(Práctica Lab Tec at i 2011 Simulacion Sobretensiones en Atp

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍAMECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD ADOLFO LÓPEZ MATEOS

PRÁCTICAS DE LABORATORIOTÉCNICA DE LAS ALTAS TENSIONES I

ELABORÓ

M. en. C. BALDOMERO GUEVARA CORTÉS

MÉXICO, D.F. ENERO 2011


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Prácticas de Laboratorio Técnica AT I 2011

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PROLOGO

La presente elaboración de las prácticas de la asignatura de Técnica de las Altas Tensiones I serealizó junto con los apuntes y tiene la finalidad de proporcionarle al estudiante de la carrera deIngeniería Eléctrica, un material de guía para que se cumplan los objetivos de dicha asignatura, elcual es el siguiente:

“El alumno analizará el origen, estudio y atenuación de las sobretensiones que se presentan en un sistema eléctrico de potencia, con el fin de garantizar buen diseño en los equipos eléctricos y control adecuado del Sistema Eléctrico de Potencia”.

El contenido de estas prácticas está dividido en dos partes principales:

a) Conocimiento del laboratorio de Alta Tensión, ubicada en los Laboratorios Pesados 2 de la ESIMEZacatenco. Las prácticas que corresponde a esta parte son desde la 1 a la 4, incluyendo un proyecto deinvestigación de transmisión de CD en Alta Tensión, que no es común en nuestro país.

b) Simulación de fenómenos transitorios utilizando el paquete computacional ATP-Draw de licencialibre. Esta parte corresponde las prácticas 5 a la 10, incluyendo un proyecto que abarca el estudio dediversos disturbios transitorios en un Sistema Eléctrico de Potencia.

M. en C. Baldomero Guevara CortésProfesor de la Academia de Potencia

Enero 2011


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LABORATORIO DE TÉCNICA DE LAS ALTAS TENSIONES I

PRÁCTICA 7Simulación de las sobretensiones atmosféricas en un SistemaEléctrico de Potencia

7.1 Objetivo

Al término de la práctica el alumno:

• Simulará los efectos de las sobretensiones atmosféricas en un Sistema Eléctrico de Potencia cuando un

rayo incide directamente en el conductor de fase y en el hilo de guarda.• Simulará el empleo del apartarrayo de ZnO como solución en la disminución de los transitorios por

descarga atmosférica.

7.2 Introducción teórica.

Para el estudio de los efectos de las descargas atmosféricas en los sistemas eléctricos, se hace referencianormalmente a las líneas de transmisión y a las subestaciones eléctricas tipo intemperie. Sin embargo, se daénfasis al caso de las líneas de transmisión por representar un punto del sistema que más expuesto está a laincidencia de las descargas atmosféricas, debido a que ocupa más espacio geográfico y a que pasa por zonas dedistinta constitución topográfica y climática.

La descarga atmosférica puede incidir en:

• Las torres• Los conductores de fase• Los cables de guarda

INVESTIGACIÓN: El alumno investiga! en "etalla el oigen "e las so#etensiones atmos$%i&as 'los m%to"os (aa &ontolalas)

7.3 Desarrollo

La red a modelar se muestra a continuación.


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Figura 7.1. SEP a modelar

Datos de los tramos:

1. Cable de doble circuito XLPE 1600mm2 disposición lineal con una separación de 50 cm por circuito yenterrados a una profundidad de 1.5 m. La resistividad del terreno es de 100 Ω m y la longitud del tramoes de 5300 m. El arreglo se muestra en la figura 7.2.

2. Línea de transmisión doble circuito calibre 1113 MCM, resistividad del terreno de 100 Ω m y laresistencia al pie de la torre es de 25 Ω. La longitud del tramo es de 750 m y su impedancia característicaes de 200 Ω. El arreglo se muestra en la figura 7.3.

3. Cable de doble circuito XLPE 1600mm2 disposición lineal con una separación de 50 cm por circuito yenterrados a una profundidad de 1.5 m. La resistividad del terreno es de 100 Ω m y la longitud del tramoes de 800 m. El arreglo se muestra en la figura 7.2.

4. Línea de transmisión doble circuito calibre 1113 MCM, resistividad del terreno de 100 Ω m y laresistencia al pie de la torre es de 25 Ω. La longitud del tramo es de 6 km y su impedancia característicaes de 200 Ω. El arreglo se muestra en la figura 7.3.

5. Línea de transmisión doble circuito calibre 1113 MCM, resistividad del terreno de 100 Ω m y laresistencia al pie de la torre es de 25 Ω. La longitud del tramo es de 5.65 km y su impedanciacaracterística es de 200 Ω. El arreglo se muestra en la figura 7.3.

6. Cable de un circuito XLPE 1600mm2 disposición lineal y enterrados a una profundidad de 1.5 m. Laresistividad del terreno es de 100 Ω m y la longitud del tramo es de 300 m.

7. Cable de un circuito XLPE 800mm

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disposición lineal y enterrados a una profundidad de 1.5 m. Laresistividad del terreno es de 100 Ω m y la longitud del tramo es de 600 m.



1 2 3 45

6Subestacionesgeneradoras

Subestacionestipo cliente

Descarga

atmosférica

CARGA 1

7 8 9 CARGA 2


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Figura 7.2. Arreglo de los cables subterráneos

Figura 7.3. Arreglo de las líneas aéreas

Datos de las subestaciones de generación:

Tres subestaciones generadoras con salida de 230 kV trifásico, 60 Hz, secuencia ABC.

Datos de las subestaciones tipo cliente:

Carga 1 100 MVA, FP = 0.8 (-) capacidad plena.Carga 2 100 MVA, FP = 0.8 (-) a una capacidad del 80%.

Datos del transitorio

Forma de onda doble exponencial 1.2/50 µs con una amplitud de 20 kA.

7.4 Análisis de resultados

1. Localice y analice los puntos de la red donde se tiene los valores más críticos (las sobretensiones máselevadas) al incidir las descargas atmosféricas (líneas e hilos de guarda), vistas desde las subestacionestipo cliente.

1. Registre los valores obtenidos de las simulaciones, dibuje el modelo, grafique sus curvas y calcule losvalores en pu de las sobretensiones originadas con los tiempos de amortiguamiento. Llene el siguientecuadro:

0.5 m

8.41

8.41

9.17

8.41

41.9

36.4

30.5

24.6

Acotación en

[m]


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Tabla 7.1 Sobretensiones por descarga atmosférica vistas desde las subestaciones

tipo cliente sin la instalación de los apartarrayos

CasoTensión dereferencia[kVcresta]

Sobretensión[kVcresta]

Valor en puTiempo de

amortiguamiento[ms]

Núm.caso

Fase AFase BFase C

ncasos

Fase AFase BFase C

3. Modele los casos críticos de la red con la instalación de unos apartarrayos de ZnO clase 172 kV en la

subestación tipo cliente de 230 kV. Cargue en el modelo del apartarrayo la curva V-I de acuerdo con laecuación 7.1 dado por el fabricante:

994358.8

3440009.38589

=

V I (7.1)

Analice y registre sus resultados llenando el siguiente cuadro.

Tabla 7.2 Sobretensiones por descarga atmosférica vistas desde las subestaciones

tipo cliente con la instalación de los apartarrayos




amortiguamiento[ms]

Núm.caso

Fase AFase BFase C

ncasos

Fase AFase BFase C

7.5 Cuestionario

1. Defina los siguientes conceptos:a) Flameo inverso; b) Resistividad del terreno; c) Impedancia característica; d) Atenuación de la onda.

7.6 Conclusiones

Interprete sus conclusiones en forma individual.


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7.7 Referencias

• L. Prikler, H. K. Hoidalen, “User’s Manual ATP for Windows 9x/NT/2000/XP/Vista/Windows 7 version5.6”, November 2009.

• E. Kuffel, W. S. Zaengl, “High Voltage Engineering”, Edit. Pergamon Press, 1984.

• M. Khalifa, “High Voltage Engineering”, Edit. Marcel Dekker, Inc., 1990.


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PRÁCTICA 8Simulación de las sobretensiones por maniobra en un Sistema

Eléctrico de Potencia

8.1 Objetivo


• Simulará las sobretensiones por maniobra en un Sistema Eléctrico de Potencia.• Simulará el empleo del apartarrayo de ZnO como solución en la disminución de los transitorios por

maniobra de interruptores de potencia.


Con el incremento de la tensión nominal de los sistemas de transmisión, necesario para satisfacer la demandade energía, los transitorios debidos por la maniobra de interruptores de potencia, han llegado a ser un factorimportante para el diseño de los aislamientos para alta y ultra alta tensión. Caso contrario sucede para lostransitorios debidas a la incidencia de descargas atmosféricas, que es un factor secundario para este tipo deredes.

Se tienen dos razones fundamentales que consideran dichos hechos:

• Las sobretensiones producidas en las líneas de transmisión por la incidencia de rayos, son únicamentedependientes de la tensión del sistema. Por lo tanto, su magnitud pico disminuye tanto como la tensióndel sistema aumenta.

• El aislamiento externo tiene su menor tensión de rompimiento al paso de un transitorio, el cual, sufrente cae en el rango de 50 a 500 µs, por lo que es un transitorio típico de maniobra.

De acuerdo con la norma IEC 71, recomienda que todos los equipos diseñados para operar a tensionessuperiores de 300 kV, se deban de probar con impulsos de maniobra.

Se tienen una gran variedad de eventos que iniciarían un transitorio por maniobra en un sistema de potencia.La operación de interruptores es de gran relevancia para el diseño de aislamiento y que pueden ser clasificadascomo:

1) Energización de una línea de transmisión y cables.

a) Energización de una línea de transmisión que está en circuito abierto su extremo lejano.b) Energización de una línea que es terminado por un transformador en vacío.c) Energización de una línea a través del lado de baja tensión de un transformador.


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Tabla 8.1 Sobretensiones por maniobra vistas desde la subestación

tipo cliente sin la instalación de los apartarrayos




amortiguamiento[ms]

Núm.caso

Fase AFase BFase C

ncasos

Fase AFase BFase C

3. De los casos a considerar, sincronice los disparos de los interruptores (considere la onda de tensión en

fase a la de la corriente y que ésta pase por el cero natural de la onda senoidal), y el caso contrario,cuando los disparos de los interruptores pases por el valor máximo de la onda de tensión. Obtenga susgráficas y analice sus resultados.

4. Modele los casos críticos de la red con la instalación de unos apartarrayos de ZnO clase 172 kV en lasubestación tipo cliente de 230 kV. Realice el procedimiento sugerido en el apartado 7.4 inciso 3.Analice y registre sus resultados llenando el siguiente cuadro.

Tabla 8.2 Sobretensiones por maniobra vistas desde la subestación

tipo cliente con la instalación de los apartarrayos




amortiguamiento[ms]

Núm.caso

Fase AFase BFase C

ncasos

Fase AFase BFase C

8.5 Cuestionario

1. Defina los siguientes conceptos:a) Resistencia de preinserción; b) Tensión transitoria de restablecimiento; c) Reencendido del arco.

8.6 Conclusiones



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8.7 Referencias

• L. Prikler, H. K. Hoidalen, “User’s Manual ATP for Windows 9x/NT/2000/XP/Vista/Windows 7 version5.6”, November 2009.




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PRÁCTICA 9Simulación de las sobretensiones temporales en un SistemaEléctrico de Potencia

9.1 Objetivo


• Simulará las sobretensiones temporales ante una falla de fase a tierra y una falla bifásica a tierra en unSistema Eléctrico de Potencia.


Las sobretensiones temporales se caracterizan por su amplitud, forma de onda y un tiempo de duración. Estassobretensiones son las que presentan el tiempo de duración más grande, que puede variar algunos ciclos hastaalgunos segundos y su forma de onda resulta ser una oscilación no amortiguada o ligeramente amortiguada auna frecuencia igual o cercana a la del sistema. Para fines de coordinación de aislamiento, se puede consideraruna forma de onda de tensión igual a la tensión de frecuencia industrial y una duración de un minuto.

Las fuentes de generación de las sobretensiones temporales son las siguientes:

• Sobretensiones por una falla de fase a tierra.• Sobretensiones por pérdida súbita de carga o rechazo de carga.• Sobretensiones por efecto Ferranti.• Sobretensiones por ferroresonancia.• Sobretensiones por armónicas.

INVESTIGACIÓN: El alumno investiga! en "etalla el oigen "e las so#etensiones tem(oales 'los m%to"os (aa &ontolalas)

9.3 Desarrollo

La red a modelar se muestra a continuación, aplicando una falla de fase a tierra y una falla bifásica en el nodoindicado.


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Figura 9.1. SEP a modelar

Los datos de las líneas, cables y de las subestaciones generadoras y del cliente, se describen en el apartado 7.3.


1. Localice y analice los puntos de la red cortocircuitando una fase a tierra, de tal manera de obtener lascondiciones más críticas. Posteriormente, realizar el mismo procedimiento para la falla bifásica a tierra.Se recomienda ajustar los tiempos de interrupción de los interruptores cuando la onda de tensión pasepor el cero natural.

2. Registre los valores obtenidos de las simulaciones, dibujando el modelo, grafique sus curvas y calculelos valores en pu de las sobretensiones originadas para ambos tipos de falla.

Tabla 9.1 Sobretensiones temporales vistas desde la subestacióntipo cliente para falla monofásica y bifásica.



Valor en pu

Núm.caso

Fase AFase BFase C

ncasos

Fase AFase BFase C

9.5 Cuestionario

1. Describa las demás fuentes de generación de las sobretensiones temporales.

9.6 Conclusiones


1 2 3 4

5

6

Subestacionesgeneradoras

CARGA 1

7 8 9

a

b

Una y dos fases a tierra

CARGA 2

Subestacionestipo cliente


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9.7 Referencias

• L. Prikler, H. K. Hoidalen, “User’s Manual ATP for Windows 9x/NT/2000/XP version 3.5”, October

2002.




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PRÁCTICA 10 - PROYECTO 2Simulación de disturbios comunes en los Sistemas Eléctricosde Potencia

10.1 Objetivo


• Simulará los disturbios comunes en los Sistemas Eléctricos de Potencia, tales como inducción

electromagnética entre líneas de transmisión paralelas y operación de banco de capacitares en lassubestaciones eléctricas.


El alumno investigará los efectos que puede traer como consecuencia la inducción electromagnética entrelíneas aéreas paralelas y la operación de banco de capacitares en las subestaciones eléctricas.

10.3 Desarrollo

10.3.1 Inducción electromagnética entre líneas paralelas.

Se tiene un derecho de vía donde se tienen dos sistemas de transmisión de diferente tensión:

A= Sistema de transmisión doble circuito a 230 kV.B= Sistema de transmisión doble circuito a 400 kV.

Los datos de las líneas y las dimensiones de las torres se muestran en las figuras (10.1) y (10.2)

Figura 10.1. Diagrama unifilar del sistema bajo estudio.

230 kV 230 kV1113 MCM ACSR 2 conductores por fase, 15 km

400 kV 400 kV

1113 MCM ACSR 3 conductores por fase, 15 km

A

B

Zona de inducciónelectromagnética bajo estudio


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Figura 10.2. Dimensiones de las dos torres de 400 y 230 kV paralelas

a) Se desea conocer el estado de inducción de la zona marcada bajo estudio cuando el sistema detransmisión A se encuentre “en licencia” y el sistema de transmisión B se encuentre energizado yviceversa.

b) Analice el transitorio inducido cuando se reenergiza el sistema A hacia el B (que está fuera de servicio)y el caso contrario (A fuera de servicio y B se reenergiza).

Zona de inducciónelectromagnética bajo estudio


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Datos del estudio:

• Resistividad promedio del terreno 50 Ohms metro.

• Sin sincronización de cierre de los interruptores.• Considere una impedancia de 57.5 + j18.89 Ohms conectadas a las líneas de 230 y 400 kV.

10.3.2 Análisis transitorio de la energización de un banco de capacitores.

Se desea analizar los transitorios provocados al energizar un banco de capacitores y la deformación de lasseñales de tensión en estado estable de las barras de 85 kV cuando una quinta armónica se sintoniza con lacapacitancia del banco y con la inductancia de la red. La carga tiene un valor de 57.5 + j18.89 Ohms.

La red a simular se muestra a continuación:

Fig. 10.3 Energización de un banco de capacitores en un SEP.

a) Obtenga la forma de onda de la sobretensión en la barra de 85 kV en el momento que entra en operación

el banco de capacitores a un tiempo de 0.01667 s.

b) Obtenga la corriente de energización del banco de capacitores y compárelo con la corriente a plena cargasin banco de capacitores en la barra de 85 kV.

b) Calcule la frecuencia natural de la red a partir de la siguiente ecuación:

LC f NAT

π 2

1= (10.1)

c) Obtenga la forma de onda y el espectro armónico en la barra de 85 kV empleando el análisis de Fourier

cuando entró en operación el banco de capacitores. Considere las siguientes fuentes de armónicas que seconectarán a la fuente de CA:

Fase Magnitud Frecuencia ÁnguloA 625 V 300 Hz 85.24B 623 V 300 Hz 198.43C 601 V 300 Hz 326.26

d) Obtenga la forma de onda y el espectro armónico cuando el banco de capacitores entró en operacióndespués de un largo tiempo. Compárelo con el espectro del inciso c) y analice sus resultados.

Sistema y la línea

1.56+j8.85 Ohms

Z thevenin

Banco decapacitores

-j231.57 Ohms

85 kV

Vth1.0 pu

Carga


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1. Analice todos los resultados obtenidos de las simulaciones, reportando el modelo empleado, cuadros

representativos y sus curvas de respuesta.

10.5 Conclusiones

De acuerdo con el análisis de resultados, concluya sus estudios justificando sus afirmaciones.

10.6 Referencias

• L. Prikler, H. K. Hoidalen, “User’s Manual ATP for Windows 9x/NT/2000/XP/Vista/Windows 7 version

5.6”, November 2009.



• E. Belmonte, “Análisis Transitorio Electromagnético Línea Teotihuacan-Valle de México-Lago(230/400 kV)”, LFC Subdirección de Planeación Estratégica, Sección de Estudios Eléctricos, Enero2005.

• L. Cisneros, M. Gámez, “Medición y Simulación en ATP del Transitorio de Energización ySintonización de Quinta Armónica del Banco de Capacitores de 85 kV de la Subestación Remedios”,

RVP-AI/02-DIS-01, Acapulco Gro., Julio 2002.

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