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sistemas de potencia 2
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fallas serie 20-7-2015
INDICE
1 OBJETIVOS..........................................................................................................3
2 INTRODUCCION..............................................................................................3
2.1 SIMULACION DE FALLAS SERIE..............................................................4
3 TIPOS DE FALLAS SERIE...............................................................................7
3.1 UNA FASE ABIERTA..................................................................................8
3.1.1 Diagrama esquemático.........................................................................8
3.1.2 Condiciones impuestas por la falla.......................................................9
3.1.3 Ecuaciones en componentes de secuencia.........................................9
3.1.4 Conexión de las mallas.........................................................................9
3.2 DOS FASES ABIERTAS...........................................................................10
3.2.1 Diagrama esquemático.......................................................................10
3.2.2 Condiciones impuestas por la falla.....................................................11
3.2.3 Ecuaciones en componentes de secuencia.......................................11
3.2.4 Conexión de las mallas.......................................................................11
4 IMPEDANCIAS SERIE DESEQUILIBRADAS.................................................12
4.1.1 Diagrama esquemático.......................................................................12
4.1.2 Condiciones impuestas por la falla.....................................................13
4.1.3 Conexión de las mallas.......................................................................13
4.2 EJEMPLO.................................................................................................14
SOLUCIÓN.........................................................................................................15
4.2.1 Condiciones de prefalla:.....................................................................15
4.2.2 Condiciones de falla:..........................................................................15
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fallas serie 20-7-2015
4.3 Potencia que llega al motor en estas condiciones....................................16
4.4 Corrientes en los neutros de los transformadores en pu...........................17
4.5 Corrientes en los neutros de los transformadores en Amperes................17
5 TECNICAS DE DETECCION DE FALLAS EN SERIE....................................17
5.1 PROBLEMA DE SENSIBILIDAD...............................................................18
5.2 PROBLEMA DE LA DETECCION.............................................................18
5.3 PROPUESTA DE SOLUCION..................................................................19
5.3.1 PROTECCION CONTRA FALLA FASE ABIERTA............................19
6 CONCLUSIONES...........................................................................................20
7 BIBLIOGRAFIA...............................................................................................21
ANEXO...................................................................................................................22
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fallas serie 20-7-2015
1 OBJETIVOS
El presente tema de investigación tiene como propósito el presentar y
revisar los conceptos fundamentales requeridos para el análisis de fallas
en serie en sistemas eléctricos de potencia.
Comprender en qué consisten las fallas en serie.
Ver las posibles técnicas de detección de fallas en serie.
2 INTRODUCCION
Las fallas de conductor abierto o las fases abiertas, son los defectos producidos
por la interrupción de una o más fases, sin contacto simultáneo con otras fases o
tierra. Aunque no producen corrientes elevadas, provocan la circulación de
corrientes de secuencia (en especial negativa) que son peligrosas para los
equipos por el fuerte calentamiento que pueden originar.
A primera vista, el cálculo empleando componentes simétricos se ve complicado
por el hecho de que las fallas implican una asimetría en las impedancias del
sistema, lo que haría necesario considerar los acoplamientos entre mallas de
secuencia.
El problema se resuelve aplicando a las mallas de secuencia, supuestas
independientes y sin impedancias mutuas, las condiciones eléctricas impuestas
por la falla. Como las condiciones impuestas a lastres mallas están relacionadas
entre sí, ello equivale a interconectar las mallas en el punto de falla, en una forma
fijada por el tipo de falla.
El fenómeno que sigue a la aparición de la falla es transigente, donde las
corrientes máximas se producen en el instante inicial. Normalmente interesa
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fallas serie 20-7-2015
determinar lo que ocurre al cabo de algunos ciclos de iniciada la falla (operación
de las protecciones, apertura de interruptores, etc.), por lo que en secuencia
positiva, los generadores se representan por la fem E' y la reactancia transitoria
X'1. Sólo cuando interesa verificar los esfuerzos electrodinámicos de los equipos o
al especificar interruptores, se considera E'' tras X''1. Una dificultad preliminar en
el estudio de este tipo de fallas será entonces la de calcular las fem E' (o E"), a
partir de las condiciones de operación existentes antes de la falla. Dada la simetría
longitudinal de estas fallas, se acostumbra usar como variables de cálculo, las
caídas longitudinales de tensión DVa, DVb y DVc entre los bornes P y Q de la
zona en falla y las corrientes en las fases: I a, Ib e Ic, tal como se indica en la
Figura 4.36.-
Para evitar la aparición de razones de transformación no reales (a,
a2, etc.) en las ecuaciones de conexión, es preciso mantener en el
análisis una simetría respecto a la fase de referencia a, por lo que la
falla monofásica se supone en la fase a y la bifásica en las fases b y c.
2.1 SIMULACION DE FALLAS SERIE
Este tipo de fallas involucran dos nodos del sistema, tal como se
muestra en la Figura 9.3.
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Entonces, el equivalente de Thevenin se obtiene entre los nodos r y
q, y siguiendo la metodología para fallas en derivación, ahora se
inyecta una corriente de falla en los dos nodos del sistema, a fin de
determinar los voltajes.
Al igual que en las fallas en derivación, es conveniente usar la matriz
de admitancias de falla, en lugar de la matriz de impedancias de falla.
Aquí, las matrices de admitancias de falla también se definen con
base a las diferencias de voltaje entre nodos y las corrientes que
circulan por las fases correspondientes.
En términos generales, una falla serie entre los nodos r y q del
sistema eléctrico, puede representarse por la Figura 9.4.
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De la Figura 9.4, se define a los siguientes voltajes:
= Voltaje complejo en el nodo r, fase a.
= Voltaje complejo en el nodo r, fase b.
= Voltaje complejo en el nodo r, fase c.
= Voltaje complejo en el nodo q, fase a.
= Voltaje complejo en el nodo q, fase b.
= Voltaje complejo en el nodo q, fase c.
Además, en términos de admitancias, la matriz de falla estará dada por:
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(9.38)
Si , , , entonces la matriz de (9.38) se simplifica a:
(9.39) Si se pasa al marco de referencia de secuencias, a través del producto matricial:
(9.40)
donde es la matriz de admitancias de falla en componentes de secuencia (012), y representa el caso general de una falla trifásica serie. Substituyendo (9.38) en (9.40) y desarrollando el producto matricial, se obtiene:
… (9.41) A partir de la matriz (9.41), se puede derivar a los elementos para cada falla serie en particular, tal como se describe a continuación.
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3 TIPOS DE FALLAS SERIE
Una fase abierta
Dos fases abiertas
Tres fases abiertas
La última situación significa que la línea o dispositivo sale
completamente de servicio.
3.1 UNA FASE ABIERTA
Esta situación se presenta por ejemplo cuando se emplean
elementos de apertura que controlen individualmente cada una de
las fases (fusibles o interruptores de accionamiento monopolar). A
veces ocurre también al cortarse un conductor y quedar
suspendido de tal forma de no hacer contacto con otra fase o
tierra.
3.1.1 Diagrama esquemático
Figura 4.37.- Representación esquemática de una falla de una fase abierta
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3.1.2 Condiciones impuestas por la falla
(4.76)
Es decir:
(4.77)
3.1.3 Ecuaciones en componentes de secuencia
Las componentes simétricas de las corrientes y de las caídas de voltajes quedan:
(4.78)
3.1.4 Conexión de las mallas
A partir de (4.78), se puede concluir que las mallas de secuencia quedan conectadas en paralelo entre los punto P y Q, tal como se indica en la Figura 4.38.-
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Figura 4.38.- Conexión de las mallas de secuencia para una falla de una fase abierta
Puesto que las mallas de secuencia negativa y cero son pasivas, su efecto es el
de intercalar una impedancia:
(4.79)
entre los bornes P y Q de la malla de secuencia positiva. Por lo tanto, aumenta la
impedancia serie de la malla de secuencia positiva, lo que significa que se reduce
la corriente y en consecuencia, la potencia activa transmitida. En algunos casos
particulares y, debido a las conexiones de los transformadores vecinos a P y Q,
puede resultar que Z0pq = ¥, en cuyo caso aumenta aún mas la impedancia serie
agregada a la malla de secuencia positiva, haciendo que la disminución de
potencia transmitida sea mayor. Es conveniente indicar que Z0pq y Z2pq son las
impedancias equivalentes vistas en esas mallas desde los bornes P y Q.
3.2 DOS FASES ABIERTAS
Esta situación se presenta en las mismas situaciones que originan una fase
abierta, pero con una frecuencia menor.
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3.2.1 Diagrama esquemático
Figura 4.42.- Representación esquemática de una falla de dos fases abiertas
3.2.2 Condiciones impuestas por la falla
(4.80)
3.2.3 Ecuaciones en componentes de secuencia
Las componentes simétricas de las corrientes y de las caídas de voltajes quedan:
(4.81)
3.2.4 Conexión de las mallas
A partir de (4.81), se concluye que las mallas de secuencia quedan conectadas en
serie tal como se indica en la Figura 4.43.
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(4.82)
entre los bornes P1 y Q1 de la malla de secuencia positiva. Con ello se reduce la
potencia activa transmitida en el sistema, en una cantidad mayor que para el caso
de una fase abierta, ya que la impedancia es mas alta. Nótese que la transmisión
se interrumpe totalmente si Z0pq = ¥, es decir si el sistema no está puesto a tierra.
Figura 4.43.- Conexión de las mallas de secuencia para una falla de una fase abierta
4 IMPEDANCIAS SERIE DESEQUILIBRADAS
Un efecto similar, aunque menos grave que el de las fases abiertas, produce la
conexión de una impedancia anormal en una de las fases. Es una situación que se
presenta, por ejemplo, en el caso de reemplazar temporalmente una unidad
monofásica defectuosa en un banco de transformadores por otra de
características diferentes, donde dos de las fases tendrán el mismo valor en su
impedancia serie, el que será distinto al de la tercera. Otra situación de interés
práctico se presenta cuando, debido a un cortocircuito monofásico a tierra en una
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línea trifásica, se desconecta la fase fallada por acción de los interruptores
(monopolares) que protegen el tramo, que corresponde al caso de una fase
abierta en dos puntos.
4.1.1 Diagrama esquemático
Figura 4.44.- Impedancias series desequilibradas
4.1.2 Condiciones impuestas por la falla
(4.83)
Ecuaciones en componentes de secuencia
(4.84)
4.1.3 Conexión de las mallas
Considerando las ecuaciones (4.84), las mallas de secuencia quedan conectadas
en paralelo, tal como se indica en la Figura 4.45.
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Figura 4.45.- Conexión de las mallas de secuencia cuando se tiene impedancias serie desequilibrada
Para la transferencia de potencia activa, la conexión de las mallas de secuencia
en esta forma, equivale a intercalar en la malla de secuencia positiva, la
combinación de impedancias ZB en serie con el paralelo de 1/3(ZA - ZB) con (Z2pq +
ZB) y con (Z0pq + ZB).
Si ZA ® ¥ y ZB ® 0, se tiene el caso ya visto de una fase abierta. Si ZA ® 0 y ZB ® ¥, se obtiene el caso de dos fases abiertas, pero para llegar a las relaciones ya vistas hay que calcular primero el equivalente de las impedancias en paralelo, antes de hacer tender ZB a ¥.
Si ZA=¥ y ZB corresponde a las respectivas impedancias de secuencia del tramo, se tiene el caso de una fase abierta en dos puntos.
4.2 EJEMPLOEn el sistema de la Figura 4.39, se abre la fase "a" en la barra 3 cuando el motor M está recibiendo el 80% de su potencia nominal, con su tensión nominal en bornes, Factor de Potencia 0,8 inductivo. Calcular la potencia recibida por el motor (kVA) y las corrientes en
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los neutros de los transformadores en estas condiciones. Datos en % en base común 1.250 kVA.
Figura 4.39
SOLUCIÓN:
4.2.1 Condiciones de prefalla:
El circuito equivalente por fase se muestra en la Figura 4.40
Del Circuito de la Figura 4.14 se tiene:
Figura 4.40
4.2.2 Condiciones de falla:
Como se abre una sola fase las mallas de secuencia quedan en paralelo y se muestran en la Figura 4.41. A partir de este circuito se tiene:
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Figura 4.41
4.3 Potencia que llega al motor en estas condiciones
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4.4 Corrientes en los neutros de los transformadores en pu
4.5 Corrientes en los neutros de los transformadores en Amperes
=>
5 TECNICAS DE DETECCION DE FALLAS EN SERIE
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Los sistemas industriales, requieren sistemas eléctricos sin interrupciones, como
además con reducido riesgo contra electrocución de personas o daño a la
propiedad.
En la actualidad las redes de distribución y líneas de transmisión están quedando
dentro de zonas urbanas, y las redes aéreas de distribución van reemplazando a
las redes subterráneas.
En sistemas con neutro puesto a tierra directamente, se tiene el riesgo de perdida
de estabilidad debido a las altas corrientes de falla.
Los dispositivos de protección actuales, son apropiados para proteger el
equipamiento industrial, es decir cables, transformadores, motores, equipos
electrónicos. Y se diseñan con una respuesta suficientemente rápida para reducir
las interrupciones a los usuarios.
Se hará referencia a la conexión estrella o triangulo al lado de transformador que
alimenta a las cargas.
La magnitud de la corriente de falla a tierra, depende del método de aterramiento
del sistema, principalmente se detecta la corriente residual. Y se utilizan
elementos direccionales, similar a vatímetro o varímetro, al cual se le predetermina
la red a abrir, según el flujo de potencia de falla.
En sistemas en triangulo, se complica el problema y puede ocurrir la falla a tierra
de alta impedancia, el cual es un riesgo para la vida. Y no es posible setear los
reles a muy bajas corrientes debido al desbalance de cargas de línea o a las
corrientes de magnetización de los transformadores de corriente, los sensores
ópticos de corriente permiten la detección de corrientes mas bajas de falla.
El circuito para evaluar los amperios y tensión de falla es según la Fig. 1. donde
r1+jx1 es la resistencia y reactancia de secuencia positiva, r2+jx2 es la resistencia
y reactancia de secuencia negativa, r0+jx0 es la resistencia y reactancia de
secuencia cero, RN es la resistencia del neutro.
5.1 PROBLEMA DE SENSIBILIDAD
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La capacitancia de la red, las perdidas por fuga en aislamientos, el efecto corona,
el desbalance de cargas permiten una baja corriente homopolar, en condiciones
del sistema sin falla.
La corriente de excitación de los transformadores de corriente electromagnéticos
de rele puede ocasionar una falsa operación de la protección.
5.2 PROBLEMA DE LA DETECCION
El problema de la sensibilidad no permite bajos valores de Setting
(Valor de actuación) del rele.
En el momento de falla la detección dependerá de la resistencia del
terreno. Una alta resistencia del terreno podría hacer lento la
operación de rele.
La protección convencional es mas afectada debido que el Setting de
este es muy grande y no detecta fallas con corrientes bajas.
La protección basada en análisis de arco de falla a tierra, no detecta
la falla si el cable cae sobre un material que no produce arco.
5.3 PROPUESTA DE SOLUCION
5.3.1 PROTECCION CONTRA FALLA FASE ABIERTA
La protección de sistemas eléctricos de configuración radial, debe detectar el
cable roto, la protección que planteo se basa en medir las tensiones i/o corriente
de fase o línea, en lado de carga, ya que al romperse un cable en lado de carga se
detectara la caída de tensión i/o corriente en la fase fallada principalmente. Y
mediante comunicación electrónica enviara una señal al extremo de la red fallada
y se abrirá el interruptor automático aguas arriba, para desenergizar el tramo
fallado. Otra alternativa seria el sensor de tensión óptico, ubicado en el lado de
carga, y el generador de luz ubicado en la sub estación alimentadora en el otro
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extremo, el cual al detectar la caída de tensión manda abrir el interruptor
automático.
En tramos de sistemas eléctricos, que estén alimentados por ambos lados de la
red eléctrica, se detectara principalmente la igualdad de corriente de las fases
sanas y el aumento de la corriente de secuencia negativa.
Así el sistema de protección contra fallas a tierra comienza desde que el cable se
rompe, y no como los sistemas de protección actuales que esperan que el cable
toque tierra para comenzar a detectar la falla.
En cuanto a la comunicación electrónica los siguientes canales digitales están
disponibles:
Fibra óptica dedicada, siendo el más confiable.
Redes multiplexadas usando interfaces de 64kbits.
T1 multiplexado, es multipunto, la señal pasa a través de varios
puntos antes de llegar a su destino final, este retardo de tiempo
no es conveniente para señales de protección.
SONET o red óptica síncrona, los varios puntos con ADM (Add/Drop
multiplexor), requieren un tiempo para añadir o quitar señales a la
señal óptica, se convertirá a señal a eléctrica y luego se convierte
otra vez a señal óptica. Para que llegue a su destino final. Este
tiempo no es conveniente en tele protección. Vea Fig. 15 y 16.
Enlaces digitales de radio o microonda, tienen tiempos cortos de
transmisión de señal protección pero en malas condiciones de
clima la señal se desvanece.
6 CONCLUSIONES
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o Las fallas de conductor abierto o las fases abiertas, son los
defectos producidos por la interrupción de una o más fases,
sin contacto simultáneo con otras fases o tierra.
o En las fallas en serie involucran dos nodos del sistema.
o La protección de sistemas eléctricos de configuración radial,
debe detectar el cable roto, la protección que planteo se
basa en medir las tensiones i/o corriente de fase o línea, en
lado de carga, ya que al romperse un cable en lado de carga
se detectara la caída de tensión i/o corriente en la fase
fallada principalmente.
o Aunque no producen corrientes elevadas, provocan la
circulación de corrientes de secuencia (en especial negativa)
que son peligrosas para los equipos por el fuerte
calentamiento que pueden originar.
o Un efecto similar, aunque menos grave que el de las fases
abiertas, produce la conexión de una impedancia anormal en
una de las fases.
o En la de dos fases abiertas se presenta en las mismas
situaciones que originan una fase abierta, pero con una
frecuencia menor.
o En la de una fase abierta se presenta por ejemplo cuando se
emplean elementos de apertura que controlen
individualmente cada una de las fases (fusibles o
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interruptores de accionamiento monopolar). A veces ocurre
también al cortarse un conductor y quedar suspendido de tal
forma de no hacer contacto con otra fase o tierra.
o Al igual que en las fallas en derivación, es conveniente usar
la matriz de admitancias de falla, en lugar de la matriz de
impedancias de falla.
7 BIBLIOGRAFIA
http://soyelectricista.galeon.com/
http://elec.itmorelia.edu.mx/tovar/10modfallas-01.htm
http://aulaweb.upes.edu.sv/claroline/backends/download.php?
url=L1BSRVNFTlRBQ0lPTl83QS5wZGY
%3D&cidReset=true&cidReq=ASP023
http://www.utp.edu.co/~aescobar/Cortocircuito.pdf
http://www.slideshare.net/jiso45/fallas-electricas
http://www.inele.ufro.cl/apuntes/
Analisis_Moderno_de_Sistemas_de_Potencia_-
_Ing_Electrica_para_Ingenieros_de_Ejecucion/
7_CALCULO_DE_FALLAS.pdf
http://www.inele.ufro.cl/apuntes/sep/
capitulo_4_seccion_4.6.htm
http://www.buenastareas.com/ensayos/Fallas-Sistema-De-
Potencia/2262870.html
http://ingeborda.com.ar/biblioteca/Biblioteca%20Internet/
Articulos%20Tecnicos%20de%20Consulta/Protecciones/
CALCULO-DE-FALLAS.pdf
paja supo larry ivan 22
fallas serie 20-7-2015
http://es.scribd.com/doc/80872715/Fallas-en-Serie
ANEXO
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