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8/10/2019 Guia Protecciones

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PROTECCIONES ELCTRICAS

GUIA DEL ESTUDIANTE

2014

Profesor: Ing. AGUENOU Mawuton Elyse Ulrick A


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UNIDAD I: PROCESOS ELECTROMAGNTICOS TRANSITORIOS EN LOS

SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA

- Importancia de la C.A.

- Los Sistemas Elctricos de Potencia (S.E.P) y sus regmenes de

funcionamiento

- Definicin y tipos de cortocircuitos

- Efectos de los cortocircuitos

Introduccin

Los Sistemas Electroenergticos estn formados por un gran nmero de elementos

que contribuyen al proceso de generacin, transmisin y distribucin de la energaelctrica. Durante este proceso, el sistema electroenergtico puede encontrarse en

diferentes estados o regmenes de operacin y tambin puede estar sometido a

perturbaciones de naturaleza interna o externa que provocan cambios en el propio

rgimen de operacin.

Desarrollo

Se define como rgimen de operacin a cierto estado del sistema elctrico

caracterizado por los valores de potencia activa (P), potencia reactiva (Q), intensidad

de corriente (I), (inyectados en cada nodo o transferidos por las lneas), voltajes en

cada nodo (U) y frecuencia (f), que determinan el proceso de generacin,

transmisin y distribucin de la energa elctrica. Son precisamente P, Q, I, U y f los

parmetros que caracterizan cada rgimen de operacin, siendo los ms utilizados

U y f, pues conociendo el voltaje en cada nodo del sistema la frecuencia y laconfiguracin del sistema, es posible calcular el resto de los parmetros.

Regmenes de Operacin de los Sistemas Elctricos de Potencia

Sobre la base de lo anteriormente expuesto, los regmenes de operacin de los

Sistemas Elctricos de Potencia (SEP) se clasifican en estacionarios y transitorios.

Dentro de los estacionarios puede darse el caso de que algunos de los parmetros

de operacin estn fuera de los lmites permisibles de trabajo, por ejemplo, en el

caso analizado, si en el estado final alguna transferencia por una lnea es mayor que

la permisible o el voltaje en un nodo es inferior al permisible, todo causado por la


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contingencia de la salida de una planta o de una lnea, en ese caso el rgimen

estacionario que resulta se conoce como rgimen estacionario de postavera (RPA).

Si el rgimen transitorio no provoca la prdida de sincronismo del sistema y el mismo

se estabiliza en un nuevo rgimen estacionario, con incumplimiento incluso de los

parmetros de operacin pero que no sean crticos, se dice que el rgimen es

transitorio es normal (RTN). Si por el contrario el rgimen transitorio produce

variaciones inadmisibles del voltaje y la frecuencia que se propagan por el sistema y

se llega a la cada del, de no tomarse medidas rpidas, el rgimen transitorio se

llama de emergencia (RTE).

Un caso rgimen transitorio normal es el que se produce en el sistema cuando hay

una variacin pequea de carga en un nodo, y un rgimen de transitorio deemergencia es el que se produce cuando no se asla rpidamente la lnea en la cual

ocurre un cortocircuito.

Definicin de cortocircuito

Un cortocircuito (cc.) es un cambio abrupto y anormal de la configuracin del sistema

elctrico que hace circular corrientes excesivamente altas y modifica los parmetros

del REN.

Cuando ocurre un cortocircuito trifsico al final de una lnea entonces:

- Hay un cambio abrupto de la configuracin del sistema.

- Se establece en el circuito una corriente de cortocircuito Icc mayor que la

corriente de carga inicial.

- Se modifican los voltajes terminales de la fuente y de la carga. U1y Uc.

-La frecuencia de la fuente aumenta, pues el generador se acelera al perder lapotencia activa debido al cortocircuito.

- Se modifica el flujo de potencia por la lnea.

Tipos de cortocircuitos

De acuerdo al nmero de fases involucradas los cortocircuitos se clasifican en:

- Trifsicos.- Cuando hay contacto entre las tres fases

Caractersticas. El sistema se mantiene balanceado.


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Es el menos frecuente (5% del total).

Se usan en la seleccin de interruptores y clculos de estabilidad

Transitoria as como en el ajuste de protecciones.

- Bifsicos. Cuando hay contacto entre dos fases sin involucrar la tierra.

Caractersticas. Se produce desbalance en el sistema.

Producen las menores corrientes de cc.

Frecuencia de ocurrencia 10% del total.

Se utilizan en el ajuste de protecciones.

- Bifsicos a tierra.- Cuando hay contacto a tierra de dos fases.

Se produce desbalance en el sistema.

Frecuencia de ocurrencia 20% del total.

- Monofsico a tierra. Cuando hay contacto de una fase a tierra.

Se produce desbalance en el sistema.

Frecuencia de ocurrencia 65%.

Se calculan en el ajuste de protecciones y seleccin de

interruptores.

Efectos de los cortocircuitos

Los cortocircuitos tienen efectos perjudiciales que tienen que ver con los

esfuerzos mecnicos y trmicos que producen cuando las altas corrientes

asociadas con ellos circulan por las mquinas elctricas, las altas temperaturas

pueden provocar daos irreversibles en el aislamiento de las mismas, mientras

que las fuerzas de atraccin y repulsin que se generan internamente pueden

sacar de sus posiciones a los devanados de las mquinas, por lo que los

dispositivos de proteccin debe ser calculados para evitar esos daos.

Hay dos formas de limitar los efectos de los cortocircuitos:


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1.- Eliminacin rpida de la falla utilizando protecciones rpidas y selectivas.

2.- Limitar la corriente de cc. utilizando mtodos como la colocacin de una

resistencia o reactancia adicional, aunque siempre hay que eliminar la falla.


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UNIDAD 2: CLCULO DE CORTOCIRCUITOS TRIFSICOS EN LOS SEP

- Mtodo en por unidad (p.u).

- Simplificaciones para el clculo de corrientes de c.c.

- Clculo de c.c. trifsicos y anlisis de los valores

Mtodo en por unidad (p.u).

En el presente tema se estudiar el clculo de cortocircuitos trifsicos, para lo cual

es necesario conocer el mtodo por unidad, as como las cuatro posibles fuentes

que pueden aportar a los cortocircuitos en los SEP, para ello se supondr una

industria con generacin propia que est conectada adems a un Sistema

Electroenergtico y que tiene un gran nmero de motores de induccin y

sincrnicos.

Si en cualquier punto en la lnea de enlace entre el SEP y la industria ocurre un

cortocircuito (cc1), o incluso en el interior de la industria (cc2), de cualquier tipo, al

mismo contribuyen cuatro fuentes de corrientes:

1.-El SEP.

2.-Los motores sincrnicos (MS).

3.- Los motores de induccin (MI).

4.- La generacin propia (GS).

Si se hace un oscilograma de cada uno de los aportes de estas fuentes se obtienen

curvas como las que se muestran en la figura 2.2.

I I

SEN

Gen. propia


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Motores sincrnicos Motores induccin

t t

Figura 2.1. Oscilogramas de corrientes de cortocircuito de diferentes fuentes

De estas grficas se pueden sacar las siguientes conclusiones:

1.- El mayor aporte es el del SEP y es adems el que ms lentamente disminuye

debido a su gran fortaleza y alta constante de tiempo.

2.-.Le sigue en orden de importancia por el valor del aporte la generacin propia, loque se explica por el hecho de tener excitacin, que tiende a mantener el voltaje

terminal en condiciones de cortocircuito y adems tiene un motor primario cuyo

sistema de regulacin tiende a mantener constante la velocidad del generador.

3.-Los motores sincrnicos debido a que tienen excitacin independiente mantienen

durante ms tiempo el voltaje terminal y sus aportes demoran ms tiempo en caer

que los motores sincrnicos que como reciben la corriente de excitacin del sistema

al disminuir el voltaje en condiciones de cortocircuito tienden a disminuir sus aportes

de forma ms rpida.

En el caso de los motores de induccin al ocurrir un cortocircuito el voltaje terminal

cae bruscamente a valores que pueden ser cercanos a cero, dependiendo del lugar

del cortocircuito, pero por el teorema de las concatenaciones de flujo constantes, el

flujo del rotor no puede variar instantneamentey el rotor, por la inercia, demora un

cierto tiempo en detenerse, lo que explica que aporten corrientes al cortocircuito,pero en este caso caen ms rpidamente por lo ya dicho.

Clculo de cortocircuitos trifsicos en Sistemas Elctricos de Potencia

(SEP).

Los SEP. Son circuitos predominantemente inductivos, por lo que para analizar las

corrientes que van a circular por las diferentes partes de stos cuando ocurren

cortocircuitos es conveniente recordar lo qu ocurre cuando una fuente de voltaje es


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aplicada a un circuito que contenga valores constantes de resistencia e inductancia

como se muestra en la fig. 2.3.

. Si se supone que el voltaje de la fuente vara en el tiempo segn la expresin:

Fig. 2.2. Circuito RL elemental

U=Umax sen (wt + ) ), entonces la ecuacin diferencial del circuito al aplicar

Kirchhoff sera:

Umax sen (wt + ) = Ri + Ldt

di

Cuya solucin es:

i= )))sen()((sen( L

Rt

maxewt

Z

U

i i

Umax/Z

t

t

Figura 2.3.


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Dnde: Z=22 )(wLR y )(1

R

wLtan

i

t

Figura 2.4. Corriente total por el circuito de la figura 2.1

El primer trmino de la expresin de corriente representa la solucin en estado

estable y el segundo trmino el transitorio de corriente directa. Si = 2/ ,

entonces las soluciones en estado estable y la componente de directa se muestran

en la figura 2.4a y 2.4b. La solucin general ser la suma de ambas curvas como se

muestra en la figura 2.5. Se observa que en t=0 la suma de ambas expresiones es

cero, pues la intensidad de la corriente no puede variar bruscamente entre t=0 - y

t=0+. Si =0 no existir componente de directa y la solucin ser solamente el

trmino de estado estable.

Cortocircuito trifsico en generador sin carga.

Si un generador trifsico se conecta en t=0 a su barra en condiciones de

cortocircuito trifsico, con condiciones iniciales en la fase a, 0 ,de lo ya visto

es de esperar que la intensidad de corriente en esa fase fuese sinusoidal de

amplitud constante, sin embargo al obtener el oscilograma de esa corriente de

cortocircuito se observa (ver figura 2.6) que la intensidad de la corriente decae


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exponencialmente hasta estabilizarse, siendo la rapidez de cada diferente en los

primeros ciclos despus de ocurrido el cortocircuito, y despus de varios ciclos hasta

su estabilizacin.

Lo anterior quiere decir que el generador presenta diferentes reactancias a partir de

que ocurre el cc. hasta la estabilizacin de sta, lo que hace necesaria la definicin

de tres corrientes de cortocircuito a partir de la figura 2.6.

XdEgao

I /2

, dXEgbo

I

/2

y ''" /2

0XdEg

cI

Donde:

Egvalor efectivo fem. Generada en vaco entre neutro y tierra.

XdReactancia sincrnica.

X d - Reactancia transitoria.

X d - Reactancia subtransitoria.

IValor efectivo intensidad de corriente simtrica en estado estable.

I - Valor efectivo intensidad de corriente simtrica transitoria.

I - Valor efectivo intensidad de corriente simtrica subtransitoria.

Este comportamiento se explica debido a que el flujo de las corrientes de

cortocircuito que circulan por el estator de la mquina inducen altas corrientes en los

enrollados compensadores del generador y las espiras del rotor que se opone a que

el flujo de las corrientes de cortocircuito penetre en el rotor y deben inicialmente

cerrar por un recorrido de poco hierro o sea de baja reactancia, hasta que finalmente

penetran ambos circuitos y se llega al estado estable.

De lo antes visto se concluye que la mquina sincrnica presenta tres tipos de

reactancias, cuyos valores tpicos en por unidad se dan a continuacin.

Reactancia subtransitoria X d = 0.09 pu


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Reactancia transitoria Xd = 0.15 pu.

Reactancia sincrnica X d= 1.2 pu.

Clculo de cortocircuitos trifsicos en SEP.

Este tipo de cortocircuito es el menos frecuente, las causas principales pueden ser:

1.- El olvido de retirar las conexiones de tierra de seguridad cuando se concluye

algn trabajo para el cual se ha solicitado la correspondiente va libre, lo que origina

un cortocircuito trifsico.

2.- En el caso de una red soterrada con cables trifsicos una falla no eliminada a

tiempo puede quemar el aislamiento y propagarse hasta unir las tres fases.

Clculos manuales. Suposiciones.

En el caso de clculos manuales, para simplificar, se pueden hacer las siguientes

suposiciones:

1.- Que el sistema estaba sin carga antes de ocurrir el cc., es decir se desprecian las

corrientes de prefalla.

2.-Antes del cc. el sistema estaba en estado estacionario.

Estas dos suposiciones permiten, si es necesario, sustituir dos o ms

generadores por uno equivalente, pues de ellas se desprende que todas sus fuerzas

electromagnticas (fem) son iguales y estn en fase. Lo anterior es vlido pues las

intensidades de corriente de prefalla normalmente son despreciables comparadas

con las corrientes de cortocircuito.

3.-Se desprecian las resistencias en todos los clculos, lo que conduce a resultados

conservadores, pero tienen la ventaja de que hacen aritmticos los clculos. Esto es

vlido pues para los valores de voltajes de transmisin (superiores a 138 kV) los

valores de reactancias de los elementos del sistema son superiores a las

resistencias


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Ejemplo numrico:

Calcule las condiciones de cortocircuito para las tres barras del sistema de la figura

siguiente:

Datos:

Generador: 13,8 kV, 150 MW, Factor de Potencia=0,91463, X=X2=0,09 pu.,

X0=0,07 pu.

Transformador:200 MVA, 13,8/230 kV, X=11%

Lnea:X1=20 X0 = 60 .

Resto Del Sistema: MVAcc1=MVAcc2= 2000 MVA MVAcc0= 2172 MVA. Todas

calculadas con 230 kV como voltaje nominal.

Figura 2.1. Monolineal del sistema para el ejemplo numrico.

Solucin:

Primer Paso:Expresar las magnitudes del circuito en por unidad.

Este paso se comienza escogiendo la potencia base y un voltaje base. Se

escogern las magnitudes bases del transformador (200 MVA y 13,8 kV en el lado

de bajo voltaje).

Generador:Su capacidad en MVA es 150/0,91463=164 MVA200 por lo que hay

que cambiarle la base de potencia.

(1) (2) (3)

Resto del

Sistema


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X=X2=0,09 .1098,0164

200pu

X0

=0,07 .0854,0

164

200

pu

Transformador:No hay cambios de base pues las suyas fueron las escogidas: Xt=

0,11 pu.

Lnea:El voltaje base en la lnea es 230 kV por lo que la impedancia base en la

lnea es:

5,264200

2302

BZ

.2268,05,264

60.0756,0

5,264

20021 puXypuXX

Resto del Sistema:

Xcc1=Xcc2= ..1,02000

200

1

nominalaligualesbasevoltajeelPuespuMVAcc

Pb

Xcc0= ..125,01512,02172

2003)(3 21

0

IdempuXXMVAcc

Pb

Segundo Paso:Formar las redes de secuencia positiva, negativa y cero con todassus magnitudes en por unidad.


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Figura 2.2.- Red de secuencia positiva del monolineal de la figura 1.

Figura 2.3.- Red de secuencia negativa del monolineal de la figura 1.

Tercer Paso: Reducir las tres redes de secuencia anteriores entre el punto de falla y

la referencia aplicando el teorema de Thevenin para cada uno de los

cortocircuitos pedidos.

Figura 2.4.- Red de secuencia cero del monolineal de la figura 1

Se realizarn los clculos para el cortocircuito en la barra 1 y se dejar al alumno,

como ejercitacin, el clculo para las otras dos barras.

La figura 5 muestra las tres redes de secuencia reducidas aplicando el teorema de

Thevenin entre la barra 1 y la referencia. Para las redes de secuencia positiva y

negativa las impedancias de Thevenin son iguales y se calculan como:

.0793,0)1,00756,011,0(1098,021 pujjsumaladeresultadoelconparaleloenjXX

(1) (2) (3)Eg V3j0,0756j0,1098 j0,1100 j0,1000

neutro

(1) (2) (3)j0,0756j0,1098 j0,1100 j0,1000

Neutro

(1) (2) (3)j0,2268j0,0854 j0,1100 j0,1250

Tierra


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X0=j0,0854 Porque el sistema, a la derecha de la barra 1 est desconectado del

generador a la secuencia cero

Figura.5.- Redes de secuencia positiva, negativa y cero reducidas por Thevenin

entre la barra 1 y la referencia.

Corrientes debidas al cortocircuito trifsico.

Como la red permanece balanceada, slo se necesita la red de secuencia positiva.

En ella:

:.90658,12079,001

1 fasesotraslasParapuj

IccIa o

.150658,12240190658,12 puIb ooo

.30658,12120190658,12 puIc ooo

Se deja al alumno dibujar el diagrama fasorial de las tres corrientes y comprobar que

estn desfasadas 120entre s.

La corriente anterior en amperes es: kAAIcc 914,1051059148,133

10200658,12

3

El nivel de cortocircuito a 13,8 kV es: MVAcc= MVA2532101059148,133 3

J0,0793 J0,0793 J0,0854UTh=1+j0

Ia1 Ia2 Ia0

Ua1 Ua2 Ua0


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Ejemplo Resuelto.

Calcule las condiciones de cortocircuito para las tres barras del sistema de la figura

1.

Datos:

Generador : 13,8 kV, 150 MW, Factor de Potencia=0,91463, X=X2=0,09

pu., X0=0,07 pu.

Transformador :200 MVA, 13,8/230 kV, X=11%

Lnea:X1=20 X0=60 .

Resto Del Sistema: MVAcc1=MVAcc2= 2000 MVA MVAcc0= 2172 MVA. Todascalculadas con 230 kV como voltaje nominal.

Figura 1.- Unifilar del sistema para el ejemplo numrico.

Solucin:

Primer Paso:Expresar las magnitudes del circuito en por unidad.

Este paso se comienza escogiendo la potencia base y un voltaje base. Se

escogern las magnitudes bases del transformador (200 MVA y 13,8 kV en el lado

de bajo voltaje).

Generador:Su capacidad en MVA es 150/0,91463=164 MVA200 por lo que hay

que cambiarle la base de potencia.

X=X2=0,09 .1098,0164

200pu

(1) (2) (3)

Resto del

Sistema


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X0=0,07 .0854,0164

200pu

Transformador:No hay cambios de base pues las suyas fueron las escogidas: Xt=

0,11 pu.

Lnea:El voltaje base en la lnea es 230 kV por lo que la impedancia base en la

lnea es:

5,264200

2302

BZ

.2268,05,264

60.0756,0

5,264

20021

puXypuXX

Resto del Sistema:

Xcc1=Xcc2= ..1,02000

200

1

nominalaligualesbasevoltajeelPuespuMVAcc

Pb

Xcc0= ..076,02,02172

2003)(3 21

0

IdempuXXMVAcc

Pb

Segundo Paso:Formar las redes de secuencia positiva, negativa y cero con todas

sus magnitudes en por unidad.

Tercer Paso: Reducir las tres redes de secuencia anteriores entre el punto de falla y

la referencia aplicando el teorema de Thevenin para cada uno de los

cortocircuitos pedidos.

Se realizarn los clculos para el cortocircuito en la barra 1 y se dejar al alumno,

como ejercitacin, el clculo para las otras dos barras.


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La figura mostrada muestra las tres redes de secuencia reducidas aplicando el

teorema de Thevenin entre la barra 1y la referencia. Para las redes de secuencia

positiva y negativa las impedancias de Thevenin son iguales y se calculan como:

.0793,0)1,00756,011,0(1098,021 pujjsumaladeresultadoelconparaleloenjXX

X0=j0,0854 Porque el sistema, a la derecha de la barra 1 est desconectado del

generador a la secuencia cero

Corrientes debidas al cortocircuito trifsico.

Como la red permanece balanceada, slo se necesita la red de secuencia positiva.

En ella:

(1) (2) (3)j0,0756j0,1098 j0,1100 j0,1000

Neutro

(1) (2) (3)j0,2268j0,0854 j0,1100 j0,076

Tierra

(1) (2) (3)Eg V3j0,0756j0,1098 j0,1100 j0,1000

Neutr

J0,0793 J0,0793 J0,0854UTh=1+j0

Ia1 Ia2 Ia0

Ua1 Ua2 Ua0

(1) (1) (1)


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:.90658,12079,0

011

fasesotraslasParapuj

IccIa o

.150658,12240190658,12 puIb ooo

.30658,12120190658,12 puIc

ooo

Se deja al alumno dibujar el diagrama fasorial de las tres corrientes y comprobar que

estn desfasadas 120entre s.

La corriente anterior en amperes es: kAAIcc 914,1051059148,133

10200658,12

3

El nivel de cortocircuito a 13,8 kV es: MVAcc= MVA2532101059148,133 3

Corrientes debidas al cortocircuito monofsico.

En este caso, como el sistema se desbalancea y la falla comprende tierra, hay que

trabajar con las tres redes de secuencia conectadas en serie a travs de la barra (1).

puj

IaIccIa o90295.12)0854,00793,02(

0133 1

Ntese que en esta barra, la corriente debida al cortocircuito trifsico es mayor que

la debida al monofsico slo en un 2,95%.

Ib=Ic=0 Pues son las fases sanas.

Para la misma corriente base, la corriente en ampere es:

kAAIcc 877,10210287739,8367295,12

El nivel de cortocircuito a 13,8 kV es: MVAcc1= MVA2459101028778,133 3

.0854,00793,00793,02459

200

8,13

8,133

2

0 puX

Corrientes debidas a un cortocircuito entre fases.

Ia=0 Pues es la fase sana.

Ib kAjAjjj

379,919137939.8367921,1039,83670793,02

13


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Ic=-Ib

Despejando, los voltajes Ua, Ub e Uc (voltajes de fase) en el punto fallado se

obtiene:

Ua= -0.26+ 0.63- 0.37 =0

Como era de esperarse pues el cc. es monofsico en la fase a sin impedancia de

falla.

Ub= -0.26 + a20.63a 0.37 = 0.95 .8.245 pu .

Uc= -0.26 + a 0.63a20.37 = 0.95 .2.114 pu

Clculo de los voltajes de lnea en el punto fallado suponiendo que el voltaje base en

esa zona es de 121 kV.

Uab = Ua-Ub = -Ub= -0.95 pu8.245 , Uab = -0.95 (121/ )3 8.245

Uab = -66 .

Ubc=(Ub-Uc)=0.95 ,9073.12.11495.08.245 Ubc=1.73(121/ 90)3 ).

Ubc=121 kV.90 .

Uca=(Uc-Ua)=66 kV2.114 .

Conclusiones: En este tema se ha estudiado el procedimiento general para el

clculo de cortocircuitos asimtricos y aplicados al caso particular del cc.

Monofsico. Este procedimiento consiste en:

1.- Representar el punto de cortocircuito por barras hipotticas.

2.- Plantear las condiciones de voltaje y corriente en el punto en que ocurre el cc.

(Condiciones de frontera) y determinar las componentes simtricas del voltaje y la

corriente.

3.- Sustituir estas condiciones en la ecuacin de las componentes simtricas de los

voltajes y las corrientes y despejar la componente de secuencia (+), Ia 1,en funcin

de los trminos conocidos.


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UNIDAD 3: SELECCIN DE INTERRUPTORES EN VOLTAJES MEDIOS Y BAJOS

Introduccin.-

Se ha estudiado hasta el momento el clculo de cortocircuitos en sistemas de

transmisin de la energa elctrica o sea fundamentalmente en alto voltaje, al

ingeniero electricista no obstante tambin se le presenta durante el ejercicio de su

profesin la necesidad de calcular corrientes de cortocircuito en redes de voltajes

medios y bajos.

Desarrollo

En redes a voltajes medios se calculan los cortocircuitos haciendo las mismas

consideraciones que en las redes de alto voltaje, aunque hay que ser ms

cuidadosos en cuanto a la posibilidad de despreciar la resistencia de los diferentes

elementos del sistema sobre todo en el caso en que se utilicen cables soterrados,

pues en estos casos la X es menor y puede hacerse comparable con la resistencia.

En las redes a bajo voltaje, las corrientes de cortocircuito se calculan de la misma

forma que en alto voltaje, no obstante hay que considerar algunas particularidades.

1.- solo se calculan los cortocircuitos trifsicos y los monofsicos.

2.-Hay que considerar la impedancia de todos los elementos del circuito, es decir,

transformadores, cables, transformadores de corriente, barras, disyuntores, etc,

porque cualquiera de ellos, por pequea que parezca, limita notablemente la

corriente de cortocircuito.

3.- Se acostumbra a agrupar los motores de induccin y los sincrnicos en motores

equivalentes.

4,- En las redes de bajo voltaje, la corriente de cortocircuito es prcticamente

independiente de la carga.

Como se recordar en las redes de voltajes medios y bajos las fuentes que aportan

a los cortocircuitos son las mismas vistas en alto voltaje:

1.-El SEN

2.- La generacin propia.


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3.- Los motores sincrnicos.

4.-Los motores de induccin o asincrnicos

Representacin de los motores para el clculo de cc. a voltajes medios ybajos.

En todas las industrias existen motores grandes, medianos y pequeos.

Motores grandes de 2.4 a 13.2 kV.

El tamao de estos motores hace que jueguen un papel importante en el clculo de

las corrientes de cortocircuito, por lo que deben representarse de forma individual a

partir de los datos de chapa, igual que se ha visto hasta el momento en alto voltaje.

En industrias que tienen muchos motores grandes, como fbricas de papel, acero

etc, puede formarse un motor equivalente, pero partiendo de los datos de chapa

individuales, como se hizo con los generadores en una misma barra de una central

generadora.

Motores medianos y pequeos con V


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El motor equivalente se toma con una capacidad igual a la del transformador o

generador que lo alimenta y con X=25% en la misma base de la fuente.

Ej. Obtenga el motor equivalente que contribuir al cortocircuito en P, barra a 2.4 kV

de la textilera Bellatex.

33/2.4 kV P Motores

X=8%

3x63.5 kVA

100MVA cc X=5.5%

2.4/0.48kV

Solucin.

Los n motores de la barra a 0.48kV se sustituyen por un motor equivalente de

3x63.5= 190.5 kVA con X= 25% en las bases de 190.5 kVA y 0.48 kV

Sistemas de distribucin a 120/208V

En los sistemas de distribucin 120/208V una gran parte de la carga es alumbrado y

por tanto, la carga de motores es menor que en las redes de distribucin industrial

vistas en el primer caso. Si no hay datos ms precisos para la relacin entre la carga

de alumbrado y fuerza se toma la carga de fuerza como la mitad de la capacidad deltransformador.

Comercios grandes.

En los grandes comercios como tiendas por Departamentos, este 50% puede ser

bajo, por lo que en esos casos deben buscarse datos ms exactos de la relacin

cargas motores/carga alumbrado. Para este nivel de voltaje no es necesario separar

los motores de induccin de los sincrnicos, pues los interruptores son de operacin

instantnea y ambos motores se representan por sus reactancias subtransitorias.


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Cortocircuitos en sistemas monofsicos a U


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UNIDAD 4: PROTECCIN DE REDES DE DISTRIBUCIN CON FUSIBLES

- Filosofa de las protecciones

- Valores nominales

- Seleccin de fusibles de distribucin K, T y SF

- Fusibles limitadores

- Proteccin de transformadores

Introduccin.

Los fusibles son los dispositivos de proteccin ms viejos utilizados en los SEP y

an se siguen utilizando fundamentalmente por su:

a.-Confiabilidad en la operacin.

b.-Sencillez.

c.-Bajo costo.

Los fusibles son lminas de materiales especiales, plomo, aleaciones de plomo,

cobre, zinc, plata etc. que permiten que

corrientes elctricas superiores a un valor

dado al circular a travs de la misma, eleve

su temperatura provocando su fundicin y

ruptura, interrumpiendo la circulacin de

corriente. El dispositivo se construye de

manera tal que mientras mayor sea la magnitud de la corriente disminuye el tiempo

en que el elemento se funde, teniendo una caracterstica nica de operacin, que es

repetitiva para las mismas condiciones ambientales. Esta caracterstica es del tipo

muy inversa

El tiempo que demora en fundirse un fusible por tanto depende de:

1) Magnitud de la intensidad de corriente que circula por l.

2) Caractersticas del material de que est construido y sus dimensiones.

3) Condiciones ambientales.


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El comportamiento del fusible est determinado por la

energa que se disipa en l cuando le circula una

corriente de intensidad I durante un tiempo t.

Partes fundamentales de un fusible de distribucin

Botn.- Pieza superior a la que va unido el elemento

fusible, en cuya cara superior se imprime el tipo de

fusible.

Tubo protector.- Protege al fusible de daos mecnicos durante su manipulacin y

sirve de aislamiento trmico con el medio, es la parte exterior que se ve del fusible

cuando est instalado, se conecta al porta fusibles en la parte superior a travs de

un casquillo metlico y por la inferior con un conductor.

Elemento fusible.- Conductor metlico de diferentes formas y longitud que se funde

en un tiempo dado segn la caracterstica dada por el fabricante. Normalmente el

elemento fusible va en el interior de un tubo de fibra que al calentarse en su interior

emite gases que facilitan el proceso de extincin del arco, por lo que hace funciones

de cmara de extincin del arco.

Conductor.- Este elemento es el terminal inferior del fusible, de dimetro variable

dependiendo del valor nominal del fusible y sirve de conexin del elemento fusible

con la parte inferior del porta fusible.

Mecanismo de operacin.- Al ocurrir una falla el elemento fusible se funde,

establecindose el arco entre los dos terminales al partirse el elemento fusible, el

calor generado por el arco y el calentamiento del fusible eleva la temperatura, que

hace que el tubo de fibra que envuelve al elemento fusible emita gases que

aumentan rpidamente la presin en su interior, provocando la salida a presin por

la parte inferior del tubo protector de esos gases y restos metlicos del fusible,

facilitando la salida de ese gas la extincin del arco al producir alargamiento del

arco, enfriamiento y eliminar los iones del espacio entre los terminales de la lmina

fusible lo que aumenta la rigidez del medio y unido al pase por cero de la corrientealterna facilitan el apagado del arco en un tiempo determinado aislando la falla, al


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mismo tiempo al partirse el elemento fusible el conductor que lo une a la parte

inferior del porta fusible sale por la parte inferior del tubo protector y facilita la cada

del fusible indicando operacin del mismo, este proceso va acompaado de una

explosin. De ah el nombre de fusible del tipo expulsin con que se les nombra.

Parmetros a tener en cuenta en la seleccin de los fusibles. (Segn

NEMA).

Corr iente nominal. Valor de corriente que el fusible debe soportar de forma

contina sin fundir.

Voltaje nominal. Valor de voltaje de trabajo del fusible de acuerdo con su

aislamiento.

Capacidad interrupt iva. Mxima corriente simtrica que el fusible puedeinterrumpir al voltaje nominal.

Frecuencia nomin al .

Carac tersti ca de op eraci n.Corresponde con los grficos de los tiempos mnimos

de fusin o mximos de limpieza del fusible contra el valor efectivo de la corriente

simtrica que circula por el fusible. El tiempo mnimo de fusin corresponde con el

tiempo mnimo para el cual el fusible comienza a fundirse. El tiempo mximo de

limpieza corresponde con el tiempo mximo para el cual la limpieza de la corriente

se ha producido; corresponde con el tiempo de fusin ms el tiempo de limpieza del

arco. Todos los fusibles tienen dos caractersticas de operacin: la de los tiempos

mnimos de fusin y la de los tiempos mximos de limpieza. En la figura 4.1 se

muestra una curva de tiempo mnimo de fusin y mximo de limpieza, que son

caractersticas muy inversas.

Tipos de fusibles utilizados en distribucin.- (Voltajes medios).

Dentro de esta clasificacin se incluyen fusibles desde 1 hasta 67 kV. Estos fusibles

se dividen en dos categoras.

- Fusibles de distribucin

- Fusibles de fuerza.

Los primeros tienen como funcin la proteccin de circuitos de distribucin, tanto

lneas como transformadores que alimentan pequeas industrias y viviendas.


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Los segundos se utilizan fundamentalmente en plantas y subestaciones protegiendo

transformadores de fuerza y potencial, bancos de capacitares y se diferencian de los

anteriores en que:

Se fabrican de voltajes superiores

Se fabrican de corrientes nominales superiores.

Se fabrican de capacidades interruptivas superiores.

Normalmente los fusibles de fuerza son del tipo de expulsin utilizando el mismo

principio visto para la extincin del arco, aunque tambin usan polvo de cido brico

en las paredes del tubo que envuelve al

elemento fusible en vez de material orgnico y

en el caso de fusibles limitadores de fuerza

pueden utilizar arena slice con determinada

granulometra o aceite con las mismas

funciones de apagado del arco, en estos

ltimos casos no son del tipo de expulsin.

Los fusibles limitadores tienen como funcin

limitar las altas corrientes de cortocircuito

produciendo la apertura en menos de 1/4 ciclo

minimizando los daos en el equipamiento que protegen, son muy tiles combinados

con fusibles de distribucin primaria con valores de cc hasta 50000 A, previenen

daos en lneas y ayudan a la coordinacin en circuitos con altas corrientes de cc.

Fusibles ms utilizados en distribucin. Seleccin del fusible en distribucin

En distribucin los fusibles ms utilizados son los tipo K, T y SF, los primeros son

fusibles rpidos que se utilizan para proteger alimentadores contra cortocircuitos, los

T son lentos y se utilizan para proteger transformadores contra cortocircuitos,

precisamente su caracterstica se hace lenta para evitar que pueda operar por

corrientes de magnetizacin (inrush) al energizar el transformador o de carga fra y

los SF que son rpidos retardados que se utilizan para proteger transformadores de

distribucin contra sobrecargas y cortocircuitos. En el anexo se muestran grficas de

tiempos mnimo de fusin y limpieza de diferentes fusibles, tipo K, T y SF. En las

Figura 4.3.1 Divisin de los fusibles en base a suscaractersticas de operacin

Iccsim

Tarco

1

23

4

1 Muy rpidos

2 Rpidos


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figuras siguientes se muestran caractersticas de estos fusibles combinadas con

curva de dao de un transformador.

Cules son los aspectos a considerar en la

seleccin de fusibles?

1.- La corriente nominal del fusible debe ser igual o

mayor que la corriente de carga mxima del

alimentador que protege.

2.- El fusible no debe comenzar a fundirse para

ningn transitorio o sobrecarga que ocurra en el ramal

que protege.

3.- Debe asegurar selectividad con otros dispositivos de proteccin aguas abajo.

4.-La caracterstica de tiempo mximo de limpieza del fusible debe estar a laizquierda de la de dao permisible del equipo que protege.

5.-El voltaje debe corresponder al del lugar en que se instala.

6.-La capacidad interruptiva del fusible debe ser mayor que la corriente mxima de

cc del lugar en que se instala.

Seleccin de fusibles T para proteger transformadores.

Supongamos sea necesario seleccionar el fusible para proteger el transformador de

la figura 4.5.2, para ello calculemos su In.

1 Caractersticas de operacin de

fusibles de distribucin tipo K y T

icc

Tmf

Tipo K

Tipo T

1

A

Figura. Caractersticas de fusibles tipo K y de

sobrecarga permisible de un transformador

i

tmf

K=6AK=1 Curva de sobrecarga

permisible transf 1

0.7A In

Figura 4.4.3 Caracterstica de fusible rpido

demorado (SF)

i

tmf

Caracterstica

fusible rpido

demorado

sobrecarga


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In= 6x103/ (34.5 x 3 )= 100 A , se selecciona T80 de corriente nominal

120 A.

El fusible no debe fundirse cuando se produzca la energizacin del transformador lo

que quiere decir que su caracterstica de tmf debe quedar a la derecha de los puntos

que caracterizan este fenmeno que son: 3 In t = 13 s

6 In t= 1.3 s

12In t= 0.1 s

25In t= 0.026s

Figura 4.5.1 Curvas de tml fusibles y dao de conductores

Si se comprueban los tiempos mnimos de fusin de T80 para estos valores de

corriente se obtienen los valores siguientes:

T80 T100

Corriente debe ser > Valor real

300 A 13s 8s 600s

600 A 1.3s 0.7 1.4s

1200 A 0.13s 0.15s

2500 A 0.026s 0.1s

Tabla 4. 5.1 Valores de tmf de fusibles T80 y T100 para inrush.


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Como se observa, el fusible T80 no cumple y es necesario subir el valor a T100.

Otra forma aproximada de seleccionar el fusible es ver que curva nos da para 2In un

tiempo de fusin de 300s, en este caso 2In= 200 A y la curva que resulta de buscar

en las caractersticas de los fusibles T es la de T100.

Por ltimo hay que comprobar que la curva de dao del transformador quede por

encima de la del fusible para cualquier valor de corriente de cortocircuito, o sea

deben de quedar como se indica en la figura 4.5.3. Como se observa para pequeas

sobrecargas el fusible no dar proteccin al transformador. Faltara solamente la

coordinacin del fusible con elementos aguas abajo del transformador que se ver

ms adelante. En ocasiones se utilizan fusibles K para proteger al transformador

contra cortocircuitos en ese caso es necesario sobredimensionar el fusible ylgicamente tambin la proteccin, por ejemplo en el caso anterior si protegemos al

transformador contra cc con fusibles K el proceso sera como sigue:

In= 100 A se selecciona K100, se pasa a comprobar que la caracterstica quede a la

derecha de los puntos de inrush.

Fusibles SF para proteccin de transformadores de

distribucin.

Los fusibles SF son ideales para la proteccin de transformadores de distribucin,pues dan proteccin contra sobrecargas y cortocircuito pues se fabrican para las

mismas capacidades y voltajes de los transformadores tpicos de distribucin, ver

caractersticas en anexo. En este caso no es necesario ningn tipo de comprobacin

de inrush. Si por necesidades de coordinacin aguas abajo el fusible SF

seleccionado no cumple, es necesario sustituirlo por uno T que si lo haga y en ese

caso la proteccin solo ser contra cortocircuito.

En ocasiones es necesario coordinar fusibles K, con T aguas abajo o viceversa

como son los casos K1T2y T1- K1 de la figura 4.5.4. En el caso indicado el fusible


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K1debe dar respaldo al T2hasta C y T1debe respaldar a K1 hasta A. Para coordinar

K1con T2de acuerdo a la figura el peor cc ser el mximo comn o sea el cc en A,

en el segundo caso el peor ser el cc mnimo en A.

Las caractersticas de los fusibles T son ideales para coordinar con recerradores en

caso de que resulten rpidos para estos fines se

pueden utilizar fusibles an ms lentos tipo MS.

.

Fig. 4.6.1 Esquema fusible limitador.


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BIBLIOGRAFA

[1]. D.P. KOTHARI, I.J. NAGRATH: SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA.

Ediciones Mc Graw Hill Interamericana, Mxico, 2008.[2]. Llamo, H. S.: Clculo de cortocircuitos en los Sistemas Electricos de

Potencia. Habana, enero de 2 003.

[3]. Grainger, J., Stevenson. W. D.:Anlisis de Sistemas de Potencia. Junio de

2001.

[4]. URL: http://www.powerworld.com/. Pgina Web de los desarrolladores del

programa de Simulacin PowerWorld. Fecha de consulta: febrero del 2014.

[5]. URL:https://www.celec.gob.ec.Fecha de consulta: febrero del 2014

[6]. Centro de Estudios Electro energticos de la Universidad Central de Las

Villas: Programa computacional Power System Explorer. Versin 2.8, para

estudiantes.

[7]. Vanegas, O. E. Rodrguez, J.A.: Practicas computacionales sobre Flujos de

Cargas y anlisis de cortocircuito en Sistemas Elctricos de Potencia.

Noviembre de 2 001.

[8]. PowerWorld Corporation: Auxiliary File for Simulator 12.0. June 2 006.

[9]. Martnez, A. G.: Notas de clases de la asignatura Procesos Transitorios.

2010.

[10]. De Metz, B. N., Dumas, F., Thomasset, G.: Cuaderno Tcnico n 158 de

Schneider Electric. Septiembre de 2000.
https://www.celec.gob.ec/https://www.celec.gob.ec/

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