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TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS

TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS. Dr. Armando Llamas Dr. Federico Viramontes Octubre 31 de 2011. Agenda. Solución de la tarea. Apartarrayos. Protección contra fenómenos transitorios. Comentarios. Terminación en capacitancia. Efecto del capacitor. +V. +V. 0. 0. t. t. +V. +V.

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TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS

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  1. TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS Dr. Armando Llamas Dr. Federico Viramontes Octubre 31 de 2011

  2. Agenda • Solución de la tarea. • Apartarrayos. • Protección contra fenómenos transitorios. • Comentarios.

  3. Terminación en capacitancia

  4. Efecto del capacitor +V +V 0 0 t t +V +V 0 0 -V t t +2V +2V +V +V 0 0 t t Circuito abierto: El voltaje refractado cambia instantáneamente de 0 a 2 V Capacitor: El voltaje refractado cambia de 0 a 2V de acuerdo a la constante de tiempo, ZAC

  5. Surge Capacitor – Protective Capacitor • Los capacitores “surge” sirven para limitar la razón de cambio del voltaje en: • Motores • Generadores • Para asegurar el efecto de limitar la razón de cambio del disturbio en terminales del equipo a proteger se deben instalar lo más cerca posible del mismo. http://www.geindustrial.com/publibrary/checkout/38652.30055.9967.55496/PDF/DEA-224.pdf

  6. Terminación en inductancia

  7. Efecto del inductor +V +V 0 0 t t +V +V 0 0 -V t t +2V +2V +V +V 0 0 t t El inductor NO evita que el voltaje refractado cambie de 0 a 2V en poco tiempo. Por esta razón se deben emplear capacitores con muy poca inductancia en serie.

  8. Protección contra sobre-voltajes. Los sobre-voltajes se producen por: • Descargas atmosféricas. • Maniobras con interruptores Cambios repentinos en el sistema • Maniobras con interruptores • Fallas • Rechazos de carga • Etc.

  9. Carga acumulada por una descarga eléctrica. Onda viajera. Línea de transmisión. Protección contra sobre-voltajes. Descargas atmosféricas: Onda viajera.

  10. Protección contra sobre-voltajes. Pruebas de aislamiento: Existen estándares que reconocen la necesidad de que los equipos eléctricos resistan, durante un período de tiempo limitado, un exceso de voltaje, por encima del voltaje de operación. Las pruebas estándares son: • Un sobre-voltaje con duración de un minuto con frecuencia de 60 Hz. • La prueba de impulso 1,2/50.

  11. Protección contra sobre-voltajes. A los transformadores se les hacen también pruebas de: • Onda cortada • Maniobras con interruptores Otros equipos tienen otras pruebas. Se recomienda ver el capítulo No. 6 del Libro Rojo. IEEE Std 141-1993

  12. Protección contra sobre-voltajes. Información tomada del Std 141-1993.

  13. Protección contra sobre-voltajes. Información tomada del Std 141-1993.

  14. Protección contra sobre-voltajes. Información tomada del Std 141-1993.

  15. Protección contra sobre-voltajes. Entre hierro Vc10 Vt Generador de impulso.

  16. Protección contra sobre-voltajes. Vt Vc10

  17. Protección contra sobre-voltajes.

  18. Protección contra sobre-voltajes. Vt

  19. Protección contra sobre-voltajes.

  20. Ondas viajeras • Una descarga atmosférica da lugar a un frente pronunciado que viaja en ambos sentidos. LÍNEA • Los frentes de onda se amortiguan a medida que viajan; sin embargo, se instalan apartarrayos al menos en los extremos de la línea. Capítulo 6 del libro Rojo.

  21. Característica v-i apartarrayos Cuando v = Vref i = 1 A 16.4.2 del texto + Microtran handbook

  22. Arreglo para v-i apartarrayos

  23. Transformador de alto voltaje Apartarrayos Vivo V I 990 W Neutro Tierra Variac Circuito para prueba de apartarrayos de óxido metálico El voltaje del apartarrayos se obtuvo con una punta atenuadora con una relación de 956:1

  24. i, mA v, V GE TRANQUELL de 4.5 kV rms

  25. Vref = 6 kV, a = 50 i, A v

  26. Zener Suppressor P6KE15C

  27. Varistor 150 MCOV

  28. Gas Tube Surge Protector

  29. Voltaje obtenido con la protección de la resistencia no lineal de un supresor Allan Greenwood, Electrical Transients in Power Sysrtems, 2nd Edition, p 521

  30. MCOV and Duty Rating • Maximum Continuous Operating Voltage. Es el voltaje máximo en valor rms al que se puede utilizar sin que haya problemas de inestabilidad térmica. • Duty Rating. Después de someter al apartarrayos de óxido metálico a una serie de impulsos de corriente, se le aplica este voltaje y el apartarrayos debe tolerarlo sin presentar inestabilidad térmica. 16.4.5 Allan Greenwood, p 531

  31. Cambio de impedancia  Apartarrayos • Apartarrayos – Aminoran los sobrevoltajes a niveles que los equipos toleran. • Líneas aéreas – más expuestas que los cables. A pesar de esto se debe instalar un apartarrayos en todo cambio de impedancia. Aérea Cable Capítulo 6 del libro Rojo.

  32. Falla prematura de aislamiento • Ocurrencia de estrés en voltaje: • Transitorio • De corta duración • Sostenido, de estado estable • El aislamiento eléctrico de tipo orgánico se deteriora a tal punto que ocurre una falla a consecuencia del efecto acumulativo al aislamiento que finalmente alcanza una etapa crítica, se presenta rápidamente una trayectoria conductora a través de la capa de aislamiento y ocurre la falla (corto circuito). • La temperatura aumenta de manera excesiva, aumenta la zona de daño y ocurre destrucción rápidamente a menos que se interrumpa rápidamente el suministro eléctrico. Capítulo 6 del libro Rojo.

  33. Uso de equipos de protección contra sobrevoltajes transitorios • Conocer el “aguante”, “tolerancia” o “resistencia” del equipo a proteger (Tablas 6-1 a 6-4 del Rojo) •  Coordinar con el equipo de protección • Se complica un poco porque el aguante del equipo disminuye por el efecto acumulativo de los sobrevoltajes en el aislamiento. Capítulo 6 del libro Rojo.

  34. Términos Empleados para describir formas de onda de voltaje y de corriente Capítulo 6 del libro Rojo.

  35. Onda 1.2 / 50 100% = 110 kV Basic Impulse Level = 110 kV

  36. Ondas para pruebas de impulso Capítulo 6 libro Rojo.

  37. Niveles pruebas impulso transformadores aceite Capítulo 6 libro Rojo.

  38. Niveles básico aislamiento impulso – interruptores de potencia, y buses “metal clad” Capítulo 6 libro Rojo.

  39. Niveles de prueba de impulso – transformadores secos Capítulo 6 libro Rojo. Bil menor que el de transformadores en aceite.

  40. Niveles prueba alto potencial para máquinas Capítulo 6 libro Rojo.

  41. Pruebas de aislamiento • High- potential (Alto potencial) – 1 minuto 60 Hz • Trafo aceite clase 15 kV, 34 kV a 60 Hz 1 min • Prueba de impulso de voltaje 1.2/50 (BIL, Full Wave) (Nivel básico de impulso, onda completa) • Trafo aceite potencia, 15 kV, 110 kV BIL • Onda cortada (Chopped wave) • Trafo aceite potencia, 15 kV, 130 kV cresta, 2 ms de tiempo mínimo para arqueo (flashover). • Onda de maniobra de conexión / desconexión 250/2500 voltaje (switching surge) (BSL) • Trafo aceite potencia, 15 kV, 75 kV cresta Capítulo 6 libro Rojo + A. Greenwood, p 503.

  42. Line-to-ground vs turn-to-turn • La cresta de la onda completa se aumenta alrededor de un 15% ( + IVA) y mediante unas barras de “gap” se recorta la onda en el tiempo mínimo especificado en Tabla 6-1  Onda cortada • La onda cortada tiene una pendiente negativa muy alta • La onda cortada somete a prueba el aguante del aislamiento entre vueltas, mientras que la onda completa verifica el aguante del sistema de aislamiento a tierra (el gabinete). Capítulo 6 libro Rojo.

  43. Nivel de transitorios por maniobras con interruptores y frente de onda • Switching surge level  Certifica la capacidad del aislamiento para tolerar los sobrevoltajes transitrios ocasionados por maniobras con interruptores para conectar/desconectar capacitores, líneas o transformadores. • Front of wave  Nivel de aguante de los transformadores en el aislamiento entre vueltas, similar a la onda cortada; pero con más voltaje de cresta y se corta en la cresta. Capítulo 6 libro Rojo.

  44. Aislamiento de cables y líneas aéreas y máquinas giratorias • Las líneas aéreas tienen un BIL superior al de los transformadores en aceite • Línea de 13.8 kV 150 – 500 kV BIL • A los cables no se les asigna un BIL; pero también tienen capacidad de soportar los impulsos superior a la de un transformador sumergido. • Máquinas giratorias: • High – Potential Test: 1 min, 60 Hz, (2 VLL + 1000) • No existe un BIL para máquinas giratorias, existe la propuesta de aplicarles frentes de onda dados por Fig. 6-13 en un Grupo de Trabajo de IEEE Capítulo 6 libro Rojo.

  45. Aislamiento de línea a tierra y entre vueltas Major insulation = Line-to-ground insulation Turn insulation = Turn-to-turn insulation ≠ Se prueba mediante la onda completa Se verifica con la onda cortada En algunos casos falla aislamiento entre vueltas y en otros falla el aislamiento a tierra 6.3.3 libro Rojo.

  46. Propiedades físicas que afectan la resistencia del aislamiento Un equipo puede fallar a los 50 segundos de la prueba de alto potencial Podría soportar la prueba durante los 60 segundos y haber fallado 0.1 segundos después. ¿? Esto se debe al deterioro acumulado y progresivo en el dieléctrico como resultado de la historia total de exposición y estrés por sobrevolatje 6.3.3 libro Rojo.

  47. Aislamientos sólidos + líquidos Transformadores en aceite • El efecto acumulativo solamente ocurre en una banda angosta de voltajes por debajo del umbral de daño. • La exposición a voltajes por debajo de esa banda puede dar lugar a una falla incompleta del aislamiento sólido, pero la penetración del líquido puede reparar parcialmente la región averiada. 6.3.3 libro Rojo.

  48. Más sobre el efecto acumulativo de las sobretensiones • El aislamiento se puede dañar durante el proceso de prueba  Se debe evitar hacer pruebas de más con CA. • Por eso se prefiere probar con CD. • El diseño del sistema de protección para asegurar la integridad del sistema de aislamiento debe reconocer la relación inversa entre la magnitud del estrés y la duración del mismo. • Los problemas relacionados a la seguridad del aislamiento entre vueltas en bobinas de múltiples vueltas son muchos y complejos. (En generadores grandes, las bobinas son de una vuelta, el devanado es de muchas bobinas)

  49. Comentarios

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