres fases al final de la línea L-3-1 (lado UW-3).  Correr una simulación. Generar las gráficas de estas tres tensiones.  Editar el DPL-Script “Stochastical Switching”. Ajustar el tiempo de cierre del interruptor (parámetro Tmax) a 0,0033 s y el tiempo de dispersión para el cierre de los polos del interruptor (Tscattermax) a 0,0005 s. Interesa conocer además la sobretensión con una probabilidad del 50% (variable MaxProb= 50). El instructor explicará las opciones adicionales del escrito y las instrucciones de uso. El usuario también podrá referirse a la hoja de “Descripción” del escrito DPL.  Ejecutar el DPL. Cual es la máxima sobretensión a esperar con una probabilidad del 50%?  Identifcar el caso correspondiente a la máxima sobretensión transitoria durante la energización. Repetir la simulación para este caso ajustando adecuadamente el tiempo de cierre del interruptor y la dispersión de los polos del interruptor.


1

Descargas Atmosféricas

1.


En este ejercicio simularemos descargas atmosféricas sobre los conductores de fase y de guardia de una linea de transmisión. Este tipo de análisis permite evaluar el comportamiento de la línea frente a sobretensiones de origen externo. Más aún, se investigará la protección frente a dichas sobretensiones mediante la instalación de descargadores de óxido de zinc. Los resultados de este análisis servirán por lo tanto para el estudio de coordinación del aislamiento de la línea y de las subestaciones terminales. El modelado de los componentes de red en este ejercicio sigue las recomendaciones generales en el estándar IEC [1].

1.1.

Descarga directa Importar el proyecto LIGHTNING_Base Case.pdf, activarlo y localizar la línea L-3-1 en el diagrama unifilar.

La descarga atmosférica impacta sobre el conductor de fase de la línea L-3-1 a tres torres de la subestación SS-B. Para el propósito de esta primera simulación, consideraremos que los aisladores de línea no descargan. El modelo deberá representar detalladamente al menos los vanos de línea entre la torre impactada y la subestación. Mas aún, se modelará el conductor de guardia explícitamente (y por lo tanto sin reducir) ya que se desea monitorear las tensiones inducidas a través de los aisladores de línea, entre los conductores de fase y de guardia. 1.1.1.

Modelo de línea detallado

Agregar un conductor de neutro paralelo a la línea L-3-1 que represente el conductor de guardia tal como se muestra en la figura 1.1. Recordar ajustar la technología de la fase a N (para conductor de neutro). Partir los conductores de fase y de guardia en 5 secciones como se indica en la 1.1. Las secciones 1 a 4 representan los cuatro últimos vanos de la línea antes de entrar en la subestación SS-B. La longitud promedio del vano es 250m. La quinta sección representa el resto de la línea hasta la subestación SS-A con un largo de 30km. Los conductores de fase y de guardia de la misma sección están magnéticamente acoplados. Usar el tipo de torre Tower 1 Circuit + detailed Earth Wire en la librería del proyecto para crear el acomplamiento de línea ElmTow. Inspeccionar la definición de la torre. Observar que el conductor de guardia ha sido definido como un circuito monofásico. De esta manera, el conductor de guardia no será reducido durante la simulación. Imprimir en la ventana de salida las matrices de impedancias y admitancias equivalentes del elemento de acoplamiento (Calculate en la ventana de diálogo de TypTow). La impedancia de la torre y su puesta a tierra es modelada mediante un reactor shunt R-L entre el conductor de guardia y tierra como se muestra en la figura 1.1. En la ventana de diálogo de datos básicos, ajustar los parámetros del reactor a R = 10Ω y L = 10µH. Observar que el reactor deberá ser monofásico (tecnología de fase 1PH-E), conectado entre el neutro del conductor de guardia y tierra.

Transitorios Electromagnéticos (Ejercicios)

3

1


1.1.2.

Fuente de corriente de impulso

La descarga atmosférica es representada mediante una fuente de corriente de impulso Conectar la fuente impulsiva de corriente tra en la 1.1.

.

al conductor de fase (fase A) como se mues-

Editar la fuente de corriente impulsiva a ajustar sus parámetros de acuerdo a lo siguiente: Forma de onda: Heidler Corriente de pico: 2,5 kA Factor de corrección: 0,55 Tiempo de frente: 8 µs Tiempo de cola: 20 µs Factor de forma: 10 Conductancia: 0,01 µS

Figura 1.1: Simulación del impacto directo sobre conductor de fase

1.1.3.

Simulación

Iniciar la simulación en dominio del tiempo con las siguientes opciones: • Método de simulación: Valores instantáneos (Transitorios electromagnéticos) • Ajustar el paso de la simulación a 0.01µs. Observar que el paso de simulación debe ser coherente con las constantes de tiempo involucradas en la simulación. Para el caso de transitorios de origen atmosférico esta es del orden de µs. Definir variables de resultado para al menos las siguientes variables: • Corriente de descarga (o sea de la fuente de impulso) • Corriente en la fase de los conductores a ambos extremos de la línea y la posición de impacto • Tensión en los conductores a ambos extremos de la línea y la posición de impacto Ejecutar la simulación para 300µs Graficar las variables de resultado previamente seleccionadas. Determinar la tensión fase-tierra y fase-fase máxima en el punto de impacto y en ambos extremos de la línea. Transitorios Electromagnéticos (Ejercicios)

4

1


• La tensión resistida al impulso de la cadena de aisladores es 650kV . De acuerdo a los resultados de la simulación: se verifica la hipótesis inicial de que los aisladores no descargan como consecuencia del impacto? • Determinar cual es la máxima corriente de impacto directo que el aislamiento de la línea es capaz de soportar?

1.2.

Descargadores de óxido metálico

Para reducir el nivel de aislamiento (BIL) de los equipos eléctricos conectados en la subestación, se suelen instalar descargadores metálicos (de óxido de zinc) en la entrada de la línea a la subestación. Estos dispositivos limitan las sobretensiones transitorias derivando corriente a tierra. Su característica de protección está definida por la curva tensión-corriente altamente no lineal. Agregar descargadores en ambos extremos de la línea. Observar que para acceder al terminal entre la línea y el seccionador de línea en la subestación será necesario editar el diagrama de la subestación. Las características del descargador se indican en la tabla 1.1. Repetir la simulación transitoria del punto anterior para evaluar la influencia de los descargadores. Agregar variables de resultado para la corriente y la energía absorbida por el descargador. Comparar los resultados con el caso anterior. • Cuál es la máxima tensión impulsiva en ambos extremos de la línea? • Cuál es la energía absorbida por descargador? Comparar este valor con la capacidad energética del descargador.

Protection characteristic, 8/20µs Highest voltage for equipment: 123kV Rated voltage Ur : 96kVrms Maximum continuous operation voltage Uc : 76kVrms Line discharge class 2 Nominal discharge current In : 10kA peak I discharge (kA) Residual voltage (kV peak) 5 237 10 254 20 285 Cuadro 1.1: Característica de protección del descargador de acuerdo al estándar IEC [2]

1.2.1.

Descarga inversa (backflashover)

Para un diseño adecuado de la línea, las descargas atmosféricas han de impactar en sus conductores de guardia, que derivarán la corriente de descarga a tierra a través de las torres. Como consecuencia, la corriente de descarga inducirá una sobretensión en los conductores de guardia dependiendo de la impedancia característica de los conductores de guardia, de las torres y de sus puestas a tierra. Objetivo del diseño es que corriente de descarga no circula por


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los conductores de fase; se puede decir que los conductores de fase no ven la falla sino sola una tensión inducida según el acoplamiento magnético con los conductores de guardia. No obstante, si los aisladores no soportaran la sobretensión resultante entre los conductores de fase y la torre, se producirá una descarga inversa. En este caso, parte de la corriente de descarga circulará por los conductores de fase y de estos a tierra. Las protecciones de la línea verán una falla a tierra (en las fases involucradas) y desconectarán la línea. La descarga inversa se puede modelar mediante una llave controlada por tensión. Picar

en la caja de herramientas para acceder a la selección de plantillas generales.

Seleccionar Insulator Flashover Model y conectar la llave entre el terminar del conductor de guardia y de fase como se muestra en la figura 1.2. Editar la llave y notar que se trata de una llave monofásica. Verificar que la llave esté conectada a la fase A el terminal. La llave está controlado por un modelo DSL, que ha sido creado automáticamente por la Flashover. Editar el plantilla. Buscar el modelo compuesto en la red (grid), por defecto Flashover Threshold ubicado dentro del modelo compuesto y ajustar el elemento DSL umbral de tensión de descarga en 650kV . Ajustar la amplitud de la fuente impulsiva de corriente para simular una descarga de 100kA. Definir variables de resultado para la llave controlada por tensión y ejecutar la simulación para 300µs Graficar la tensión a través de la cadena de aisladores (llave controlada por tensión) y verificar si se produce una descarga inversa. • Determinar las corrientes máximas en los conductores de fase y las sobretensiones resultantes en ambos extremos de la línea • Verificar la energía absorbida por los descargadores Determinar cual es la máxima corriente de la descarga para la cual no se produce una descarga inversa.

Figura 1.2: Simulation of direct lightning at tower tip followed by a backflashover


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Referencias

Índice de figuras 1.1 Simulación del impacto directo sobre conductor de fase . . . . . . . . . . . . . .

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1.2 Simulation of direct lightning at tower tip followed by a backflashover . . . . . . .

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Referencias [1] IEC 60071-4 Insulation Co-ordination - Part 4: Computational guide to insulation coordination and modelling of electrical networks, 2004. [2] IEC 60099-4 surge arresters - part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems.


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Transitorios Electromagneticos

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