APLICACIÓN DE LOS ESTUDIOS DE

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1 APLICACIÓN DE LOS ESTUDIOS DE
TRANSITORIOS ELECTROMAGNÉTICOS A LA ESPECIFICACIÓN DE EQUIPOS

2 TENSIÓN TRANSITORIA DE RESTABLECIMIENTO
DE DISYUNTORES

3 EL DISYUNTOR IDEAL -Abre en el cero de corriente (continuidad de corriente en la inductancia de fuente). -La resistencia entre sus contactos pasa de valor cero a infinito en forma instantánea durante la apertura. -Soporta inmediatamente la tensión de recuperación entre sus bornes

4 El DISYUNTOR REAL:EL ARCO ELÉCTRICO
-Entre el instante de separación de contactos y el cero de corriente se produce un arco eléctrico. -La resistencia entre contactos evoluciona gradualmente de cero a infinito al variar la resistencia del arco. -La extinción del arco se produce en un cero “natural” de la corriente, que puede ser el primero siguiente a la separación de contactos u otro posterior. -La rigidez dieléctrica entre contactos aumenta gradualmente en función de las características del dieléctrico, técnicas de soplado de arco y velocidad de separación de contactos. Etapas del proceso de interrupción en los disyuntores reales: a) Período de arco (arcing) b) Período de extinción c) Período de recuperación

5 a Evolución de la resistencia de arco
b Evolución de la corriente y tensión Caso r: apertura exitosa Caso e: reencendido (avalancha térmica)

6 Perìodo de arco -La separación de los contactos, provoca la ruptura dieléctrica del medio ínter contactos, generándose el arco eléctrico. -El arco se automantiene por la energía que él mismo disipa por efecto Joule. -Aparece la “tensión de arco” entre los contactos (decenas a cientos de volts en MT, algunos kV en AT y EAT). Su valor depende de la intensidad de la corriente y de los intercambios térmicos con el entorno-

7 Período de extinción -Cerca del cero de corriente, la resistencia de arco aumenta en función de la constante de tiempo de desionización del medio ínter contactos. -Se mantiene inicialmente una pequeña corriente post-arco (la resistencia de arco aun no es infinita),que crece con la derivada di/dt de la corriente cortada. -La tensión entre contactos del disyuntor comienza a evolucionar hacia la tensión de la red por medio de un transitorio que es función de los parámetros de la red (tensión transitoria de restablecimiento TTR) -Si la energía disipada por efecto Joule en este período (que es función de la tasa de crecimiento de la TTR) sobrepasa la potencia de enfriamiento impuesta por el disyuntor, el medio no se sigue enfriando . Se produce una avalancha térmica seguida de una ruptura dieléctrica: es una ruptura térmica

8 Período de recuperación
-Para que la interrupción tenga éxito, es necesario que la velocidad de regeneración dieléctrica sea más rápida que la TTR , de otro modo aparecerá una ruptura dieléctrica. -Las rupturas dieléctricas post corte se clasifican en: reencendidos (“reignition”)si tienen lugar en el cuarto período que sigue al cero de corriente. recebados (“restrike”) si se producen después.

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10 LA INTERACCIÓN DEL DISYUNTOR CON LA RED
1)Corte de cargas “normales” (carga principalmente activa) -Cero de corriente cercano al cero de tensión : el transitorio de recuperación es “suave” (TTR limitadas)

11 2)Corte de pequeñas corrientes inductivas
(reactores, motores y transformadores en vacío) -Valores de corriente de hasta centenas de A. -La capacidad C2 suele ser muy pequeña → la frecuencia natural del circuito lado carga es muy alta.

12 -Por ser la corriente pequeña es probable que el disyuntor imponga
un “corte” de corriente antes de cero natural, y con tiempos de arco cortos (corriente “arrancada” o de “chopping”).

13 El corte brusco de corriente (con alta di/dt) provoca sobretensiones del lado
carga (la llamada “tensión de supresión”) -La tensión alta así “almacenada” en las capacidades del lado de la carga oscila a frecuencias altas (decenas de kHz ),por lo que hay riesgo de reencendido, dado que los contactos no tienen tiempo de separarse.

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15 -Si se produce el reencendido, la tensión oscila a frecuencias muy altas
y con pendientes de crecimiento muy altas (decenas o centenas de kV/µs), poniendo en riesgo el aislamiento de la carga. -Si el disyuntor tiene capacidad de extinguir estas corrientes de alta frecuencia (disyuntores de vacío) el fenómeno se puede repetir varias veces, pero comenzando de tensiones cada vez más altas (“escalada” de tensión) hasta que los contactos se hayan separado lo suficiente.

16 3)Corte de corrientes capacitivas
(capacitores, cables, líneas en vacío) -La TTR crece lentamente, debido a la presencia del capacitor del lado carga

17 -Medio ciclo después del corte, la tensión en bornes de disyuntor
es el doble de la tensión de red, con riesgo de recebado por ruptura dieléctrica. El riesgo de recebado depende muy fuertemente de la velocidad de separación de contactos y de recuperación de la rigidez dieléctrica.

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19 4)Corte de corrientes de cortocircuito
En este caso, los circuitos a cortar son típicamente inductivos, con corrientes de falla de decenas de kA. La magnitud de la componente de continua (asimétrica) y su velocidad de decrecimiento influyen en la capacidad del disyuntor de cortar corrientes de cortocircuito, debido a que definen la magnitud de la corriente a cortar al momento de separarse los contactos-

20 Factor de primer polo Cuando un disyuntor trifásico interrumpe una falta trifásica, el primer polo que abre queda sometido a una tensión a frecuencia industrial entre contactos superior a la tensión normal de red, durante el período de tiempo que transcurre entre la extinción de corriente en ese primer polo y la extinción de corriente entre los otros 2 polos. El factor de aumento es el llamado factor de primer polo. Ejemplo: -Expresión general: kp = 3Z0 / (2Z0 + Z1 ) -Factores de primer polo normalizados: 1,3 (redes con neutro a tierra) y 1,5.

21 TTR para faltas trifásicas
TTR (t) ≈ Vm (1-cos(υt)) Vm =Valor de pico de la tensión lado fuente=U.kp U= Valor de pico de la tensión de fuente antes de la falta υ =1/(LC)1/2 =frecuencia natural del circuito

22 -Dado que υ >> frecuencia industrial de la red, el pico de TTR se
dará muy rápidamente luego de la extinción, y valdrá aproximadamente el doble de la tensión lado fuente. En la práctica: los amortiguamientos llevan este factor 2 a factores del orden de 1,4.

23 TTR límites para apertura de cortocircuitos
-Las Normas IEC especifican las TTR límites en base a curvas simplificadas: 2 rectas (MT) o 3 rectas (AT,EAT) ,parametrizadas en la corriente a cortar. -Si la simulación muestra que se viola la curva límite, es de esperar un reencendido térmico (violación de pendiente) o dieléctrico (violación de pico)

24 Aceptable: No aceptable:

25 Casos a analizar con cuidado:
-La apertura de faltas terminales por parte de un disyuntor de MT a la salida de un transformador “grande” (corriente de cortocircuito grande en relación a la nominal del disyuntor) y sin capacidades importantes entre el disyuntor y el transformador (conexiones aéreas, sin cables subterráneos). -La apertura de faltas terminales en un disyuntor conectado a un reactor serie del lado fuente. -La apertura de faltas terminales en un disyuntor con bancos de capacitores -Faltas cercanas a generadores

26 Modelado en las simulaciones (apertura de cortocircuitos)
-Modelos típicos de estudio de sobretensiones de maniobra -Dentro de la estación se modelan las capacidades e inductancias relevantes -Máquinas como fuentes de tensión -Modelo del sistema: 2 barras hacia atrás -Cortocircuitos: barrido del ciclo de tensión a efectos de detectar el peor caso (tensión de prefalta, componente contínua) -El disyuntor se modela como una llave ideal, sólo en casos muy especiales es necesario modelar el arco

27 CAPACIDAD DE ENERGÍA DE DESCARGADORES

28 INTRODUCCIÓN -Los descargadores ZnO (sin “gaps”) son resistencias no lineales que están siempre conduciendo. Por lo tanto: deben ser especificados para poder disipar la energía que se les inyecta, tanto en régimen como durante perturbaciones. -La energía inyectada en régimen se controla especificando correctamente la tensión de operación contínua (COV). -La energía inyectada en TOV y sobretensiones de maniobra se controla especificando correctamente la tensión nominal del descargador y su clase de descarga. -La energía inyectada durante sobretensiones de rayo no es normalmente un criterio de diseño, debido a su muy corta duración. -Maniobras relevantes a analizar: las que generan una TOV en el período subsecuente (rechazo de carga, energización de transformadores, etc.)

29 VALORES NOMINALES DE TENSIÓN
-Tensión de operación contínua (COV): al menos 5 % por encima de la máxima tensión de operación en régimen. -Tensión nominal ≈1,25 x COV. La tensión nominal elegida condiciona la capacidad de disipar energía durante TOV.

30 CLASE DE DESCARGA Y CURVAS TOV-t
-Clase de descarga; número de 1 a 5 que define la capacidad de disipar energía durante sobretensiones de maniobra. Valores habituales: 2 ó 3 en MT, 3 en AT, 4 ó 5 en EAT -Curvas TOV-t: definen la capacidad de disipar energía durante TOV, con o sin energía inyectada durante una maniobra previa. Es función de la tensión nominal y de la clase de descarga.

31 (Valores de TOV en p.u de la tensión nominal)
Se suele preseleccionar una de las clases de descarga habituales y la tensión nominal adecuada para que (de acuerdo con la curva TOV-t con energía previa) se soporte la TOV de un cortocircuito f-t.

32 VALORES DE ENERGÍA GARANTIZADOS POR LOS FABRICANTES
-Single impulse energy: energía máxima que se puede disipar si se aplica una pulso de corriente de maniobra (duración 2 a 4 ms). Identifica la soportabilidad mecánica del bloque de ZnO al ser sometido a un impulso de energía. -Rated thermal energy: energía máxima que se puede disipar en un ensayo normalizado, en que se aplican 2 pulsos de corriente de maniobra (duración 2 a 3,2 ms) separados 1 minuto, seguidos de una TOV normalizada. Cada uno de esos pulsos de corriente no debería inyectar energía superior a la single impulse. Identifica la soportabilidad (estabilidad) térmica del bloque de ZnO al ser calentado por impulsos de maniobra seguidos de TOV. Normalmente es el parámetro que caracteriza las curvas TOV-t.

33 -Por lo tanto: a) El descargador no debería recibir una energía superior a la single impulse durante una sobretensión de maniobra. b) El descargador debería respetar la curva TOV-t asociada a la energía inyectada durante la maniobra durante el período de TOV post-maniobra

34 CARACTERÍSTICAS DE LA SIMULACIÓN
-Tipo de perturbación a estudiar: sobretensión de maniobra (STM) seguida de TOV. -Modelado del descargador: Curvas V-I. (Preferentemente de frente 1 ms o más, las asociadas a STM son algo optimistas) -Valores a obtener en la simulación: -Curva de tensión en función del tiempo, hasta el fin de la TOV -Curva de energía en función del tiempo, hasta que se vuelve constante. -Curvas de corriente en función del tiempo: sólo para una evaluación muy precisa (Ver apuntes).

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37 CRITERIOS DE EVALUACIÓN
1)La energía total inyectada debe ser menor a la single impulse, con un margen de seguridad (20 % p.ej) 2)Identificar el período T1 de STM y el período subsecuente de TOV T2. T1 se identifica observando el instante en que la energía se vuelve aproximadamente constante. T2 se identifica por inspección de la curva de tensión. 3)Identificar un valor de TOV= TOV2 representativo del período de TOV, por inspección de la curva de tensión en el período T2. (En forma conservadora: tomar el valor de pico de TOV durante T2 ) 4)Buscar el punto TOVm asociado a T2 en la curva de soportabilidad TOV-t asociada a la energía inyectada hasta T1 (interpolando de ser necesario).Se debe cumplir: TOV2 <= TOVm

38 MANIOBRA DE BANCOS DE CONDENSADORES

39 ESQUEMA TÍPICO: -División en “pasos” para evitar saltos de tensión excesivos -Disyuntores especiales -Reactores de choque para limitar las corrientes de energización

40 ESTUDIOS DE TRANSITORIOS ELECTROMAGNÉTICOS
ASOCIADOS A LA MANIOBRA DE BANCOS DE CONDENSADORES: -Energización del primer paso. -Energización “back to back” -Cortocircuitos cercanos -Apertura del paso

41 MODELO DEL SISTEMA Modelos típicos de estudios de sobretensiones de maniobra: -Sistema externo: 2 barras atrás del banco de condensadores -Disyuntor: llave ideal -Elementos del banco: parámetros concentrados -Se incluye eventualmente las inductancias de las conexiones internas con modelo de parámetros concentrados (valor típico: 1 microH/m)

42 ENERGIZACIÓN DEL PRIMER PASO
L << L0 -Descripción cualitativa de la maniobra: -Si el capacitor está inicialmente descargado, el cierre del disyuntor impone inicialmente un cortocircuito -En los instantes siguientes la tensión del capacitor tiende a igualarse a la de la fuente, con “overshoots” durante el transitorio.

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44 Fórmulas simplificadas para la corriente y frecuencia
de energización (“inrush”): Sobretensión de energización teórica: 2 p.u

45 Utilización de los valores calculados para el diseño de la instalación:
Corriente de inrush: disyuntor y también condensadores si hay un sólo paso Frecuencia de inrush: Disyuntor Sobretensión: Nivel de aislación a las sobretensiones de maniobra de toda la instalación. Características particulares de la simulación: -Escenario de alta tensión de premaniobra: falta fase-tierra

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47 ENERGIZACIÓN BACK TO BACK
-Descripción cualitativa de la maniobra: -Si el paso “n+1” está inicialmente descargado, el cierre del disyuntor impone inicialmente un cortocircuito, sobre el cuál descargan la red y los restantes bancos (corriente de “ inrush” mayor que en el caso de energización del primer paso). -En los instantes siguientes la tensión del capacitor tiende a igualarse a la del sistema, con “overshoots” durante el transitorio. Los pasos conectados tienden a limitar el overshoot (tensión de maniobra menor que en el caso de energización del primer paso)

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49 Fórmulas simplificadas para la corriente y frecuencia
de energización (“inrush”): Estas fórmulas simplificadas valen si se desprecia el aporte de corriente de la red externa. Esta situación se da si la descarga de los restantes pasos es muy rápida: los picos de corriente de la red externa (“fenómeno 2”) y de los restantes pasos (“fenómeno 1”) no se superponen. Como la frecuencia del “fenómeno 2” es la de la fórmula simplificada para la energización del primer paso, esta situación se da, por lo tanto, si: fbtb << fe

50 Utilización de los valores calculados para el diseño de la instalación:
Corriente de inrush: disyuntor ,condensadores, reactor de choque Frecuencia de inrush: Disyuntor

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52 CORTOCIRCUITOS CERCANOS
-Descripción cualitativa de la maniobra: Los capacitores cargados y la red externa descargan sobre la falta (corriente de “outrush”) Cualitativamente es un fenómeno similar a la energización “back to back”

53 Utilización de los valores calculados para el diseño de la instalación:
Corriente de outrush: disyuntor ,condensadores, reactor de choque, disyuntores de líneas adyacentes al banco. Frecuencia de outrush: reactor de choque

54 APERTURA DEL PASO -Descripción cualitativa de la maniobra: -Cuando el disyuntor abre, del lado del paso queda “atrapada” una tensión ≈ valor de pico de la tensión de fuente. (Corriente nula → tensión máxima) -Medio ciclo después, al invertirse la tensión de fuente, la tensión entre bornes del disyuntor pasa a ser ≈ el doble de la tensión de preapertura.

55 Si la rigidez dieléctrica entre los contactos no se recupera
suficientemente rápido puede ocurrir un reencendido

56 Utilización de los valores calculados para el diseño de la instalación:
Tensión entre contactos (TTR): disyuntor Tensión durante reencendido: todos los equipos (sólo si el disyuntor es propenso a reencender) Características particulares de la simulación: -Escenario de alta tensión de premaniobra: falta fase-tierra, rechazo de carga

57 CARACTERÍSTICAS DE LAS SIMULACIONES
-Energizaciones estadísticas (100 maniobras) -Cortocircuitos sistemáticos (20 puntos de la onda de tensión)

58 APLICACIÓN DE LOS ESTUDIOS A LA ESPECIFICACIÓN DE EQUIPOS
Parámetro a definir Caso crítico habitual Todos Nivel de aislación maniobra Energización banco aislado, con falta f-t Nivel de aislación, impulso Reencendido durante apertura Condensado-res Corriente por operaciones de maniobra Energización back-to-back Condensa-dores Corriente de “outrush” Falta cercana Reactor de choque Corriente de “inrush” nominal Inductancia

59 Falta en bornes del disyuntor, todos los bancos en servicio
Equipo Parámetro a definir Caso crítico habitual Disyuntor paso Poder de cierre Falta en bornes del disyuntor, todos los bancos en servicio Corriente y frecuencia de “inrush” Energización TRT de apertura Apertura Disyuntor sección adyacente Poder de cierre Falta en sección adyacente