TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS

1
TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS

• Dr. Armando Llamas
• Dr. Federico Viramontes
• Octubre 31 de 2011

2
Agenda

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

3
Terminación en capacitancia
4
Efecto del capacitor
V
V
0
0
t
t
V
V
0
0
-V
t
t
2V
2V
V
V
0
0
t
t
Circuito abierto El voltaje refractado cambia
instantáneamente de 0 a 2 V Capacitor El
voltaje refractado cambia de 0 a 2V de acuerdo a
la constante de tiempo, ZAC
5
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/38
652.30055.9967.55496/PDF/DEA-224.pdf
6
Terminación en inductancia
7
Efecto del inductor
V
V
0
0
t
t
V
V
0
0
-V
t
t
2V
2V
V
V
0
0
t
t
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.
8
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.

9
Protección contra sobre-voltajes.

• Descargas atmosféricas

10
Protección contra sobre-voltajes.

• 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.

11
Protección contra sobre-voltajes.

• 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

12
Protección contra sobre-voltajes.
Información tomada del Std 141-1993.
13
Protección contra sobre-voltajes.
Información tomada del Std 141-1993.
14
Protección contra sobre-voltajes.
Información tomada del Std 141-1993.
15
Protección contra sobre-voltajes.
Entre hierro
Vc10
Vt
Generador de impulso.
16
Protección contra sobre-voltajes.
17
Protección contra sobre-voltajes.
18
Protección contra sobre-voltajes.
19
Protección contra sobre-voltajes.
20
Ondas viajeras

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

LÍNEA

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

Capítulo 6 del libro Rojo.
21
Característica v-i apartarrayos
Cuando v Vref i 1 A
16.4.2 del texto Microtran handbook
22
Arreglo para v-i apartarrayos
23
Circuito para prueba de apartarrayos de óxido
metálico
El voltaje del apartarrayos se obtuvo con una
punta atenuadora con una relación de 9561
24
GE TRANQUELL de 4.5 kV rms
25
Vref 6 kV, a 50
i, A
v
26
Zener Suppressor P6KE15C
27
Varistor 150 MCOV
28
Gas Tube Surge Protector
29
Voltaje obtenido con la protección de la
resistencia no lineal de un supresor
Allan Greenwood, Electrical Transients in Power
Sysrtems, 2nd Edition, p 521
30
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
31
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
Capítulo 6 del libro Rojo.
32
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.

Capítulo 6 del libro Rojo.
33
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.

Capítulo 6 del libro Rojo.
34
Términos Empleados para describir formas de onda
de voltaje y de corriente
Capítulo 6 del libro Rojo.
35
Onda 1.2 / 50
100 110 kV ? Basic Impulse Level 110 kV
36
Ondas para pruebas de impulso
Capítulo 6 libro Rojo.
37
Niveles pruebas impulso transformadores aceite
Capítulo 6 libro Rojo.
38
Niveles básico aislamiento impulso
interruptores de potencia, y buses metal clad
Capítulo 6 libro Rojo.
39
Niveles de prueba de impulso transformadores
secos
Capítulo 6 libro Rojo.
Bil menor que el de transformadores en aceite.
40
Niveles prueba alto potencial para máquinas
Capítulo 6 libro Rojo.
41
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).

Capítulo 6 libro Rojo.
43
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.

Capítulo 6 libro Rojo.
44
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

Capítulo 6 libro Rojo.
45
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
En algunos casos falla aislamiento entre vueltas
y en otros falla el aislamiento a tierra
6.3.3 libro Rojo.
46
Propiedades físicas que afectan la resistencia
del aislamiento
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
6.3.3 libro Rojo.
47
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.
48
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)

49
Comentarios