UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLiN

FACIULTAID DE MIINAS ESCUELA DE INGENIERiA ELECTRICA Y

MECANICA

GUiA DE pRACTICAS FEN6MENOS TRANSITORIOS ELECTROMAGNETICOS

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DEP'TO . DE BIBLlOTECAS RlBUOTECA MI NAS

LEON'ARDO CARDONA C. Profesor asistente

Medellin Juni,Q del 2004

GUIA DE pRACTICAS FENOMENOS TRANSITORIOS

ELECTROMAGNETICOS

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DEPTO. DE BTBLlOT£ CAS RIBUOTECA M[NAS

LEONARDO CARDONA C. Profesar asistente

Trabajo presentado para Promoci6n a la Categoria

de Profesor Asociado

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLiN

FACULTAD DE MINAS ESCUELA DE INGENIERiA ELECTRICA Y

MECANICA Medellin. Junia del 2004

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DE\"TO . DE B1BLI01'ECi\S B \ SU0 1'ECi\ M,H-lJ\S pag

INTRODUCCI6N 17

1. INTRODUCCI6N A LOS FEN6MENOS TRANSITORIOS 18

1.1 INTRODUCCI6N 18

1.2 CLASIFICACI6N DE LOS TRANSITORIOS 19

1.3 OBJETIVOS 20

2. INTRODUCCI6N AL PROGRAMA EMTP/ATP 21

2.1 HISTORIA 21

2.2 ESTUDIOS A REALIZAR CON EL PROGRAMA EMTP/ATP 22

2.3 ESTRUCTURA GENERAL DE UN ARCH/VO PARA LA ENTRADA DE

DATOSALATP 24

2.4 REGLAS GENERALES PARA LA GENERACI6N DEL ARCHIVO DE ENTRADA DE DATOS 25

2.5 ESTRUCTURA GENERAL DEL ARCHIVO DE DATOS PARA UN CASO SIMPLE DE SIMULACI6N TRANSITORIA 0 DE ESTADO ESTACIONARIO DE UNA RED ELECTRICA CON RAMAS SIMPLES RLC 26

3. pRACTICA N01 . CASO SIMPLE DE SIMULACI6N DE UN CIRCUITO RLC SERlE 29

3.1 OBJETIVO 29

3.2 DESCRIPCI6N 29

3.3 PROCEDIMIENTO 31

3.4 ANALISIS DE RESULTADOS PARA EL CIRCUITO RLC 39

3.5 COMPLEMENTACI6N 39

4. pRACTICA N02. ONDAS VIAJERAS 43

4.1 OBJETIVO 43

4.2 MARCO TE6RICO 43

L-{ 3 SB ?J 0

4.3 SIMULACIONES 45

4.3.1 Energizacion de una linea monofasica sin perdidas, en vado, con una fuente impulso de voltaje. 45

4.3.2 Energizacion de linea monofasica sin perdidas, en vado 46

4.3.3 Energizacion de linea monofasica sin perdidas, con carga 49

4.3.4 Energizacion de linea monofasica sin perdidas, con resistencia de preinsercion 49

4.3.5 Obtencion de modelos Lee y Clarke con el subprograma del ATP, LINE CONSTANTS. 50

5. pRACTICA N°3. FEN6MENOS TRANSITORIOS ORIGINADOS POR UNA CORRIENTE DE RAYO 58

5.1 INTRODUCCI6N 58

5.2 MODELAMIENTO DEL RAYO 59

5.3 SISTEMA DE TRANSMISI6N A ESTUDIAR 62

5.4 ASPECTOS DE MODELACI6N DE ESTRUCTURA Y CONDUCTORES 63

5.5 PROCEDIMIENTO Y PREGUNTAS 69

6. pRACTICA N°4. SOBREVOL TAJES TRANSITORIOS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCI6N, DEBIDO A MANIOBRA DE CAPACITORES 73

6.1 ENERGlZACI6N DE UN BANCO DE CAPACITORES 73

6.2 MAGNIFICACI6N DE VOL TAJE POR SUICHEO DE BANCOS DE CONDENSADORES 76

6.3 SISTEMA A ESTUDIAR 78

6.3.1 Equivalente de cortocircuito en la barra de 13.2 kV 79

6.3.2 Cable aislado de 350 KCM para la salida del circuito de 13.2 kV 79

6.3.3 Red aerea de 13.2 kV 79

6.4 SIMULACIONES 80

7. pRACTICA N° 5. SOBREVOL TAJES A BAJA FRECUENCIA DEBIDOS A FALLAS ASIMETRICAS 83

7.1 SISTEMA A ESTUDIAR 83

7.2 DATOS DE LOS ELEMENTOS DE RED 84

7.3 CALCULAR Y SIMULAR 87

8. pRACTICA N°6. CARGAS NO LINEALES - PUENTE RECTIFICADOR DE SEIS PULSOS . 88

8.1 INTRODUCCION 88

8.2 DESCRIPCION DEL SISTEMA A ANALIZAR 89

8.3 OBJETIVOS 90

8.4 PUENTE RECTIFICADOR DE SEIS PULSOS 91

8.5 PUENTE RECTIFICADOR CONTROLADO DE SEIS PULSOS 93

8.6 MODELO ARMONICO 98

8.7 DISTORSION DEBIDA AL PUENTE Y PRESENCIA DE TRANSFORMADOR 102

8.8 DISTORSION CON LA CONEXION DE BANCO CAPACITIVO 103

8.9 NOTAS ADICIONALES 104

8.10 CONTENIDO DEL INFORME 105

BIBLIOGRAFIA 107

ANEXOS 108

5

10

15

20

25

LlSTA DE FIGURAS

pag

Figura 1. Clasificaci6n de los transitorios de acuerdo con la frecuencia 19

Figura 2. Programas de soporte que interactUan con el EMTP/ATP 23

Figura 3. Formato general para el programa EMTP/ATP 28

Figura 4. Circuito RLC serie 30

Figura . Circuito RLC serie en Atpdraw 31

Figura 6. Caja de herramientas de la interfaz Atpdraw 32

Figura 7. Ventanas de datos para rama RLC, suiche y fuente escal6n 32

Figura 8. Ventana de datos para los "settings" 33

Figura 9. Caja de herramientas para datos enteros 33

Figura . Persiana "ATP" para realizar el "Make File" 34

Figura 11 . Corriente en el circuito RLC serie 38

Figura 12. Voltajes y corrientes en el circuito RLC serie 38

Figura 13. Circuito con una cascada de elementos RLC 40

Figura 14. Resultado esperado de la simulaci6n con elementos

semidistribuidos 41

Figura . LInea energizada con un impulso de voltaje 45

Figura 16. Ventana de datos, fuente tipo impulso de voltaje 46

Figura 17. Modelo de Clarke monofasico para onda viajera 46

Figura 18. Ventana con la ayuda para entrada de datos del modelo de Clarke 47

Figura 19. LInea ideal energizada con fuente escal6n de voltaje 47

Figura . LInea ideal energizada con carga 49

Figura 21 . LInea ideal con resistencia de preinserci6n 49

Figura 22. Configuraci6n linea de 500 kV 54

Figura 23. Ventana de datos para el modelo de Clarke trifasico 55

Figura 24. Representaci6n de la nube y canal de descarga 59

Figura . Circuito para simular corriente de rayo 61

Figura 26. Forma esperada de la corriente de rayo 61

Figura 27. Estructura Hpica de 230 kV 62

Figura 28. Trayectoria del rayo y diagrama para modelaci6n con

ATPDRAW-ATP 63

Figura 29 . Modelo de Clarke para tramo de red monofasica 64

Figura 30. Ventana de datos para obtener modelo K.C .LEE para la linea 65

Figura 31 . Modelo tipo "gap" para la cadena de aisladores 65

Figura 32 . Dispositivo 51 de los TACS 67

Figura 33. Descripci6n del dispositiv~ 51 67

Figura 34. Sistema completo para simulaci6n 68

Figura 35. Diagrama unifilar de un circuito de distribuci6n con capacitor para

suicheo 74

Figura 36. Circuito equivalente para energizaci6n del banco capacitiv~ sin carga

en red primaria 74

Figura 37 . Voltaje observado en la barra donde esta ubicado el banco 75

Figura 38. Voltaje observado en un punto del circuito primario entre el banco y

la fuente de potencia 76

Figura 39. Diagrama unifilar circuito de distribuci6n con capacitor para suicheo 77

Figura 40. Circuito equivalente para estudio de magnificaci6n de voltaje 77

Figura 41. Configuraci6n de estructura de 13.2 kV, neutro superior 79

Figura 42. Esquema circuital en Atpdraw para energizaci6n de un banco

capacitiv~ 80

Figura 43. Resultados esperados durante la energizaci6n 81

Figura 44. Esquema circuital en Atpdraw para estudio de magnificaci6n de

voltaje 82

Figura 45 . Diagrama unifilar de un sistema de distribuci6n 83

Figura 46. Configuraci6n de estructura de 13.2 kV, neutro inferior 85

Figura 47 . Configuraci6n red de 44 kV 86

Figura 48. Sistema industrial a analizar 89

Figura 49. Puente rectificador de seis pulsos 91

Figura 50. Suiche tipo 11 0 diodo 91

Figura 51 . Puente rectificador para simulacion 92

Figura 52. Puente rectificador en Atpdraw y variables de interes 93

Figura 53. Puente rectificador controlado 94

Figura 54 . Estrategia de control del puente 94

Figura 56. Generacion de un nuevo elemento con MODELS 99

Figura 57 . Incorporacion del modelo ARMO dentro de la librerfa de MODELS 99

Figura 58. Definicion de datos y nodos del modelo ARMO 100

Figura 59. Utilizacion de modelo ARMO en descomposicion de corriente del

puente 101

Figura 60. Resultado de la descomposicion armonica de la corriente 101

Figura 61 . Distorsion armonica del voltaje antes y despues del transformador 102

Figura 62. Diagrama en Atpdraw incluyendo el transformador potencia 103

Figura 63. Formas de onda del voltaje en baja con banco y sin banco capacitiv~ 104

Figura 64. Sistema base implementado en ATPDRAW 105

LISTA DE TABLAS

pag

Tabla 1. Archivo plano generado por la interfaz Atpdraw 34

Tabla 2. Archivo de resultados 36

Tabla 3. Archivo plano generado por la interfaz Atpdraw 70

Tabla 4. Estrategia de control para el puente en c6digo TACS 95

Tabla 5. Modelo completo del puente controlado en c6digo TACS 96

Tabla 6. Modelo ARMO en lenguaje MODELS 98

LlSTA DE ANEXOS

pag

ANEXO A. Determinaci6n de equivalente de Thevenin trifasico a partir de los

niveles de cortocircuito 108

ANEXO B. Soluci6n de la ecuaci6n de onda viajera 110

LIST A DE T ABLAS

pag

Tabla 1. Archivo plano generado por la interfaz Atpdraw 34

Tabla 2. Archivo de resultados 36

Tabla 3. Archivo plano generado por la interfaz Atpdraw 70

Tabla 4. Estrategia de control para el puente en c6digo TACS 95

Tabla 5. Modelo completo del puente control ado en c6digo TACS 96

Tabla 6. Modelo ARMO en lenguaje MODELS 98

LlSTA DE ANEXOS

pag

ANEXO A. Determinaci6n de equivalente de Thevenin trifasico a partir de los niveles de cortocircuito 108

ANEXO B. Soluci6n de la ecuaci6n de onda viajera 110

LlSTA DE SiMBOLOS

C Capacitancia.

Capacitancia de secuencia positiva de la linea. C1

Co Capacitancia de secuencia cera de la linea.

De Distancia media geometrica entre las cargas de los conductores y sus respectivas imagenes.

DELTAT Delta de tiempo de simulaci6n en el ATP.

Dgg Distancia media geometrica entre los cables de guarda.

Dguardas Distancia entre los cables de guarda.

DMG Distancia media geometrica entre fases.

DMGfg Distancia media geometrica entre los conductores de fase y los cables

de guarda.

DMGfases-imagenes Distancia media geometrica entre los conductores de fase y sus

imagenes.

DMGfases-imagenes guardas Distancia media geometrica entre los conductores de fase y las imagenes de los guardas.

DMGguardas-imagenes guardas Distancia media geometrica entre los cables de guarda y sus imagenes.

d Distancia.

C Permitividad electrica del medio.

Co Permitividad electrica del vacfo .