SIMULACIN DE FALLAS EN UN

GENERADOR SINCRNICO.

LIZETH VANESA RENDON RAMIREZ

DIEGO FERNANDO CHAVEZ RECALDE.

Dinmica de Mquinas, Facultad de Ingeniera Elctrica, Escuela Politcnica Nacional

Quito, Ecuador

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Resumen:

El anlisis del comportamiento de los Sistemas elctricos de potencia, es de suma importancia para lograr

un correcto control de los posibles eventos que puedan afectar el mismo. En el presente informe se

detallan y analizan los cambios en los parmetros de un generador sincrnico luego de provocarse

diversos tipos de fallas en sus terminales. El anlisis se lo realiza a partir de los resultados arrojados en

dos programas MATLAB y POWER FACTORY (DigSilent).

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Ejercicio: Falla en los terminales de una mquina sincrnica

El propsito de este Ejercicio es examinar la respuesta de un generador sincrnico operando a

valores fijos de velocidad del rotor y de tensin de excitacin ante diferentes clases de fallas

elctricas en los terminales del estator.

1. Falla trifsica.

2. Falla de fase a fase entre las fases b y c

3. Falla monofsica a tierra en la fase a.

POWER FACTORY

Se implement un generador conectado a una barra infinita, seleccionando la red externa como

slack y voltaje de la barra de 18 kV.

Los datos ingresados para el generador son:

DATOS GENERADOR

Srated 920.35 MVA Vrated 18 kV

Nrated 1800 rpm Fp 0.9

Xls 0.215 p.u rs 0.0048 p.u

Xd 1.790 p.u Xq 1.660 p.u

X'd 0.355 p.u X'q 0.570 p.u

X''d 0.275 p.u X''w 0.275 p.u

T'd0 7.9 s T'q0 0.41 s

T''d0 0.032 s T''q0 0.055 s

H 3.77 s Dw 0 p.u

1. Se crean 3 eventos uno para cada falla, trifsica, monofsica y bifsica adems de uno

que me permita despejar la falla a los 25 ciclos.

2. Se corre condiciones iniciales y se corre la simulacin con lo que se obtienen las

grficas.

MATLAB:

A partir de las ecuaciones desarrolladas en clases, y que se encuentran en el libro de Chee-Mun

Ong, se implementa el modelo mediante el paquete grafico simulink de MATLAB, y se realiza

la programacin necesaria en un archivo .m

1. Se modific el archivo original s1 de simulink, aadiendo tres matrices Vm, Vm1 y

Vm2 cada una de estas representa la entrada de voltaje a las fases a, b y c

respectivamente.

2. Se modific el archivo .m agregando las fallas monofsica, bifsica y trifsica.

% prompt for choice of disturbance disp('Escoger el tipo de falla') opt_dist = menu('Your choice of disturbances? ','Falla 1 Fases',

'Falla 2 Fases','Falla 3 Fases')

%Programacin para la falla Fase-Tierra if (opt_dist == 1) % step change in Eex tstop = 1; % run time tmech_time = [0 tstop]; tmech_value = [1 1]*Tmech; % step change in Tmech Ex_time = [0 tstop]; Ex_value = [1 1]*Efo; % Eex kept constant disp('Falla Monofasica') disp('will be applied at 0.1 second into the simulation') ncycle = input('Enter in the number of cycles desired > ') tfault = ncycle/Frated; % fault time tfstart = 0.0958; % set fault to begin at 0.1 sec into simulation Vm_time = [0 tfstart tfstart (tfstart+tfault) (tfstart+tfault) tstop]; Vm_value = [1 1 0 0 1 1]*Vm; % Vm is zero during short circuit %Vm_time = [0 tfstart tfstart (tfstart+tfault) (tfstart+tfault)

tstop]; Vm1_value = [1 1 1 1 1 1]*Vm1; % Vm is zero during short circuit %Vm_time = [0 tfstart tfstart (tfstart+tfault) (tfstart+tfault)

tstop]; Vm2_value = [1 1 1 1 1 1]*Vm2; % Vm is zero during short circuit disp(' Disturbance sequence in Vm is ') Vm_time % print array Vm_value % print array end % if for step change in Eex

%Programacin para la falla Fase-Fase if (opt_dist == 2) % step change in Tmech tstop = 1; % run time tmech_time = [0 tstop]; tmech_value = [1 1]*Tmech; % step change in Tmech Ex_time = [0 tstop]; Ex_value = [1 1]*Efo; % Eex kept constant disp('Falla Bifasica') disp('will be applied at 0.1 second into the simulation') ncycle = input('Enter in the number of cycles desired > ') tfault = ncycle/Frated; % fault time tfstart = 0.1; % set fault to begin at 0.1 sec into simulation Vm_time = [0 tfstart tfstart (tfstart+tfault) (tfstart+tfault) tstop]; Vm_value = [1 1 1 1 1 1]*Vm; % Vm is zero during short circuit %Vm_time = [0 tfstart tfstart (tfstart+tfault) (tfstart+tfault)

tstop]; Vm1_value = [1 1 0.65 0.65 1 1]*Vm1; % Vm is zero during short circuit %Vm_time = [0 tfstart tfstart (tfstart+tfault) (tfstart+tfault)

tstop]; Vm2_value = [1 1 0.65 0.65 1 1]*Vm2; % Vm is zero during short circuit disp(' Disturbance sequence in Vm is ') Vm_time % print array Vm_value % print array end % if for step change in Tmech

%Programacin para la falla 3 Fases if (opt_dist == 3) % step change in Vm tstop = 1; % run time tmech_time = [0 tstop];

tmech_value = [1 1]*Tmech; % step change in Tmech Ex_time = [0 tstop]; Ex_value = [1 1]*Efo; % Eex kept constant disp('Three phase terminal short-circuit fault') disp('will be applied at 0.1 second into the simulation') ncycle = input('Enter in the number of cycles desired > ') tfault = ncycle/Frated; % fault time tfstart = 0.0958; % set fault to begin at 0.1 sec into simulation Vm_time = [0 tfstart tfstart (tfstart+tfault) (tfstart+tfault) tstop]; Vm_value = [1 1 0 0 1 1]*Vm; % Vm is zero during short circuit %Vm_time = [0 tfstart tfstart (tfstart+tfault) (tfstart+tfault)

tstop]; Vm1_value = [1 1 0 0 1 1]*Vm1; % Vm is zero during short circuit %Vm_time = [0 tfstart tfstart (tfstart+tfault) (tfstart+tfault)

tstop]; Vm2_value = [1 1 0 0 1 1]*Vm2; % Vm is zero during short circuit disp(' Disturbance sequence in Vm is ') Vm_time % print array Vm_value % print array end % if for step change in Vm

3. Al correr el archivo .m se despliega una ventana que nos permite elegir el tipo de falla.

4. Dependiendo del tipo de falla que elegimos nos aparece el siguiente mensaje en el cul

nos pide el ciclo en el cul la falla se llega a despejar

Una vez elegido el tipo de falla se corre la simulacin y se obtienen las grficas.

FALLA TRIFSICA

Cuando los transitorios iniciales se han atenuado, aplique un cortocircuito trifsico en el

instante del valor de pico de av

. Registre las respuestas de ', , ,a b c f emi i i i y T . Compare

las formas de onda de las corrientes de falla con aqullas dadas en los textos estndar

sobre mquinas elctricas. Repita la corrida con el cortocircuito aplicado en el instante en

que 0av . Comente sobre las diferencias en las componentes unidireccionales de la

corriente de cortocircuito en los dos casos simulados.

Caso 1: En el pico de va

Corrientes.

Anlisis Corrientes:

Se observa que al ocurrir la falla, aumenta la corriente de la fase a aumenta considerablemente

su amplitud, pero se estabiliza luego que se despeja la falla. La corriente de la fase b aumenta en

el momento de la falla, pero en el transcurso del tiempo disminuye su amplitud hasta que la falla

es despejada y esta regresa a condiciones de estabilidad, por otro lado la corriente de la fase C

cambia de sentido y aumenta su magnitud pero al igual que en la fase b se estabiliza en el

transcurso del tiempo. Las corrientes de fase que resultan en la mquina tienen componentes de

cd que causan una desviacin o asimetra cuando se grafican como funcin del tiempo.

Esta simulacin de falla se la realiz a los 0,1 segundos debido a que en este instante de tiempo

el voltaje de la fase A se encuentre en su punto mximo.

Si el voltaje est en su valor instantneo mximo positivo, tenemos la siguiente ecuacin

diferencial:

Y su solucin es:

En donde el primer trmino vara sinusoidalmente con el tiempo. El segundo trmino es

aperidico y es la componente cd de la corriente, en este caso la componente de cd est en su

punto mximo el cual depende del valor instantneo del voltaje cuando ocurre la falla y del

factor de potencia.

Anlisis.

Tanto el torque como la corriente de excitacin salen de su estado de estabilidad, con valores

constantes por condiciones del ejercicio, a sufrir una perturbacin que ocasiona oscilaciones en

sus valores, en el caso de Matlab se observa que disminuye en amplitud pero cuando la falla es

despejada aumenta de nuevo y esto se debe a los mtodos usados para despejar la falla que

tienen que ver con el cambio de su voltaje de excitacin y de torque. En power Factory donde el

sistema es ms completo de observa que luego de despejarse la falla la variacin es menor y

recobra pronto su estado estable.

Voltajes

Anlisis Voltajes

En este caso, por tratarse de una falla trifsica los 3 voltajes caen a cero y luego de despejada la

falla recuperan sus condiciones nominales de operacin.

Caso 2: Cruce por cero de Va

Se determina que el cruce por cero de la onda va se da en t = 0.0958 s.

Corrientes.

De la misma manera como se analiz en el caso anterior, dependiendo de la magnitud y desfase

en el tiempo entre las ondas de voltaje y de corriente de un sistema en el momento de corto

circuito, la corriente de falla puede presentar caractersticas de asimetra con respecto al eje

normal de la corriente; en general esto ocurre cuando la onda de voltaje normal se encuentra en

un valor distinto a su pico mximo en el momento de ocurrencia de la falla. Para producir la

mxima asimetra el corto circuito siempre debe ocurrir cuando la onda de tensin se encuentre

pasando por cero. En un sistema trifsico balanceado, la mxima corriente asimtrica ocurre

solamente en una de las fases del sistema como podemos ver en nuestro caso sucedi en la fase

b.

Voltajes

Anlisis y comparacin con el caso 1:

Se observa como en este caso la corriente de la fase b cambia de sentido al igual que la fase c.

Para el caso de voltajes, torque y corriente de excitacin presentan el mismo comportamiento.

El cambio que ocurre entre estos dos casos se visualiza en el anlisis de las corrientes de falla.

FALLA BIFSICA

Cuando los transitorios iniciales se han atenuado, aplique un cortocircuito de fase a fase

entre las fases b y c en el instante correspondiente al valor de pico de av

. Registre las

respuestas de ', , ,a b c f emi i i i y T .

Corrientes

Voltajes.

Anlisis:

Para la falla bifsica si bien las corrientes presentan un comportamiento similar a las de la falla

trifsica, pero en el caso de los voltajes por ser una falla fase- fase estos no se hacen cero,

solamente disminuye su amplitud pero una vez despejada la falla estos regresan a la condicin

de estabilidad.

Para este caso de simulacin tenemos fallas asimtricas en la cual consiste en desbalances que

se pueden presentar en los voltajes y corrientes dentro de nuestro caso observamos que ocurre

este desbalance en los voltajes de la fase B y C, en las cuales los voltajes no llegan a cero sino

que a un valor menor al nominal, es por esto que este desbalance puede ser peligroso para el

sistema en estudio.

FALLA MONOFSICA

Cuando los transitorios iniciales se han atenuado, aplique un cortocircuito de fase a trierra

en la fase a en el instante correspondiente al valor de pico de av

. Registre las respuestas

de ', , ,a b c f emi i i i y T .

Corrientes.

Voltajes

Para este caso de simulacin de la misma manera que el anterior tenemos fallas asimtricas en la

cual consiste en desbalances que se pueden presentar en los voltajes y corrientes dentro de este

caso de falla fase-tierra observamos los voltajes se mantienen y que ocurre el desbalance en la

corriente de fase B, en las cuales las corrientes de las fases A y C toman valores sumamente

elevados que pueden ser prejudiciales para el generador.

CONCLUSIONES.

Al realizar el anlisis de fallas usando dos programas distintos, se observa como los

resultados varan; los valores de ciertos parmetros cambien en amplitud y esto se debe a

que Power Factory es un programa concebido para el diseo y anlisis de sistemas

elctricos, que posee en su librera modelos completos de equipos como el generador

basados en diversas ecuaciones donde solo se requiere ingresar ciertos valores. Por otro

lado Matlab es un programa desarrollado para diversas funciones, como simulaciones de

equipos de control y elctricos pero estos modelos deben ser ingresados por el usuario, es

decir en base a su criterio y a aspectos ms bsicos.

En los sistemas elctricos de potencia siempre se debe realizar los anlisis de fallas, para

de esta manera disear los elementos de proteccin y maniobra, que son los encargados de

despejar la falla; y as tener un sistema ms confiable.

En una mquina sincrnica, el flujo a travs del entrehierro no es el mismo en el instante

en el que ocurre el cortocircuito que el de unos pocos ciclos ms tarde. El cambio de flujo

est determinado por la accin combinada del campo, la armadura y los devanados

amortiguadores o partes de acero del rotor cilndrico.

Hay que considerar tambin que en el generador existen componentes en movimiento,

cuya inercia impide cambiar repentinamente de velocidad, por lo tanto el comportamiento

transitorio de la mquina estar relacionado tambin con los fenmenos mecnicos

Como se puede observar en las grficas de las corrientes en cada una de las fallas

simuladas que la asimetra de la corriente de corto circuito surge debido a que la corriente

que fluye tiene dos componentes: el componente de corriente alterna y un componente de

corriente directa, tal como ocurre en los circuitos RL de corriente alterna. Esta

componente d.c. decrece a medida que pasa el tiempo ya que su energa se disipa en forma

de calor por la resistencia del circuito.

Las grficas de torque y de corriente de excitacin en cada falla simulada, presentan los

disturbios en el tiempo que ocurre la falla, una vez despejada la falla el torque y corriente

excitacin tienden a estabilizarse. Las diferencias que existe de un programa a otro

dependen de la forma propia de simulacin de cada uno como se explic en prrafos

anteriores.

Es de suma importancia que para obtener los resultados esperados al momento de la

simulacin en cualquier programa, se debe ingresar los parmetros adecuados del

generador ya que estos son importantes y dan la caracterstica propia de respuesta del

generador frente a cada una de las fallas.

De los tres tipos de fallas analizados, la falla trifsica corresponde a una falla simtrica

mientras las dos restantes, monofsica y bifsica, son del tipo asimtrica.