TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS

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TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS

Dr. Armando LlamasDr. Federico Viramontes

Octubre 31 de 2011

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Agenda

• Solución de la tarea.• Apartarrayos.• Protección contra fenómenos

transitorios.• Comentarios.

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Terminación en capacitancia

Cs1

s

CZ

sCZ

sVsV

ZsZs

sV

ZCs

ZCssV

sVsV

tuVtv

A

Ar

A

A

A

A

r

i

i

1

1

1

1

tueVtv

tueVtv

VeeVtv

CZs

V

CZss

CZVsV

CZt

R

CZt

r

CZt

CZt

r

AA

Ar

A

A

AA

22

21

1

11

1

1

4

Efecto del capacitor

tvi

tvr

tvR

t

t

t

tvr

tvi

tvR

t

t

t

Cs1

0-V

+V

0

+V

0

+V

0

+V

+2V

0

+V

0

+V

+2V

Circuito abierto: El voltaje refractado cambia instantáneamente de 0 a 2 VCapacitor: El voltaje refractado cambia de 0 a 2V de acuerdo a la constante de tiempo, ZAC

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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

http://www02.abb.com/global/abbzh/abbzh289.nsf/viewunid/5642fa92f4445aa9c1256c38005248ea/$file/surgecap3.jpg

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Terminación en inductancia

Ls

LZs

LZs

sVsV

L

LZLsZLs

sVsV

sVsV

tuVtv

A

A

r

A

Ar

i

i

1

1

tueVtv

tueVtv

eVVetv

LZss

LZ

V

LZs

VsV

LtZ

R

LtZ

r

LtZ

LtZ

r

A

A

Ar

A

A

AA

2

21

1

1

7

Efecto del inductor

tvi

tvr

tvR

t

t

t

tvr

tvi

tvR

t

t

t

0-V

+V

0

+V

0

+V

0

+V

+2V

0

+V

0

+V

+2V

Ls

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.

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.

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Descargas atmosféricas:

Carga acumulada por una descarga eléctrica.

Onda viajera.

Línea de transmisión.

Onda viajera.


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.

10


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

11


12

Información tomada del Std 141-1993.


13

Información tomada del Std 141-1993.


14Información tomada del Std 141-1993.


15

VtVc10

Entre hierro

Generador de impulso.


16

Vc10Vt

sv

sC1

sC1RI(s)

0λidC1λid

C1 λid

C1iR

c10

21

t

02

t

01

0

1

21

21eq

f

CCCCC

tt0 Para


17

u(t)e1CC

CvidλC1v

u(t)eR

vu(t)eR

vi(t)

1/RCsRvI(s)

21

21

21

21

eq

CRC)Ct(C

21

1c10

t

02t

CRC)Ct(C

c10t/RCc10

eq

c10


18

paralelo.en Conexión

CCC

tt tPara

21eq

ff

Vt

c1021

1

21

0

2

2t

21

022

c1021

1

21

0

1

1t

21

011

021

12212

2

1

1t

c1010

vCC

CCC

QCQv

CCQCQ

vCC

CCC

QCQv

CCQCQ

QQQ

CQCQCQ

CQv

vCQ


19

u(t)evCC

Cv

u(t)evCC

Cv

: tienese CR circuitoun Para

212

eq2

CCRt

c1021

1t

CRt

c1021

1t

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Ondas viajeras

•Los frentes de onda se amortiguan a medida que viajan; sin embargo, se instalan apartarrayos al menos en los extremos de la línea.

LÍNEA

•Una descarga atmosférica da lugar a un frente pronunciado que viaja en ambos sentidos.

Capítulo 6 del libro Rojo.

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Característica v-i apartarrayosv, kV

-600-400-200

0200400600

-300 -200 -100 0 100 200 300

i, A

26400

)(

kVV

vsignVv

i

REF

REF Cuando v = Vref i = 1 A

16.4.2 del texto + Microtran handbook

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Arreglo para v-i apartarrayos

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Circuito para prueba de apartarrayos de óxido metálico

Vivo

Neutro

Tierra

Variac

Transformador de alto voltaje

Apartarrayos

990 I

V

El voltaje del apartarrayos se obtuvo con una punta atenuadora con una relación de 956:1

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GE TRANQUELL de 4.5 kV rms

-1

-0.5

0

0.5

1

-12000 -6000 0 6000 12000

v, V

i, mA

25

Vref = 6 kV, = 50

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000

v

i, A

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Zener Suppressor P6KE15C

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

voltaje (V)

corr

ient

e (m

A)

a) supresor zener

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

voltaje (V)

corr

ient

e (m

A)

a) supresor zener

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Varistor 150 MCOV

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-300 -200 -100 0 100 200 300

voltaje (V)

corr

ient

e (m

A)

b) MOV de 150 Vrms

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-300 -200 -100 0 100 200 300

voltaje (V)

corr

ient

e (m

A)

b) MOV de 150 Vrms

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Gas Tube Surge Protector

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

-100 -50 0 50 100

corr

ient

e (A

)

voltaje (V)c) Tubo de Gas

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

-100 -50 0 50 100

corr

ient

e (A

)

voltaje (V)-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

-100 -50 0 50 100

corr

ient

e (A

)

voltaje (V)c) Tubo de Gas

http://www.citelprotection.com/citel/3_element.htm

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Voltaje obtenido con la protección de la resistencia no lineal de un supresorvoc

t

v

i

t

2

3

4

1

Zs

5

v

1’ 2’

3’

5’

4’

característica v-i del supresor

voltajes de circuitoabierto

1

corrientes de corto circuito

El voltaje a la salida del supresordepende de:

•La carecterísticav-I delsupresor•La impedancia del circuitode donde proviene eldisturbio

Allan Greenwood, Electrical Transients in Power Sysrtems, 2nd Edition, p 521

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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

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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


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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.


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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.


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Términos Empleados para describir formas de onda de voltaje y de corriente


35

Onda 1.2 / 50

50, 50

1.2, 100

0102030405060708090

100

0 20 40 60 80 100

tiempo, ms

volta

je o

cor

rient

e en

por

cent

aje

del v

alor

de

cres

ta

100% = 110 kV Basic Impulse Level = 110 kV

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Ondas para pruebas de impulso

Capítulo 6 libro Rojo.

37

Niveles pruebas impulso transformadores aceite


38

Niveles básico aislamiento impulso – interruptores de potencia, y buses “metal clad”


39

Niveles de prueba de impulso – transformadores secos


Bil menor que el de transformadores en aceite.

40

Niveles prueba alto potencial para máquinas


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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).


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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.


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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


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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

6.3.3 libro Rojo.

En algunos casos falla aislamiento entre vueltas y en otros falla el aislamiento a tierra

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Propiedades físicas que afectan la resistencia del aislamiento

6.3.3 libro Rojo.

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

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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.

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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)

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Comentarios

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