Trabajo sobre selección de DPS.
Curso.
Alto Voltaje.
Por:
Diego Hernández mejía.
C.C 1055830474
Docente:
Clara Rosa Rojo Ceballos.
Universidad Nacional de ColombiaSede Medellín
Noviembre de 2013
Se presenta el diagrama unifilar para el trabajo de selección de DPS.
Figura1. Diagrama unifilar del sistema.
Sistema eléctrico:
LINEA: 12 Km longitud, R1=0.7 ohm/Km X1=0,7 ohm/km X0=1.2 ohm/km
SISTEMA 1: 1100 MVA 110kV
SISTEMA 2: 2100 MVA 210kV
T1: 230KV/115KV/34.5KV XHL=0.10 (230KV-181MVA)
(3Φ) XHT=0.06 (34.5KV-61MVA)
XLT=0.04 (34.5KV-61MVA)
T2: 3Φ 31MVA 34.5KV/10KV XT =0.10
CARGA: 10 MVARS tipo inductivo conectada en delta
Puntos de falla demarcados en la figura 1.
Voltajes máximos 245 kV, 123kV, 36.5 kV.
S1S2
LINEADELTA
Y aterrizado Y aterrizado X=2j
CARGA
DELTA
Y aterrizadoX=3j
SOLUCION.
1. Las bases seleccionadas para el sistema son Vbase=210kV y MVA base=2100 Ahora procedemos a pasar por unidad el sistema.
Las zonas del sistema se demarcan en la figura 2.
Figura 1 Zonas del sistema
Ahora se procede a calcular las cantidades base del sistema del cual se han identificado 5 zonas como se muestra en la figura 2. El voltaje base se encuentra en la zona I los demás voltajes se calculan teniendo en cuenta la relación de transformación del trafo tridevanado T1 y del trafo T2, se usan las expresiones [1] y [2]
Zb=V b
2
Sb[1]
I b=Sb
2
√3V b
[2]
Los resultados son mostrados en la tabla 1.
ZONAS S3ø BASE (MVA)
VLL B (KV)
I B (kA) Z B (Ω)
I 2100 105 11.55 5.25II 2100 210 5.77 21III 2100 31.5 38.49 0.473IV 2100 10.04 121.24 0.0476
Se continúa con el proceso esta vez corrigiendo la impedancia en por unidad:
Impedancia total línea:
¿12∗0.7 (1+ j )=8.48 (1+ j)ohm
Por unidad
X p . u .Linea=8.48(1+ j)
0.473=17.756(1+ j)
La impedancia por unidad del sistema 1:
X p . u .S 1=V bfab
2
Sb fab
1ZbNuevo
= 1102
11001
5.25=2.095
La impedancia por unidad del sistema 2:
X p . u .S 1=V bfab
2
Sb fab
1Zb Nuevo
=
2102
2100∗1
21=1
Impedancia por unidad del transformador 1:
ZH=12 ( ZHL+ZHT−Z¿)[3]
ZT=12 ( ZHT+Z¿−Z HL)[4 ]
ZL=12 (Z¿+ZHL−ZHT )[5 ]
Haciendo las correcciones según la relación:
X p . u .Nuevo=X p .u .fabV bfab
2
Sbfab
1ZbNuevo
[6 ]
X p . u .HL=0.1 2302
181121
=1.39
X p . u .HT=0.06 2302
61= 1
21=2.48
X p . u .¿=0.04
34.52
61∗1
1.65=1.65
Resolviendo las ecuaciones 3 a 5 se tiene que:
X p . u .H=1.11 X p. u .L=0.28 X p .u .T=1.37
Impedancia por unidad del transformador 2:
X p . u .T 2=0.10 34.52
311
0.4725=8.13
Impedancia por unidad de la carga:
X p . u .carga=112
101
0.048=252.08
Fuente para el sistema 1
X p . u .V 1=Voltaje fuente
Voltaje base zona=110
105=1.05
Fuente para el sistema 2
X p . u .V 2=Voltaje fuente
Voltaje base zona=210
210=1
Luego el SEP queda definido por las cantidades por unidad como lo muestra la figura 3.
Figura 2. Sistema por unidad.
2. Redes de secuencia.
Las redes de secuencia permiten obtener las componentes simétricas de los voltajes y corrientes en condición de falla, Para calcular el factor de aterrizamiento es necesario simplificar las redes de secuencia. Esta simplificación se hace por medio de herramientas circuitales como por ejemplo transformación de fuentes, transformaciones delta- estrella, etc. para finalmente llegar a las redes que se presentan continuación.
Se muestran las secuencias respectivas para la falla 1:
Figura 3. Falla 1
Secuencia positiva:
Falla 2Falla 1
Figura 4. Simplificacion de secuancia positiva.
Secuencia negativa:
Figura 5 Simplificacion de secuencia negativa.
Secuencia cero:
En este caso se tiene en cuenta la impedancia de aterrizamiento del tafo.
Figura 6. Impedancia de secuancia cero.
3. Para calcular el factor de aterrizamiento en el punto de falla se deben conectar en serie las tres redes de secuencia simplificadas para determinar Ia0.
I a0= 1
2.47 j+2.47 j+57.64 j=0.0166⦟−90
Figura 7. Circuito para determinar Ia0.
La corriente de falla IA se calcula con la siguiente expresión:
I A=3 I a0=0.0479⦟−90
Para calcular Va1, Va2 y Va0:
V a1=1−I a
0 Z1
V a2=−I a
0 Z2
V a0=−I a
0 Z0
Reemplazando en las ecuaciones:
V a1=0.960
V a2=−0.039
V a0=−0.921
Los volatjes reales en la falla monofasica son:
V aF=V a0+V a
1+V a0=−0.00000176 ≈ 0
V bF=V a0+a2V a
1+a V a2=(1.63⦟−147.9)
V aF=0
Finalmente el factor de aterrizamiento se calcula con la expresión:
F A=Vfase sanadurante la falla
V prefalla[7]
F A=|0.4622−0.866 j0.96 |=1.7
4. Selección de DPS
Voltaje maximo de 36.5kV
Del enunciado del trabajo tenemos que las tensiones nominales del sistema son:
V n 1=34.5 kV V Máx1=36 kV
Tensión máxima de operación continúa (por fase).
MCOV =V Máx
√3=20.78 kV
Sobre Voltaje temporal:
TOV =F A∗MCOV [8]
Donde FA es el factor de aterrizamiento y MCOV se calculo en el item anterior, reemplazando 8 obtenemos:
TOV =35.326 kV
Voltajes nominales tentativos para el DPS:
V R1=MCOV
FT 1[9] V R 2=
TOVFT 2
[10]
Donde:
FT 1 es 0.8 que es un valor normalmente encontrado en el proceso de selección de DPS.
FT 2 es 1.06, para un tiempo de diseño de descarga de 10seg.
V R 1=25.98 kV V R2=33.33 kV
Se selecciona V R2como voltaje de diseño, ya que V R 2>V R 1
Factor de tolerancia: Ya que la tensión del sistema es superior a 30 kV el factor de tolerancia será del 105% del voltaje nominal de diseño.
V r=1.05∗V R 2 [11]
V r=35 kV
En el catalogo de ABB se selecciona un DPS acorde al nivel de tension, la figura 8 muestra la selección.
Figura 8. Caracteristicas de DPS para nivel de tension de tension de 36.5kV
Para un impulso de 10kA, 8/20μs el NPR= 93.3kV.
Para un impulso de 0.5kA, 30/60μs el NPM= 74.1kV.
BIL y BSL.
Se calcula el mínimo valor para impulsos tipo rayo; definido como:
BIL=K r∗NPR [12]
Donde el factor K r=1.25 (factor de seguridad); con lo que se obtiene una tensión de 116.625 kV
Para normalizar estos valores, nos remitimos a los valores de niveles de aislamiento fase tierra normalizados.
BILNorm=145Para el BSL utilizamos la ecuacion 13:
BSL=Km∗BIL [13]
Con Km=0.83, para equipos sumergidos en aceite (Transformador tridevanado).
BSL=120.35kV
Ahora, con estos datos checamos que se cumpla la relación:
BSLNPM
>1.2
BSLNPM
=120.3574.1
=1.624>1.15
Con esto comprobamos que nuestros DPS seleccionados cumplen.
Voltaje maximo de 123 kV
V n 1=115 kV V Máx1=123 kV
MCOV =V Máx
√3=71.01kV
TOV =F A∗MCOV =120.72 kV
V R 1=MCOV
FT 1=71.01
0.8=88.77 kV
V R 2=TOVFT 2
=120.721.06
=113.89 kV
V r=1.05∗V R 2
V r=119.6kV
En el catalogo de ABB se selecciona un DPS acorde al nivel de tension, la figura 8 muestra la selección.
Figura 9. Caracteristicas de DPS para nivel de tension de tension de 123kV
Para un impulso de 10kA, 8/20μs el NPR= 273kV.
Para un impulso de 0.5kA, 30/60μs el NPM= 234kV.
BIL=K r∗NPR=341.25 kV
K r=1.25
BILNorm=450
BSL=Km∗BIL=373.5
Km=0.83
BSLNPM
>1.2
BSLNPM
=373.5234
=1.59>1.15
Voltaje maximo de 245kV
V n 1=230 kV V Máx1=245 kV
MCOV =V Máx
√3=141.45 kV
TOV =F A∗MCOV =240.47 kV
V R 1=MCOV
FT 1=141.45
0.8=176.81kV
V R 2=TOVFT 2
=240.471.06
=226.86 kV
V r=1.05∗V R 2
V r=238.20 kV
Figura 10. Caracteristicas de DPS para nivel de tension de tension de 245kV
Para un impulso de 10kA, 8/20μs el NPR= 536kV.
Para un impulso de 0.5kA, 30/60μs el NPM= 438kV.
BIL=K r∗NPR=670 kV
K r=1.25
BILNorm=650
BSL=Km∗BIL=556.1
Km=0.83
BSLNPM
>1.2
BSLNPM
=556.1438
=1.27>1.15
5. DPS
36KV
Brief performance dataSystem voltages (Um) 24 - 170 kVRated voltages (Ur) 18 - 144 kVNominal discharge current (IEC)
10 kApeak
Discharge current withstand strength:High current 4/10 μsLow current 2 000 μs
100 kApeak600 Apeak
Energy capability:Line discharge class (IEC)[2 impulses, (IEC Cl. 8.5.5)Fulfils/exceeds requirements of ANSI transmission-line discharge test for 170 kV systems.
Class 25.1 kJ/kV (Ur)]
Short-circuit/Pressure relief capability
50 kAsym
External insulation Fulfils/exceeds standardsMechanical strength:Specified long-term load (SLL)Specified short-term load (SSL)
1 000 Nm1 600 Nm
Service conditions:Ambient temperatureDesign altitudeFrequency
-50 °C to +45 °Cmax. 1 000 m15 - 62 Hz
123kV
Brief performance dataSystem voltages (Um) 52 - 420 kV
Figura 11. DPS para 36 kV
Rated voltages (Ur) 42 - 360 kV
Nominal discharge current (IEC)
20 kApeak
Classifying current (ANSI/IEEE) 15 kApeakDischarge current withstand strength:High current 4/10 μsLow current 2 000 μs
100 kApeak1 500 Apeak
Energy capability:Line discharge class (IEC)[2 impulses, (IEC Cl. 8.5.5)Fulfils/exceeds requirements of ANSI transmission-line discharge test for 362 kV systems.
Class 412.0 kJ/kV (Ur)]
Short-circuit/Pressure relief capability
65 kAsym
External insulation Fulfils/exceeds standardsMechanical strength:Specified long-term load (SLL)Specified short-term load (SSL)
2 500 Nm4 000 Nm
Service conditions:Ambient temperatureDesign altitudeFrequency
-50 °C to +45 °Cmax. 1 000 m15 - 62 Hz
245kV
Brief performance data
Figura 12. DPS para 123 kV
System voltages (Um) 52 - 420 kV
Rated voltages (Ur) 42 - 360 kVNominal discharge current (IEC)
10 kApeak
Classifying current (ANSI/IEEE) 10 kApeakDischarge current withstand strength:High current 4/10 μsLow current 2 000 μs
100 kApeak1 000 Apeak
Energy capability:Line discharge class (IEC)[2 impulses, (IEC Cl. 8.5.5)Fulfils/exceeds requirements of ANSI transmission-line discharge test for 170 kV systems.
Class 37.8 kJ/kV (Ur)]
Short-circuit/Pressure relief capability
50 kAsym
External insulation Fulfils/exceeds standardsMechanical strength:Specified long-term load (SLL)Specified short-term load (SSL)
2 500 Nm4 000 Nm
Service conditions:Ambient temperatureDesign altitudeFrequency
-50 °C to +45 °Cmax. 1 000 m15 - 62 Hz
Bibliografia.
Catalogos de ABB, “High Voltage Surge Arresters Buyer´s Guide”.
Software TEXAS INSTRUMENTS. “Tina”.
Figura 13. DPS para 245 kV