COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO NORMA IEC 60071-2 VS INGENIERÍA POR DESEMPEÑO

DEFINICIÓN DE COORDINACIÓN Determinación de las resistencias dieléctricas de los equipos con relación a los esfuerzos de tensión que se pueden presentar teniendo en cuenta los elementos de protección

¿QUE RECOMIENDA LA NORMA? Basados en la experiencia de sistemas de potencia de otros países (otras condiciones topológicas), utilizar valores normalizados dependiendo del tipo de sobretensión bajo estudio

¿Que pasaría si determinamos las resistencias dieléctricas de los equipos basados en los efectos específicos de cada sistema de potencia, su topología y los fenómenos que causan dichas sobretensiones? INGENIERÍA POR DESEMPEÑO

Breve repaso acerca de las sobretensiones, sus orígenes y las recomendaciones de la norma IEC 60071

TIPOS DE SOBRETENSIONES

SOBRETENSIONES TEMPORALES Voltaje con frecuencia alrededor de la fundamental (± 2Hz) con valor pico máximo fase-tierra o fase-fase superior al voltaje pico fase-tierra o fase-fase máximo permitido para un Sistema de Potencia. Características: 1. De larga duración 2. Con poco o ningún tipo de amortiguamiento.

SOBRETENSIONES TEMPORALES CAUSAS Cambios de topología del sistema, rechazos de carga Los cambios en el sistema generan puntos de operación diferentes, los cuales desencadenan la acción de los reguladores de tensión, desde el inicio del evento y antes que la acción de los reguladores haga efecto en el voltaje y la frecuencia se generan sobretensiones que poco a poco se controlan de acuerdo con el tipo de evento. Factores recomendados: Desde 1,4 p.u. hasta 2,5 p.u. cuando existen unidades de generación o motores

SOBRETENSIONES TEMPORALES CAUSAS Fallas en el sistema Son los eventos más frecuentes, en general la falla monofásica es la más común y causa la elevación de las tensiones de las fases sanas de acuerdo con el grado de aterrizamiento del sistema. Factores recomendados: Desde 1,4 p.u. para sistemas sólidamente aterrizados hasta 1,7p.u. para sistemas aislados.

SOBRETENSIONES TEMPORALES CAUSAS Efecto Ferranti En líneas energizadas al vacío, el circuito que se genera crea corrientes capacitivas a través de la inductancia serie de la línea lo que genera una sobretensión en el extremo abierto con respecto a la tensión en el extremo donde la línea es energizada Factores recomendados: Desde 1,5 p.u. en adelante para sistemas extensos

SOBRETENSIONES TEMPORALES CAUSAS Resonancia Se puede generar por: a. Resonancia entre cables de elevada capacitancia y reactores limitadores de corriente b. Resonancia que ocurre entre una inductancia lineal y la capacitancia de un sistema constituido por una línea levemente cargada. c. Ferroresonancia entre la reactancia de transformadores de potencial y la capacitancia entre devanados de un transformador de distribución d. Ferroresonancia en sistemas que contienen elementos saturables y filtros de armónicos

SOBRETENSIONES TEMPORALES CAUSAS Ferroresonancia Según ANSI/IEEE 100 1984 Fenomeno usualmente caracterizado por sobretensiones e irregulares formas de onda. Asociado con la excitación de una o más inductancias saturables a través de una capacitancia en serie. En nucleos de aire la inductancia es fija, en nucleos ferromagneticos cambia dependiendo del voltaje aplicado. La capacitancia en serie es formada por la capacitancia de cables o conductores, equipos etc. El fenómeno es típico en sistemas aislados y los eventos de suicheo asimétricos (relacionados con la apertura de interruptores trifasicos de forma monopolar).

SOBRETENSIONES TEMPORALES FORMA DE ONDA TÍPICA FALLA A TIERRA

SOBRETENSIONES TEMPORALES FORMA DE ONDA TÍPICA RESONANCIA 250.0 [kV] 187.5 125.0 62.5 0.0 -62.5 -125.0 -187.5 -250.0 0.00

0.05

0.10

(f ile P05-2-1.pl4; x-v ar t) v :FTE

0.15 v :PRI

0.20

0.25

0.30

0.35 [s] 0.40

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA Voltaje pico fase-tierra o fase-fase superior al voltaje pico fasetierra o fase-fase máximo Um asignado a un Sistema de Potencia (SP) Características: 1. Origen interno debido a operación errónea de equipo de maniobra o falla de aislamiento que genera cambios en la topología del SP. 2. De corta duración. 3. Alto amortiguamiento.

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA CAUSAS Energización y Renergización Dependen de varios parámetros: • Potencia de cortocircuito del sistema en el punto de la maniobra • Punto en la onda de voltaje en que opera el interruptor • Grado de compensación de la línea de transmisión • Longitud de la línea de transmisión • Transposición • Parámetros de los modos de propagación (geometría de la línea)

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA CAUSAS

(Cont.) • Pérdidas en el conductor (atenuación de los modos de propagación) • Presencia de equipos de protección (descargadores de sobretensiones) • Grado de aterrizamiento del sistema (Y D) • Tensión premaniobra o prefalla • Valor de la resistencia de preinserción (si existe) • Tiempo de inserción del resistor • Disparidad de polos del interruptor (caso compensaciones ) • Valor de la carga residual de la línea para el caso de recierre.

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA CAUSAS

Maniobras de Capacitores y Reactores Durante el cierre de capacitores y reactores el fenómeno fundamental es el almacenamiento de energía. La apertura de estos equipos puede presentar altas sobretensiones sobre todo en los bancos de capacitores ante los retrasos entre polos debido a la carga almacenada en los capacitores Tensiones de recuperación Reenergización de capacitores o reactores no descargados

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA CAUSAS

Aplicación y despeje de fallas La eliminación de la falla genera sobretensiones que pueden exceder 1.7pu. Los factores que más influencian las sobretensiones originadas por aplicación de fallas son: • Naturaleza de la falla • Longitud de la línea • Grado de compensación de la línea • Localización de la falla

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA CAUSAS

Rechazo de carga Las sobretensiones debido a rechazo de carga tienen generalmente dos etapas, la etapa transitoria correspondiente a los primeros ciclos luego de ocurrido el evento y la etapa estacionaria correspondiente a la evolución del sistema en estado estable luego del evento. Las sobretensiones de la etapa transitoria son menores a las sobretensiones por recierre de líneas, sin embargo las sobretensiones de la etapa estacionaria tienden a ser mayores.

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA CAUSAS

Energización de transformadores La maniobra de energización de transformadores presenta condiciones particulares que pueden ocasionar valores de sobretensiones altos en los sistemas de potencia debido a la característica no lineal de estos equipos. Debido a la característica no lineal del núcleo se presentan transitorios electromagnéticos debido al flujo residual al momento de energizar el transformador en vacío y en algunas condiciones como eliminación de fallas, estos transitorios pueden generar altas corrientes que pueden llegar a generar altas sobretensiones cuando sus componentes armónicas afectan otros equipos de la subestación.

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA FORMAS DE ONDA TÍPICA ENERGIZACIÓN CONDENSADORES

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA FORMAS DE ONDA TÍPICA

VALORES RECOMENDADOS PARA SOBRETENSIONES DE MANIOBRA Energización y des-energización desde 2,54 p.u hasta 3,26 p.u. normalmente en el sistema colombiano

SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Voltaje pico fase-tierra o fase-fase superior al voltaje pico fasetierra o fase-fase máximo Um asignado a un SP, de origen externo causado por impacto de un rayo sobre o alrededor de un punto del sistema Características: 1.De muy corta duración. 2.Alto amortiguamiento.

SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS CARACTERÍSTICAS Rayo: Onda de impulso que aumenta rápidamente hasta su valor máximo y luego, decrece lentamente comparado con la velocidad de subida. Descripción de una onda de rayo: Tiempo de frente, el tiempo de cola y amplitud máxima, la pendiente de subida es fundamental y debe ser considerada, así, como las descargas subsecuentes. Las principales sobretensiones que se generan a causa de impulsos de rayo se deben a cambios de medio (cambios de impedancia característica que llevan a reflexiones y refracciones que originan problemas tanto en el aislamiento externo como interno, siendo el último el más crítico).

SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS FORMA DE ONDA TÍPICA

SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS FORMA DE ONDA TÍPICA

SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS U c w= U p +l

Ucw: Upl: A: n: L:

A L ⋅ n Ls p+ La

Tensión soportable de coordinación al impulso atmosférico, kV Nivel de protección al impulso tipo rayo del descargador de sobretensiones, kV Factor dado en la Tabla F.2 de la norma IEC 60071-2 que describe el comportamiento de la línea ante las descargas eléctricas atmosféricas, kV Número de líneas conectadas a la subestación, (n-1) Separación equivalente entre el descargador de sobretensiones más cercano y el equipo en consideración L= a1+a2+a3+a4

INGENIERÍA POR DESEMPEÑO Cálculo de sobretensiones utilizando programas de simulación de transitorios -Modelos

RANGOS DE FRECUENCIA (COMP INDUCT Y CAPACIT.) Variable

Eventos

Rango Frecuencia

Tiempos

Forma de onda

VENTANAS DE ANÁLISIS I Temporales

10 Hz < f < 500 Hz

0.03 s ≤ Tt ≤ 3600 s

II

III

IV

Maniobras, frente lento

Rayo, frente rápido

Voltajes de recuperación, Frente muy rápido

2 kHz < f < 10 kHz

25 kHz < f < 5 MHz

20 µs ≤ TP

0.1 µs ≤ T1

≤ 5000 µs

≤ 20 µs T2 ≤ 300 µs

T2 ≤ 20 ms

0.3 MHz < f1 < 100 MHz 30 kHz < f 2 < 300 kHz

3 ns ≤ Tf ≤ 100 ns

Evento Rechazo de carga Energización de transformadores

Ventanas I I, II

Resonancia paralela

I

Disparidad de polos

I

Fallas en líneas

I, II

Despeje de fallas

I, II

Energización de líneas

I, II

Reenergización de líneas

I, II

Apertura de líneas en vacío

I, II

Suicheo de barras en AIS Suicheo de corrientes inductivas y capacitivas

III, IV I, II, III

Flameo inverso

III

Impacto directo rayo

III

Suicheo al interior de GIS

IV

Suicheo de corriente inductiva y capacitiva en SF6 Flameo inverso en GIS Suicheo interruptor de vacío

I, II, III, IV IV III, IV

OBJETO DE ESTUDIO EN CADA VENTANA Ventana I Temporales Busca determinar los esfuerzos de voltaje en los equipos correspondientes a la soportabilidad a frecuencia industrial y en particular la capacidad energética de los descargadores de sobretensiones. Ventana II Maniobras de frente lento El principal interés es la selección de los voltajes requeridos de soportabilidad de los equipos (BSL) y determinar el esfuerzo energético de los descargadores de sobretensiones. Ventana III Rayo En esta ventana se determina el riesgo de falla de equipos y la selección de los valores de soportabilidad requeridos (BIL) en conjunto con la selección de los descargadores de sobretensiones. Ventana IV Voltajes de recuperación Considera voltajes de recuperación en la maniobra de operación de interruptores aislados con SF6 y la operación de interruptores de vacío.

ALTERNATIVE TRANSIENTS PROGRAM

DIgSILENT POWER FACTORY - EMT

1 0 0 0 .0 0

8 0 0 .0 0

6 0 0 .0 0

4 0 0 .0 0

2 0 0 .0 0

0 .0 0

-2 0 0 .0 0 0 .0 0 0 0

1 9 .7 5 1

3 9 .5 0 3

5 9 .2 5 4

7 9 .0 0 5

3 9 .5 0 3

5 9 .2 5 4

7 9 .0 0 5

[u s ]

9 8 .7 5 7

B U S T E S T : P h a s e V o l t a g e A in k V

1 2 .5 0

1 0 .0 0

7 .5 0

5 .0 0

2 .5 0

0 .0 0

-2 .5 0 0 .0 0 0 0

1 9 .7 5 1

[u s ]

9 8 .7 5 7

C O N E X I Ó N R A Y O T E S T : P h a s e C u r r e n t A / T e r m in a l i in k A L O - T E S T : P h a s e C u r r e n t A / T e r m in a l i in k A TEST

D a t e : 1 0 /1 3 /2 0 0 8 Annex:

/9

RESUMEN

Tipos de sobretensiones Sobretensiones Temporales Sobretensiones de Maniobra Sobretensiones por Descargas Atmosféricas Factores de sobretensiones recomendados

Ingeniería por desempeño - Modelos

Ejemplo de coordinación La empresa A cuenta con un transformador de 90 MVA 230/115 kV con unas tensiones normalizadas en 230kV de 825 kV y 360 kV para sus componentes internos, requiere conocer si es posible ubicar dicho transformador en una subestación con unos niveles normalizados de los demás equipos de 950 kV y 395 kV

METODOLOGÍA IEC 60071-2

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 La metodología para la coordinación de aislamiento esta basada en cuatros pasos. 1.Determinación de las sobretensiones representativas ( U rp) 2.Determinación de las tensiones de soportabilidad para coordinación ( U cw) 3.Determinación de las tensiones de soportabilidad requeridas ( U rw) 4.Determinación de las tensiones de soportabilidad normalizadas ( U w)

Kc

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO DESCRIPCIÓN

UNIDAD

VALOR

Tensión nominal

kV

230

Tensión asignada del equipo

kV

245

Frecuencia asignada

Hz

60

mm/kV

20

Distancia de fuga mínima nominal

Sistema en Y Sólidamente Aterrizado

Tipo de Sistema / Aterrizamiento Altura sobre el nivel del mar

m

Nivel de contaminación ambiental

1080 Ligero

Factor de falla a tierra

Kg

1,4

Factor de rechazo de carga

Kd

1,4

Ue2

3,26

Sobretensión fase tierra del 2% de probabilidad de no ser superada para energización extremo remoto

Kc

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO (CONT..) DESCRIPCIÓN

UNIDAD

VALOR

Sobretensión fase fase del 2% de probabilidad de no ser superada para energización extremo remoto

Up2

4,86

Sobretensión fase tierra del 2% de probabilidad de no ser superada para energización extremo local

Ue2

2,09

Sobretensiónfase fase del 2% de probabilidad de no ser superada para energización extremo local

Up2

3,11

Descargador de sobretensiones utilizado 3EP4 192 - 2 P E 3 2 - 1

NPM NPR

378 kV 461 kV

Máxima sobretensión aislamiento externo.

por

rayo

kVp

848

Máxima sobretensión aislamiento interno.

por

rayo

kVp

818

Kc

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 RESUMEN * kV r.m.s para frecuencia industrial * kV pico para impulsos de maniobra y rayo

Aislamiento externo Otros equipos

Aislamiento interno

Urw(s)

Urw(c)

Urw(s)

Urw(c)

Frecuencia Fase-tierra industrial Fase-fase

234

310

225

230

406

544

390

393

Impulso de Fase-tierra maniobra Fase-fase

473

Fase-tierra Impulso atmosférico Fase-fase

1017

616

940

506

1017

935

940

864

819

(1)

460 786

(1)

No se tiene en cuenta los equipos a la entrada de la línea debido a que se evalúa solo el aislamiento del transformador

Kc

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO - RESUMEN De acuerdo con la Tabla 2 de la norma IEC 60071-1 [2] se deberían seleccionar unos valores normalizados de aislamiento correspondientes a un sistema con una tensión máxima Um, estos niveles de aislamiento cubririan cualquier aislamiento externo e interno fase-fase y fase-tierra. Para el aislamiento interno y externo se seleccionan las siguientes tensiones de soportabilidad: 460 kV para la tensión de soportabilidad de corta duración a frecuencia industrial, a tierra y entre polos. 1050 kV para la tensión de soportabilidad al impulso atmosférico, a tierra y entre polos. De acuerdo con la norma, el transformador no se podría instalar en la subestación A, debido a que no cuenta con los niveles de soportabilidad requeridos

METODOLOGÍA UTILIZANDO INGENIERIA POR DESEMPEÑO

Forma de Onda para Impulso Atmosférico

Onda de Rayo y Cadena de Aisladores en ATP

Modelo de Trampa de onda

Gráfico característica del modelo de descargador

Modelo de la Subestación para impulso atmosférico

Kc

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO CON SIMULACIONES DESCRIPCIÓN

UNIDAD

VALOR

Tensión nominal

kV

230

Tensión asignada del equipo

kV

245

Frecuencia asignada

Hz

60

mm/kV

20

Distancia de fuga mínima nominal

Sistema en Y Sólidamente Aterrizado

Tipo de Sistema / Aterrizamiento Altura sobre el nivel del mar

m

Nivel de contaminación ambiental

1080 Ligero

Factor de falla a tierra calculado con resultados de simulación

Kg

1.32

Factor de rechazo de carga calculado con resultados de simulación

Kd

1.37

Sobretensión fase tierra del 2% de probabilidad de no ser superada para energización extremo remoto

Ue2

2.3

Kc

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO (CONT..) DESCRIPCIÓN

UNIDAD

VALOR

Sobretensión fase fase del 2% de probabilidad de no ser superada para energización extremo remoto

Up2

3,89

Sobretensión fase tierra del 2% de probabilidad de no ser superada para energización extremo local

Ue2

1,8

Sobretensiónfase fase del 2% de probabilidad de no ser superada para energización extremo local

Up2

2,8

Descargador de sobretensiones utilizado en simulación Siemens 3EP4 192 - 2 P E 3 2 - 1

NPM NPR

378 kV 461 kV

Máxima sobretensión por rayo aislamiento externo, resultado de simulación

kVp

674,8

Máxima sobretensión por rayo aislamiento interno, resultado de simulación

kVp

674,8

Kc

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO SIMULACIONES - RESUMEN * kV r.m.s para frecuencia industrial * kV pico para impulsos de maniobra y rayo

Aislamiento externo Otros equipos

Aislamiento interno

Urw(s)

Urw(c)

Urw(s)

Urw(c)

Frecuencia Fase-tierra industrial Fase-fase

229

300

220

223

478 (2)

381 (2)

349 (2)

Impulso de Fase-tierra maniobra Fase-fase

459

Fase-tierra Impulso atmosférico Fase-fase

809

597

776

491

809

822

776

767

397 727

(2)

(1)

446 698

(1)

No se tiene en cuenta los equipos a la entrada de la línea debido a que se evalúa solo el aislamiento del transformador

Kc

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO IEC 60071-2 EJEMPLO - RESUMEN

Notas: (1) En rango I, los valores requeridos de soportabilidad al impulso de maniobra fase a tierra son cubiertos por la prueba de corta duración a frecuencia industrial fase tierra. Los valores de soportabilidad al impulso de maniobra fase a fase son cubiertos por la prueba de corta duración a frecuencia industrial o por la prueba de soportabilidad al impulso tipo rayo. (2) El BIL adoptado garantizará la soportabilidad a frecuencia industrial fase-fase, ya que la relación entre la sobretensión tipo rayo fase-fase y el voltaje estándar de corta duración a frecuencia industrial es mayor a 1,7 (numeral A.1 del anexo A de la norma IEC 60071-2).

Kc

CONCLUSIÓN Teniendo en cuenta las verificaciones realizadas bajo las simulaciones que se llevaron a cabo del sistema de la subestación A, es aceptable instalar el transformador de potencia, ya que este cuenta con un nivel de aislamiento interno para el impulso tipo rayo de 825 kV y de 360 kV para la soportabilidad a frecuencia industrial.