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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLiN
FACIULTAID DE MIINAS ESCUELA DE INGENIERiA ELECTRICA Y
MECANICA
GUiA DE pRACTICAS FEN6MENOS TRANSITORIOS ELECTROMAGNETICOS
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DEP'TO . DE BIBLlOTECAS RlBUOTECA MI NAS
LEON'ARDO CARDONA C. Profesor asistente
Medellin Juni,Q del 2004
GUIA DE pRACTICAS FENOMENOS TRANSITORIOS
ELECTROMAGNETICOS
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DEPTO. DE BTBLlOT£ CAS RIBUOTECA M[NAS
LEONARDO CARDONA C. Profesar asistente
Trabajo presentado para Promoci6n a la Categoria
de Profesor Asociado
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLiN
FACULTAD DE MINAS ESCUELA DE INGENIERiA ELECTRICA Y
MECANICA Medellin. Junia del 2004
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DE\"TO . DE B1BLI01'ECi\S B \ SU0 1'ECi\ M,H-lJ\S pag
INTRODUCCI6N 17
1. INTRODUCCI6N A LOS FEN6MENOS TRANSITORIOS 18
1.1 INTRODUCCI6N 18
1.2 CLASIFICACI6N DE LOS TRANSITORIOS 19
1.3 OBJETIVOS 20
2. INTRODUCCI6N AL PROGRAMA EMTP/ATP 21
2.1 HISTORIA 21
2.2 ESTUDIOS A REALIZAR CON EL PROGRAMA EMTP/ATP 22
2.3 ESTRUCTURA GENERAL DE UN ARCH/VO PARA LA ENTRADA DE
DATOSALATP 24
2.4 REGLAS GENERALES PARA LA GENERACI6N DEL ARCHIVO DE ENTRADA DE DATOS 25
2.5 ESTRUCTURA GENERAL DEL ARCHIVO DE DATOS PARA UN CASO SIMPLE DE SIMULACI6N TRANSITORIA 0 DE ESTADO ESTACIONARIO DE UNA RED ELECTRICA CON RAMAS SIMPLES RLC 26
3. pRACTICA N01 . CASO SIMPLE DE SIMULACI6N DE UN CIRCUITO RLC SERlE 29
3.1 OBJETIVO 29
3.2 DESCRIPCI6N 29
3.3 PROCEDIMIENTO 31
3.4 ANALISIS DE RESULTADOS PARA EL CIRCUITO RLC 39
3.5 COMPLEMENTACI6N 39
4. pRACTICA N02. ONDAS VIAJERAS 43
4.1 OBJETIVO 43
4.2 MARCO TE6RICO 43
L-{ 3 SB ?J 0
4.3 SIMULACIONES 45
4.3.1 Energizacion de una linea monofasica sin perdidas, en vado, con una fuente impulso de voltaje. 45
4.3.2 Energizacion de linea monofasica sin perdidas, en vado 46
4.3.3 Energizacion de linea monofasica sin perdidas, con carga 49
4.3.4 Energizacion de linea monofasica sin perdidas, con resistencia de preinsercion 49
4.3.5 Obtencion de modelos Lee y Clarke con el subprograma del ATP, LINE CONSTANTS. 50
5. pRACTICA N°3. FEN6MENOS TRANSITORIOS ORIGINADOS POR UNA CORRIENTE DE RAYO 58
5.1 INTRODUCCI6N 58
5.2 MODELAMIENTO DEL RAYO 59
5.3 SISTEMA DE TRANSMISI6N A ESTUDIAR 62
5.4 ASPECTOS DE MODELACI6N DE ESTRUCTURA Y CONDUCTORES 63
5.5 PROCEDIMIENTO Y PREGUNTAS 69
6. pRACTICA N°4. SOBREVOL TAJES TRANSITORIOS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCI6N, DEBIDO A MANIOBRA DE CAPACITORES 73
6.1 ENERGlZACI6N DE UN BANCO DE CAPACITORES 73
6.2 MAGNIFICACI6N DE VOL TAJE POR SUICHEO DE BANCOS DE CONDENSADORES 76
6.3 SISTEMA A ESTUDIAR 78
6.3.1 Equivalente de cortocircuito en la barra de 13.2 kV 79
6.3.2 Cable aislado de 350 KCM para la salida del circuito de 13.2 kV 79
6.3.3 Red aerea de 13.2 kV 79
6.4 SIMULACIONES 80
7. pRACTICA N° 5. SOBREVOL TAJES A BAJA FRECUENCIA DEBIDOS A FALLAS ASIMETRICAS 83
7.1 SISTEMA A ESTUDIAR 83
7.2 DATOS DE LOS ELEMENTOS DE RED 84
7.3 CALCULAR Y SIMULAR 87
8. pRACTICA N°6. CARGAS NO LINEALES - PUENTE RECTIFICADOR DE SEIS PULSOS . 88
8.1 INTRODUCCION 88
8.2 DESCRIPCION DEL SISTEMA A ANALIZAR 89
8.3 OBJETIVOS 90
8.4 PUENTE RECTIFICADOR DE SEIS PULSOS 91
8.5 PUENTE RECTIFICADOR CONTROLADO DE SEIS PULSOS 93
8.6 MODELO ARMONICO 98
8.7 DISTORSION DEBIDA AL PUENTE Y PRESENCIA DE TRANSFORMADOR 102
8.8 DISTORSION CON LA CONEXION DE BANCO CAPACITIVO 103
8.9 NOTAS ADICIONALES 104
8.10 CONTENIDO DEL INFORME 105
BIBLIOGRAFIA 107
ANEXOS 108
5
10
15
20
25
LlSTA DE FIGURAS
pag
Figura 1. Clasificaci6n de los transitorios de acuerdo con la frecuencia 19
Figura 2. Programas de soporte que interactUan con el EMTP/ATP 23
Figura 3. Formato general para el programa EMTP/ATP 28
Figura 4. Circuito RLC serie 30
Figura . Circuito RLC serie en Atpdraw 31
Figura 6. Caja de herramientas de la interfaz Atpdraw 32
Figura 7. Ventanas de datos para rama RLC, suiche y fuente escal6n 32
Figura 8. Ventana de datos para los "settings" 33
Figura 9. Caja de herramientas para datos enteros 33
Figura . Persiana "ATP" para realizar el "Make File" 34
Figura 11 . Corriente en el circuito RLC serie 38
Figura 12. Voltajes y corrientes en el circuito RLC serie 38
Figura 13. Circuito con una cascada de elementos RLC 40
Figura 14. Resultado esperado de la simulaci6n con elementos
semidistribuidos 41
Figura . LInea energizada con un impulso de voltaje 45
Figura 16. Ventana de datos, fuente tipo impulso de voltaje 46
Figura 17. Modelo de Clarke monofasico para onda viajera 46
Figura 18. Ventana con la ayuda para entrada de datos del modelo de Clarke 47
Figura 19. LInea ideal energizada con fuente escal6n de voltaje 47
Figura . LInea ideal energizada con carga 49
Figura 21 . LInea ideal con resistencia de preinserci6n 49
Figura 22. Configuraci6n linea de 500 kV 54
Figura 23. Ventana de datos para el modelo de Clarke trifasico 55
Figura 24. Representaci6n de la nube y canal de descarga 59
Figura . Circuito para simular corriente de rayo 61
Figura 26. Forma esperada de la corriente de rayo 61
Figura 27. Estructura Hpica de 230 kV 62
Figura 28. Trayectoria del rayo y diagrama para modelaci6n con
ATPDRAW-ATP 63
Figura 29 . Modelo de Clarke para tramo de red monofasica 64
Figura 30. Ventana de datos para obtener modelo K.C .LEE para la linea 65
Figura 31 . Modelo tipo "gap" para la cadena de aisladores 65
Figura 32 . Dispositivo 51 de los TACS 67
Figura 33. Descripci6n del dispositiv~ 51 67
Figura 34. Sistema completo para simulaci6n 68
Figura 35. Diagrama unifilar de un circuito de distribuci6n con capacitor para
suicheo 74
Figura 36. Circuito equivalente para energizaci6n del banco capacitiv~ sin carga
en red primaria 74
Figura 37 . Voltaje observado en la barra donde esta ubicado el banco 75
Figura 38. Voltaje observado en un punto del circuito primario entre el banco y
la fuente de potencia 76
Figura 39. Diagrama unifilar circuito de distribuci6n con capacitor para suicheo 77
Figura 40. Circuito equivalente para estudio de magnificaci6n de voltaje 77
Figura 41. Configuraci6n de estructura de 13.2 kV, neutro superior 79
Figura 42. Esquema circuital en Atpdraw para energizaci6n de un banco
capacitiv~ 80
Figura 43. Resultados esperados durante la energizaci6n 81
Figura 44. Esquema circuital en Atpdraw para estudio de magnificaci6n de
voltaje 82
Figura 45 . Diagrama unifilar de un sistema de distribuci6n 83
Figura 46. Configuraci6n de estructura de 13.2 kV, neutro inferior 85
Figura 47 . Configuraci6n red de 44 kV 86
Figura 48. Sistema industrial a analizar 89
Figura 49. Puente rectificador de seis pulsos 91
Figura 50. Suiche tipo 11 0 diodo 91
Figura 51 . Puente rectificador para simulacion 92
Figura 52. Puente rectificador en Atpdraw y variables de interes 93
Figura 53. Puente rectificador controlado 94
Figura 54 . Estrategia de control del puente 94
Figura 56. Generacion de un nuevo elemento con MODELS 99
Figura 57 . Incorporacion del modelo ARMO dentro de la librerfa de MODELS 99
Figura 58. Definicion de datos y nodos del modelo ARMO 100
Figura 59. Utilizacion de modelo ARMO en descomposicion de corriente del
puente 101
Figura 60. Resultado de la descomposicion armonica de la corriente 101
Figura 61 . Distorsion armonica del voltaje antes y despues del transformador 102
Figura 62. Diagrama en Atpdraw incluyendo el transformador potencia 103
Figura 63. Formas de onda del voltaje en baja con banco y sin banco capacitiv~ 104
Figura 64. Sistema base implementado en ATPDRAW 105
LISTA DE TABLAS
pag
Tabla 1. Archivo plano generado por la interfaz Atpdraw 34
Tabla 2. Archivo de resultados 36
Tabla 3. Archivo plano generado por la interfaz Atpdraw 70
Tabla 4. Estrategia de control para el puente en c6digo TACS 95
Tabla 5. Modelo completo del puente controlado en c6digo TACS 96
Tabla 6. Modelo ARMO en lenguaje MODELS 98
LlSTA DE ANEXOS
pag
ANEXO A. Determinaci6n de equivalente de Thevenin trifasico a partir de los
niveles de cortocircuito 108
ANEXO B. Soluci6n de la ecuaci6n de onda viajera 110
LIST A DE T ABLAS
pag
Tabla 1. Archivo plano generado por la interfaz Atpdraw 34
Tabla 2. Archivo de resultados 36
Tabla 3. Archivo plano generado por la interfaz Atpdraw 70
Tabla 4. Estrategia de control para el puente en c6digo TACS 95
Tabla 5. Modelo completo del puente control ado en c6digo TACS 96
Tabla 6. Modelo ARMO en lenguaje MODELS 98
LlSTA DE ANEXOS
pag
ANEXO A. Determinaci6n de equivalente de Thevenin trifasico a partir de los niveles de cortocircuito 108
ANEXO B. Soluci6n de la ecuaci6n de onda viajera 110
LlSTA DE SiMBOLOS
C Capacitancia.
Capacitancia de secuencia positiva de la linea. C1
Co Capacitancia de secuencia cera de la linea.
De Distancia media geometrica entre las cargas de los conductores y sus respectivas imagenes.
DELTAT Delta de tiempo de simulaci6n en el ATP.
Dgg Distancia media geometrica entre los cables de guarda.
Dguardas Distancia entre los cables de guarda.
DMG Distancia media geometrica entre fases.
DMGfg Distancia media geometrica entre los conductores de fase y los cables
de guarda.
DMGfases-imagenes Distancia media geometrica entre los conductores de fase y sus
imagenes.
DMGfases-imagenes guardas Distancia media geometrica entre los conductores de fase y las imagenes de los guardas.
DMGguardas-imagenes guardas Distancia media geometrica entre los cables de guarda y sus imagenes.
d Distancia.
C Permitividad electrica del medio.
Co Permitividad electrica del vacfo .