Estudios de Cortocircuito en Redes de Distribuciรณn 24 Agosto 2020
TEMARIO • • • • • • • • • •
Introducción Características típicas redes de distribución Redes desbalanceadas Normas de cortocircuito Importancia de la impedancia de secuencia cero. Valores típicos impedancia de secuencia cero Redes de Prueba IEEE para distribución Reguladores Niveles de cortocircuito altos Grupo de conexión de los Tx en la subestación. Efectos
TEMARIO • • • • • • •
Cables. Alta capacitancia Varios circuitos en la misma estructura Necesidad de niveles de CC y/o tiempos de operación bajos Solares Corrientes de secuencia negativa Niveles de corto mínimos. Bobina de Petersen
• Impedancia de falla. • Fusibles Limitadores de Corto • Circuitos Compactos o Ecológicos
40
Corrientes de Corto Circuito
I (pu)
Componente AC Componente DC Suma Ip
30
Ik"
Ip
Ib I(1/2) 20 I(1/2)
10
0 0.000
Ib
Ik "
0.020
0.040
0.060
-10
-20
Tiempo (Seg)
0.080
0.100
0.120
Corriente de Corto Circuito Simétrica. Especificaciones Técnicas Nivel cortocircuito simétrico (kA) Intensidad de interrupción simétrica Corriente nominal de corto circuito simétrica Corriente simétrica a tensión de servicio Intensidad de interrupción simétrica / asimétrica a tensión nominal 40
Componente AC Componente DC Suma Ip Ik"
I (pu)
30 20 10 0 0.000 -10 -20
0.020
0.040
0.060
0.080
Tiempo (Seg)
0.100
0.120
Características típicas redes de distribución • Radiales • Conductores 4/0 – 2/0 - 1/0 (ACSR) • Inicialmente 3F, pero también 2F y hasta 1F, es decir redes asimétricas • Cargas asimétricas (desbalanceadas): 3F (asimétricas), 2F, 1F • Tensiones usuales: 11.x kV, 13.2 kV, 13.8 kV. Otros lugares 1034.5 kV • Transformadores: 15 – 500 kVA. Muy típicos 50 kVA, 75 kVA, 125 kVA. Grupos de conexión: Dyn1, Dyn5, Yy0 Sistemas asimétricos (asymmetrical) y/o desbalanceados (unbalanced)
TEMARIO • Introducción • Características típicas redes de distribución • Redes desbalanceadas
Sistemas desbalanceados • Flujos de carga desbalanceados • Cortocircuitos desbalanceados o asimétricos: 1F, 2F, 2FT Consecuencia: impedancia de secuencia cero
CAGS
TEMARIO • • • •
Introducción Características típicas redes de distribución Flujos de carga en redes desbalanceadas Normas de cortocircuito
NORMAS DE CORTOCIRCUITO • IEC 60909 Short-circuit currents in three-phase a.c. systems – Part 0 Calculation of currents 2016 • ANSI C37.010 2016. Sistemas Trifásicos Conclusión: no aplican en sistemas que no sean 3F Recomendación: para estos nodos hacer uso de métodos que no son norma
NORMAS DE CORTOCIRCUITO Lo anterior significa que si en la siguiente red, al nodo N2, le llega una red 3F, si podemos hacer uso de las normas; pero si al nodo N3 le llega una red bifĂĄsica, no podemos utilizarlas
CONCLUSION: En una misma red se podrĂa utilizar norma y fuera de norma CAGS
Superposición con Flujos de Carga No son útiles, ya que el voltaje de “prefalla”, lo obtienen de un flujo de carga. Se deben utilizar normas o en su defecto: “superposición sin flujo de carga”, ya que en este caso, el voltaje de “prefalla”, es uno (1 pu) o un valor de norma
CAGS
TEMARIO • • • • •
Introducción Características típicas redes de distribución Redes desbalanceadas Normas de cortocircuito Importancia de la impedancia de secuencia cero.
Importancia de la impedancia de secuencia cero - Corriente
Importancia de la impedancia de secuencia cero - Corriente
CAGS
Importancia de la impedancia de Red de Distribuciรณn Desbalanceada Corrientesecuencia de secuencia cerocero - Corriente
Corriente de secuencia cero Corriente a tierra • La corriente de secuencia cero es la que llaman “corriente a tierra”. • Según los cálculos, en operación normal, es despreciable o incluso cero • Porque existe o se puede medir en las redes de distribución? – – – –
Transformadores Yy y cargas asimétricas Acoples capacitivos Modelado impreciso. Tramos asimétricos NO: Transformadores conectados a dos fases
TEMARIO • • • • • •
Introducción Características típicas redes de distribución Redes desbalanceadas Normas de cortocircuito Importancia de la impedancia de secuencia cero. Valores típicos impedancia de secuencia cero
Impedancia de secuencia cero •
Valores típicos impedancia de secuencia cero, para los tramos de línea: 2-4 positiva
• Si se modela la susceptancia de secuencia positiva, cuyo efecto en los resultados de flujo y corto es despreciable, entonces
Impedancia de secuencia cero Falla Trifรกsica (3F)
Falla Monofรกsica (1F)
Lejos de la subestaciรณn:
Impedancia de secuencia cero 3F
1F
CAGS
El nivel de corto 1F decae mรกs rรกpidamente que el 3F
TEMARIO • • • • • • •
Introducción Características típicas redes de distribución Flujos de carga en redes desbalanceadas Normas de cortocircuito Importancia de la impedancia de secuencia cero. Valores típicos impedancia de secuencia cero Redes de Prueba IEEE para redes de distribución
Redes de Prueba IEEE para distribución Casos Iniciales. •13-bus Feeder: Es un circuito pequeño a 4.16 kV y se utiliza para probar cosas básicas •34-bus Feeder: Localizado en Arizona y con un voltaje de 24.9 kV. Largo y ligeramente cargado. •37-bus Feeder: Localizado en California a 4.8 kV, en delta, subterráneo, reguladores en delta abierto. Poco común •123-bus Feeder: Circuito a 4.16, kV tiene fuertes caídas de tensión, modelos de carga, etc
Hay muchos otros sistemas de prueba https://site.ieee.org/pes-testfeeders/ Flujos de Carga
Redes de Prueba IEEE para distribución Casos Iniciales. •13-bus Feeder: Es un circuito pequeño a 4.16 kV y se utiliza para probar cosas básicas •34-bus Feeder: Localizado en Arizona y con un voltaje de 24.9 kV. Largo y ligeramente cargado. •37-bus Feeder: Localizado en California a 4.8 kV, en delta, subterráneo, reguladores en delta abierto. Poco común •123-bus Feeder: Circuito a 4.16, kV tiene fuertes caídas de tensión, modelos de carga, etc “Software developers are encouraged to test their software using these test feeders and to publish the results. The hope is that in time there will be agreement on the results in the same way that there is agreement on the various test systems used by network power-flow programs.” (Distribution System Analysis Subcomittee Report)
TEMARIO • • • • • • • •
Introducción Características típicas redes de distribución Flujos de carga en redes desbalanceadas Normas de cortocircuito Importancia de la impedancia de secuencia cero. Valores típicos impedancia de secuencia cero Redes de Prueba IEEE para redes de distribución Reguladores
Modelado de Reguladores Es un autotransformador con cambiador de taps, con la capacidad de monitorear continuamente el voltaje a su salida y ajustar por si mismo su tap, de tal forma que se logre un voltaje objetivo Traducciรณn Cooper
Modelado de Reguladores Debido a que es un autotransformador, se podrĂa demostrar que su impedancia de secuencia positiva, es casi despreciable. Del orden del 9%
Un valor tĂpico para
es del orden del 3.5% al 5%, por lo tanto
% Es un valor casi despreciable
TEMARIO • • • • • • • • •
Introducción Características típicas redes de distribución Flujos de carga en redes desbalanceadas Normas de cortocircuito Importancia de la impedancia de secuencia cero. Valores típicos impedancia de secuencia cero Redes de Prueba IEEE para redes de distribución Reguladores Niveles de cortocircuito altos
Niveles de cortocircuito altos • Niveles (3F o 1F) de cortocircuito relativamente altos, ocurren cuando se sobrepasan los 10-15 kA, en el barraje de la subestación • Al final de los circuitos o alimentadores, los niveles de cortocircuito son mucho menores y dependerá de la longitud de los mismos • En la red de 123 nodos de la IEEE, el nivel de corto al inicio es 13.2 kA (valor arbitrario) y en uno de los tantos extremos es 3.7 kA (Zf = 0, 1.2 kms)
Niveles de cortocircuito altos Existen muchas soluciones, pero para cada caso se debe evaluar una o varias posibles • • • • • •
Transformadores de alta impedancia Reactor de neutro Fusibles limitadores de corriente de corto Reactores de fase Evitar transformadores en paralelo No ubicar equipos en cercanías de la subestación
TEMARIO • • • • • • • • • •
Introducción Características típicas redes de distribución Flujos de carga en redes desbalanceadas Normas de cortocircuito Importancia de la impedancia de secuencia cero. Valores típicos impedancia de secuencia cero Redes de Prueba IEEE para redes de distribución Reguladores Niveles de cortocircuito altos Grupo de conexión de los Tx en la subestación. Efectos
Grupo de conexiรณn de los Tx en la subestaciรณn. Efectos 3F
1F
Grupo de conexiรณn de los Tx en la subestaciรณn. Efectos 3F
1F
El grupo Dyx filtra las corrientes de secuencia cero
CAGS
TEMARIO • Cables. Alta capacitancia
Cables. Alta capacitancia Cables aislados
CIGRE
Se utilizan mucho a la salida de subestaciones, zonas cĂŠntricas y culturales, etc
Cables. Alta capacitancia
Línea Aérea
Cables. Alta capacitancia
Efecto Flujo de Carga: excelente regulaciรณn de voltaje. Efecto Cortocircuito: ninguno
TEMARIO • Cables. Alta capacitancia • Varios circuitos en la misma estructura
Varios circuitos en la misma estructura
Circuitos Independientes
Circuitos acoplados
Varios circuitos en la misma estructura
TEMARIO • Cables. Alta capacitancia • Varios circuitos en la misma estructura • Necesidad de niveles de CC y/o tiempos de operación bajos
Necesidad de niveles de CC y/o tiempos de operación bajos En ocasiones, se quieren niveles de corto bajos o tiempos de operación bajos o ambos; para: • Seguridad de las personas • Disminuir energía disipada en los elementos • Disminuir posibilidad de daño en los elementos
Necesidad de niveles de CC y/o tiempos de operación bajos Zf = 0 Ω
I2t= 4.54 x 107
Zf = 10 Ω
I2t= 4.99 x 106
Zf = 100 Ω
TEMARIO • • • •
Cables. Alta capacitancia Varios circuitos en la misma estructura Necesidad de niveles de CC y/o tiempos de operación bajos Solares
Plantas PV - Solares IEC 60909 2016
Plantas PV - Solares Con renovables PV
Sin renovables PV
IEC 60909 2016
TEMARIO • • • • •
Cables. Alta capacitancia Varios circuitos en la misma estructura Necesidad de niveles bajos o tiempos de operación bajos Solares Corrientes de secuencia negativa
Corrientes de secuencia negativa
16.8% de 7.029
Corrientes de secuencia negativa
ABB Ref615 Al abrirse un conductor se presentan corrientes de secuencia negativas apreciables, que pueden ser Ăştiles para ajustar esta protecciĂłn.
33.33% de 300
TEMARIO • • • • • •
CAGS
Cables. Alta capacitancia Varios circuitos en la misma estructura Necesidad de niveles bajos o tiempos de operación bajos Solares Corrientes de secuencia negativa Niveles de corto mínimos.
Niveles de corto mínimos Cuando un conductor (fase) se desprende, en un punto de alta impedancia, las corrientes de cortocircuito monofásica son muy bajas (corrientes de secuencia negativa).
Zf = 0 Ω
Zf = 10 Ω
Zf = 100 Ω
Niveles de corto mínimos Recomendación: Obtener el nivel de corto (1F) en los extremos del circuito con una impedancia (resistencia) de falla típica (10-20 Ω). (0-40) El nivel de corto, debe ser igual o mayor al doble del ajuste de la protección
Si no se logra, insertar equipos de protección en el circuito
TEMARIO • • • • • • •
Cables. Alta capacitancia Varios circuitos en la misma estructura Necesidad de niveles de CC y/o tiempos de operación bajos Solares Protección con corrientes de secuencia negativa Niveles de corto mínimos. Bobina de Petersen
Bobina de Petersen Objetivo: instalar una bobina de alta impedancia entre el neutro y tierra del transformador de la subestaciรณn Se debe sintonizar con la capacitancia de los circuitos
Turri Roberto
Bobina de Petersen Antes
Con
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Cables. Alta capacitancia Varios circuitos en la misma estructura Necesidad de niveles de CC y/o tiempos de operación bajos Solares Protección con corrientes de secuencia negativa Niveles de corto mínimos. Bobina de Peterson Impedancia de falla.
Impedancia de falla • Para calcular máximo nivel de cortocircuito (3F, 1F, 2FT) las normas (IEC/ANSI) exigen que Zf = 0. • Generalmente es solo la parte resistiva. • La parte reactiva se desprecia
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Cables. Alta capacitancia Varios circuitos en la misma estructura Necesidad de niveles de CC y/o tiempos de operación bajos Solares Protección con corrientes de secuencia negativa Niveles de corto mínimos. Bobina de Petersen Impedancia de falla. Fusibles Limitadores de Corto
Fusibles Limitadores de Corto
ABB CAGS
Fusibles Limitadores de Corto • Son fusibles especiales que se caracterizan por operar muy rápidamente, ante altas corrientes de cortocircuito • Generalmente operan en un cuarto de ciclo. En 60 Hz, mas o menos 4 mseg • Si la corriente de corto es baja, operan como un fusible normal
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Cables. Alta capacitancia Varios circuitos en la misma estructura Necesidad de niveles de CC y/o tiempos de operación bajos Solares Protección con corrientes de secuencia negativa Niveles de corto mínimos. Bobina de Petersen Impedancia de falla. Las normas solicitan Zf=0 Fusibles Limitadores de Corto Circuitos Compactos o Ecológicos
Circuitos compactos o ecolรณgicos
Circuitos compactos o ecológicos IMPEDANCIA DE SECUENCIA POSITIVA
Deq Z11 ra j 0.1213 * Ln Ds
milla
IMPEDANCIA DE SECUENCIA CERO.
Donde
De3 Z 00 ra 3re j 0.1213 * Ln 2 D D s eq
milla
es la distancia (promedio) entre las fases
Disminuye Z1 : mejora la regulación; y aumenta Zo: malo para niveles de corto 1F lejos de la subestación
GRACIAS César Augusto Gallego Sánchez cagallegos@gmail.com 302 307 1111