Estudio Sobretensiones Cortocircuito MT

ESTUDIO DE SOBRETENSIONES DEBIDAS A CORTOCIRCUITOS FASE-TIERRA EN

REDES DE MEDIA TENSIN PARA

DISTINTOS REGMENES DE NEUTRO

Autor: Daniel Amat Gonzlez

Tutor: Pedro Luis Cruz Romero

Marzo 2014

Proyecto Final de Carrera

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA UNIVERSIDAD DE SEVILLA

Estudio de sobretensiones debidas a cortocircuitos fase-tierra en redes de media tensin para distintos regmenes de neutro

Daniel Amat Gonzlez Pgina 2

NDICE

1 OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO .................................................................................8

2 INTRODUCCIN ..................................................................................................................9

2.1 ES IMPORTANTE CONOCER LAS SOBRETENSIONES? ....................................................................9 2.2 POR QU PONER EL NEUTRO A TIERRA? ...................................................................................9 2.3 POR QU HAY DISTINTOS REGMENES DE NEUTRO? ....................................................................9

3 SISTEMAS DE DISTRIBUCIN ............................................................................................ 10

3.1 SISTEMAS SIN CONEXIN A TIERRA......................................................................................... 10 3.2 SISTEMAS CON CONEXIN A TIERRA ....................................................................................... 10 3.2.1 TRES CABLES CON NICA CONEXIN A TIERRA ......................................................................... 10 3.2.2 CUATRO CABLES CON MLTIPLES CONEXIONES A TIERRA ........................................................... 11 3.2.3 CUATRO CABLES CON NICA CONEXIN A TIERRA .................................................................... 11 3.2.4 TRANSFORMADORES DE PUESTA A TIERRA ............................................................................. 12

4 TIPOLOGA DE SOBRETENSIONES ..................................................................................... 13

4.1 CLASIFICACIN POR SU DURACIN ......................................................................................... 13 4.1.1 SOBRETENSIONES DE FRENTE MUY RPIDO (VERY FAST FRONT OVERVOLTAGE) ............................. 13 4.1.2 SOBRETENSIONES DE FRENTE RPIDO (FAST FRONT OVERVOLTAGE) ........................................... 13 4.1.3 SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO (SLOW FRONT OVERVOLTAGE) ........................................... 14 4.1.4 SOBRETENSIONES TEMPORALES (TEMPORARY OVERVOLTAGE) ................................................... 14

5 TIPOLOGA DE LOS CORTOCIRCUITOS ............................................................................... 15

5.1 CORTOCIRCUITO TRIFSICO SIMTRICO ................................................................................... 15 5.2 CORTOCIRCUITO BIFSICO .................................................................................................... 15 5.3 CORTOCIRCUITO MONOFSICO AISLADO ................................................................................. 15 5.4 CORTOCIRCUITOS A TIERRA .................................................................................................. 15 5.4.1 CORTOCIRCUITO BIFSICO A TIERRA ..................................................................................... 15 5.4.2 CORTOCIRCUITO MONOFSICO A TIERRA ............................................................................... 15

6 CONSIDERACIONES TERICAS PREVIAS ............................................................................ 16

6.1 COEFICIENTE DE PUESTA A TIERRA (COG, COEFFICIENT OF GROUNDING) ..................................... 16 6.2 FACTOR DE FALLO A TIERRA (EFF, EARTH FAULT FACTOR) ......................................................... 16 6.3 PUESTA A TIERRA EFECTIVA .................................................................................................. 16



6.4 PUESTA A TIERRA NO EFECTIVA ............................................................................................. 17

7 REGMENES DE NEUTRO ................................................................................................... 21

7.1 NEUTRO AISLADO .............................................................................................................. 21 7.2 NEUTRO CONECTADO A TIERRA ............................................................................................. 21 7.2.1 NEUTRO RGIDO A TIERRA .................................................................................................. 21 7.2.2 NEUTRO IMPEDANTE ........................................................................................................ 22 7.2.2.1 Neutro a tierra a travs de resistencia ...................................................................... 22 7.2.2.2 Neutro a tierra a travs de una inductancia .............................................................. 23 7.2.2.3 Neutro a tierra a travs de resistencia e inductancia en serie ................................... 23 7.2.2.4 Neutro a tierra a travs de una capacitancia ............................................................. 23 7.2.2.5 Neutro a tierra a travs de sistema resonante .......................................................... 24 7.3 COMPARATIVA REGMENES DE NEUTRO .................................................................................. 25 7.4 INFLUENCIA DEL TRANSFORMADOR EN LA CORRIENTE HOMOPOLAR .............................................. 26

8 DEFINICIN TERICA DE LA RED EN ESTUDIO................................................................... 28

8.1 RED ................................................................................................................................ 29 8.2 TRANSFORMADOR DE POTENCIA .................................................................................. 29 8.3 TRANSFORMADOR DE PUESTA A TIERRA ....................................................................... 30 8.4 LNEAS ........................................................................................................................... 31 8.4.1 LINEAS AREAS ............................................................................................................ 31 8.4.1.1 Caractersticas generales ......................................................................................... 31 8.4.1.2 Clculos para la lnea area elegida .......................................................................... 33 8.4.1.3 Disposicin geomtrica ............................................................................................ 33 8.4.1.4 Resistencia y reactancia ............................................................................................ 36 8.4.1.5 Admitancia capacitiva ............................................................................................... 38 8.4.2 LINEAS SUBTERRNEAS ............................................................................................... 42 8.4.2.1 Caractersticas generales .......................................................................................... 42 8.4.2.2 Eleccin del cable ..................................................................................................... 44 8.4.2.3 Disposicin geomtrica ............................................................................................ 44 8.4.2.4 Resistencia y reactancia ............................................................................................ 45 8.4.2.5 Admitancia capacitiva ............................................................................................... 47 8.5 CARGAS ......................................................................................................................... 48 8.6 CONTINGENCIA EN LA RED ............................................................................................. 48 8.6.1 CLCULO TERICO DE LA TENSIN E INTENSIDAD DE CORTOCIRCUITO........................ 49

9 SIMULACIONES ................................................................................................................. 55

9.1 LINEA AREA .................................................................................................................. 55 9.1.1 PRIMER ENSAYO: RED FIJA, DISTINTAS PUESTAS A TIERRA .......................................................... 55



9.1.1.1 Neutro aislado .......................................................................................................... 55 9.1.1.2 Neutro rgido a tierra ................................................................................................ 57 9.1.1.3 Neutro a tierra a travs de resistencia ..................................................................... 58 9.1.1.4 Neutro a tierra a travs de inductancia ..................................................................... 60 9.1.1.5 Neutro a tierra a travs de resistencia e inductancia en serie ................................... 62 9.1.1.6 Neutro a tierra a travs de sistema resonante .......................................................... 63 9.1.2 SEGUNDO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIN CON LA LONGITUD DE LA LNEA AREA ......... 65 9.1.3 TERCER ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIN CON LA RESISTENCIA DE FALTA A TIERRA .......... 66 9.1.4 CUARTO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIN CON EL PUNTO DE FALTA ............................ 67 9.1.5 QUINTO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIN CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO .............. 68 9.2 LINEA SUBTERRNEA ..................................................................................................... 69 9.2.1 PRIMER ENSAYO: RED FIJA, DISTINTOS REGMENES DE NEUTRO ................................................... 69 9.2.1.1 Neutro aislado .......................................................................................................... 69 9.2.1.2 Neutro rgido a tierra rgida ...................................................................................... 70 9.2.1.3 Neutro a tierra a travs de resistencia ...................................................................... 71 9.2.1.4 Neutro a tierra a travs de inductancia ..................................................................... 73 9.2.1.5 Neutro a tierra a travs de resistencia e inductancia en serie ................................... 74 9.2.1.6 Neutro a tierra a travs de sistema resonante .......................................................... 75 9.2.2 SEGUNDO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIN CON LA LONGITUD DE LA LNEA ENTERRADA .. 78 9.2.3 TERCER ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIN CON LA RESISTENCIA DE FALTA A TIERRA .......... 80 9.2.4 CUARTO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIN CON EL PUNTO DE FALTA ............................ 81 9.2.5 QUINTO ENSAYO: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIN CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO .............. 82 9.3 INFLUENCIA DE UN CORTOCIRCUITO EN LAS SOBRETENSIONES DE LAS DEMS LNEAS ........................ 83 9.4 SUSTITUCIN PAULATINA DE TRAMOS DE LNEAS AREAS POR TRAMOS DE CABLE ENTERRADO ........... 85 9.5 TRANSITORIO RPIDO ......................................................................................................... 86 9.5.1 DEPENDENCIA CON EL INSTANTE EN EL QUE SE PRODUCE EL CORTOCIRCUITO ................................. 87

10 CONCLUSIONES............................................................................................................... 89

11 BIBLIOGRAFA ................................................................................................................. 91



NDICE DE TABLAS TABLA 1: INFLUENCIA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIN SOBRE LAS SOBRETENSIONES .................................................... 11 TABLA 2: FORMAS DE ONDA DE LAS SOBRETENSIONES RESPECTO AL TIEMPO ............................................................. 14 TABLA 3: CARACTERSTICAS DE LAS PUESTAS A TIERRA ........................................................................................ 17 TABLA 4: RESUMEN DE VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS REGMENES DE NEUTRO ESTUDIADOS ................................ 25 TABLA 5: CONEXIONES E IMPEDANCIAS HOMOPOLARES DE TRANSFORMADORES ........................................................ 26 TABLA 6: DENSIDAD DE CORRIENTE E INTENSIDAD MXIMA DE LOS CONDUCTORES AREOS .......................................... 32 TABLA 7: RESISTENCIA DE LOS CONDUCTORES AREOS ........................................................................................ 33 TABLA 8: RELACIN DEL RADIO EQUIVALENTE ENTRE CONDUCTOR HUECO Y TRENZADOS .............................................. 36 TABLA 9: CARACTERSTICAS TCNICAS DEL CONDUCTOR 147-AL1/34-ST1A ........................................................... 37 TABLA 10: VALORES DE LA MATRIZ DE ADMITANCIA PARA LA LNEA AREA GENERADA POR PSCAD ................................ 41 TABLA 11: DIMETROS DEL CABLE ................................................................................................................ 43 TABLA 12: DIMETRO EXTERIOR DEL CABLE ..................................................................................................... 43 TABLA 13: REACTANCIA DEL CABLE ............................................................................................................... 43 TABLA 14: RESISTENCIA DEL CABLE................................................................................................................ 43 TABLA 15: CAPACITANCIA DEL CABLE ............................................................................................................. 43 TABLA 16: INTENSIDAD MXIMA ADMISIBLE DEL CABLE ...................................................................................... 44 TABLA 17: DIMETRO DE LA PANTALLA DEL CABLE ............................................................................................ 44 TABLA 18: IMPEDANCIA DE SECUENCIA DIRECTA Y HOMOPOLAR DE LOS CABLES ........................................................ 45 TABLA 19: VALORES DE LA MATRIZ DE ADMITANCIA PARA LA LNEA SUBTERRNEA GENERADA POR PSCAD ..................... 48



NDICE DE GRFICOS GRFICO 1: SISTEMA AISLADO ...................................................................................................................... 10 GRFICO 2: SISTEMA DE TRES CABLES CON NICA CONEXIN A TIERRA .................................................................... 10 GRFICO 3: SISTEMA DE CUATRO CABLES Y MLTIPLES CONEXIONES A TIERRA ........................................................... 11 GRFICO 4: SISTEMA DE CUATRO CABLES Y NICA CONEXIN A TIERRA ................................................................... 11 GRFICO 5: PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DE UNA RED CON UN TRANSFORMADOR DE ACOPLAMIENTO ESTRELLA-TRINGULO

ASOCIADO A UNA RESISTENCIA COLOCADA EN EL LADO DE AT ....................................................................... 12 GRFICO 6: PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DE UNA RED CON BOBINA EN ZIG ZAG ....................................................... 12 GRFICO 7: CLASIFICACIN DE CORTOCIRCUITOS POR DURACIN Y TENSIONES ALCANZADAS......................................... 13 GRFICO 8: CARACTERSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=0 ........................................................................... 18 GRFICO 9: CARACTERSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=0,2 ........................................................................ 18 GRFICO 10: CARACTERSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=0,5 ...................................................................... 19 GRFICO 11: CARACTERSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=1 ......................................................................... 19 GRFICO 12: CARACTERSTICAS PUESTAS A TIERRA CON R1/X1=2 ......................................................................... 20 GRFICO 13: RGIMEN DE NEUTRO AISLADO.................................................................................................... 21 GRFICO 14: RGIMEN DE NEUTRO RGIDO A TIERRA.......................................................................................... 22 GRFICO 15: RGIMEN DE NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA .................................................................. 22 GRFICO 16: RGIMEN DE NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE INDUCTANCIA ................................................................ 23 GRFICO 17: RGIMEN DE NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN SERIE .................................. 23 GRFICO 18: RGIMEN DE NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE SISTEMA RESONANTE ....................................................... 24 GRFICO 19: ESQUEMA GENERAL DE LA RED DE MEDIA TENSIN ........................................................................... 28 GRFICO 20: ESQUEMA DEL TRANSFORMADOR ZIGZAG ...................................................................................... 30 GRFICO 21: ALZADO DE LA TORRE ............................................................................................................... 35 GRFICO 22: VISTA EN DETALLE DE LA CABEZA DE LA TORRE ................................................................................. 35 GRFICO 23: ADMITANCIA CAPACITIVA, MTODO DE LAS IMGENES ...................................................................... 38 GRFICO 24: CAPACITANCIAS ENTRE LNEAS Y ENTRE LNEA Y TIERRA ...................................................................... 40 GRFICO 25: DISPOSICIN GEOMTRICA DE LOS CABLES ..................................................................................... 45 GRFICO 26: ESQUEMA DEL FALLO FASE-TIERRA ............................................................................................... 49 GRFICO 27: ESQUEMA DE SECUENCIAS DE LA RED EN FALLO MONOFSICO A TIERRA ................................................. 50 GRFICO 28: ESQUEMA DE SECUENCIAS DE LA RED A SIMULAR ............................................................................. 51 GRFICO 29: ESQUEMA DE LA RED A SIMULAR CON RGIMEN AISLADO ................................................................... 52 GRFICO 30: ESQUEMA EN PI DE UNA LINEA ELCTRICA ...................................................................................... 53 GRFICO 31: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA AREA Y NEUTRO AISLADO ..................................................... 55 GRFICO 32: FORMA DE ONDA DE LA TENSIN. LNEA AREA, NEUTRO AISLADO ....................................................... 56 GRFICO 33: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA AREA Y NEUTRO RGIDO A TIERRA ........................................... 57 GRFICO 34: LNEA AREA, NEUTRO RGIDO A TIERRA ........................................................................................ 58 GRFICO 35: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA AREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA.................... 58 GRFICO 36: LNEA AREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA ................................................................. 59 GRFICO 37: LNEA AREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE ALTA RESISTENCIA (LIMITADORA DE INTENSIDAD) ................... 60 GRFICO 38: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA AREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE INDUCTANCIA .................. 60 GRFICO 39: LNEA AREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE INDUCTANCIA ............................................................... 61 GRFICO 40: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA AREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN

SERIE ............................................................................................................................................. 62 GRFICO 41: LNEA AREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN SERIE ................................. 62 GRFICO 42: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA AREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE INDUCTANCIA SINTONIZADA 63 GRFICO 43: LNEA AREA, NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE INDUCTANCIA SINTONIZADA ............................................. 64



GRFICO 44: LNEA AREA, DEPENDENCIA CON LA LONGITUD DE LA LNEA ............................................................... 65 GRFICO 45: LNEA AREA, DEPENDENCIA CON LA RESISTENCIA DE FALTA ................................................................ 66 GRFICO 46: LNEA AREA, DEPENDENCIA CON EL PUNTO DE FALTA ....................................................................... 67 GRFICO 47: LNEA AREA, DEPENDENCIA CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO ......................................................... 68 GRFICO 48: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO AISLADO. .......................................... 69 GRFICO 49: CURVA DE TENSIN. LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO AISLADO ............................................................ 69 GRFICO 50: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO RGIDO A TIERRA. ................................ 70 GRFICO 51: LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO RGIDO A TIERRA ............................................................................. 70 GRFICO 52: ESQUEMA PSCAD DE LA RED. LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA. ............. 71 GRFICO 53:LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA ...................................................... 72 GRFICO 54: LNEA SUBTERRNEA Y PUESTA A TIERRA A TRAVS DE ALTA RESISTENCIA ............................................... 72 GRFICO 55: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE INDUCTANCIA. ....... 73 GRFICO 56: LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE INDUCTANCIA .................................................... 73 GRFICO 57: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA AREA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN

SERIE ............................................................................................................................................. 74 GRFICO 58: LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN SERIE ...................... 75 GRFICO 59: ESQUEMA PSCAD DE LA RED CON LNEA SUBTERRNEA Y NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE SISTEMA RESONANTE

.................................................................................................................................................... 75 GRFICO 60: CURVA DE INTENSIDAD A TRAVS DE LA BOBINA SINTONIZADA. LNEA SUBTERRNEA ................................ 76 GRFICO 61: LNEA SUBTERRNEA, NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE BOBINA SINTONIZADA ........................................... 76 GRFICO 62: CURVA DE INTENSIDAD A TRAVS DE LA BOBINA PETERSEN ................................................................. 77 GRFICO 63: LNEA SUBTERRNEA Y PUESTA A TIERRA A TRAVS DE BOBINA PETERSEN ............................................... 77 GRFICO 64: CADA EXCESIVA DE TENSIN EN LNEA DE 100 KM Y RESONANCIA EN LNEA DE 3 KM ................................ 78 GRFICO 65: LNEA SUBTERRNEA, DEPENDENCIA CON LA LONGITUD DE LNEA ......................................................... 79 GRFICO 66: LNEA SUBTERRNEA, DEPENDENCIA CON LA RESISTENCIA DE FALTA ...................................................... 80 GRFICO 67: LNEA SUBTERRNEA, DEPENDENCIA CON EL PUNTO DE FALTA ............................................................. 81 GRFICO 68: LNEA SUBTERRNEA, DEPENDENCIA CON LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO ............................................... 82 GRFICO 69: CURVA DE TENSIONES EN LAS LNEAS DE LA RED. FALLO AL PRINCIPIO DE LA LNEA .................................... 83 GRFICO 70: CURVA DE TENSIONES EN LAS LNEAS DE LA RED. FALLO AL FINAL DE LA LNEA AREA ................................. 84 GRFICO 71: CURVA DE TENSIONES EN LAS LNEAS DE LA RED. FALLO AL FINAL DE LA LNEA SUBTERRNEA ....................... 84 GRFICO 72: DEPENDENCIA DE LA SOBRETENSIN CON LA PROPORCIN DE LNEA ENTERRADA SOBRE EL TOTAL DE LA MISMA 85 GRFICO 73: TRANSITORIO RPIDO PROMINENTE ............................................................................................. 86 GRFICO 74: FORMA DE ONDA DE TENSIN NORMALIZADA ................................................................................. 87 GRFICO 75: TRANSITORIO RPIDO PARA DISTINTOS INSTANTES DEL CICLO DE LA FASE EN FALTA ................................... 88 GRFICO 76: TRANSITORIO RPIDO. INSTANTES QUE GENERAN MAYOR SOBRETENSIN .............................................. 88



1 OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO Las sobretensiones en la red tienen un efecto nocivo sobre los equipos conectados a ella, por lo que nuestro objetivo sera atenuarlas lo mximo posible. En condiciones de funcionamiento, los controladores de tensin del sistema elctrico son suficientes para mantener la tensin en valores nominales; sin embargo, si se produce un cortocircuito, nuestro sistema quedar expuesto a grandes sobretensiones.

Gracias a la dilatada experiencia del sector elctrico en redes de distribucin, sabemos que la mayora de los cortocircuitos que se producen son monofsicos con derivacin a tierra y que la corriente de defecto estar limitada por la impedancia de la puesta a tierra. Por lo tanto, ser razonable que el estudio abarque los cortocircuitos monofsicos fase-tierra para los distintos regmenes de neutro disponibles en la actualidad.

Dada la imposibilidad de ensayar los fallos a estudiar en el laboratorio, se realizar el modelado y la resolucin del circuito elctrico en rgimen transitorio en un programa informtico, en este caso PSCAD, un programa con caractersticas de EMTP-ATP (Modelado y resolucin de circuitos elctricos en rgimen transitorio) de fcil manejo gracias a su interfaz grfica.

Gracias a este programa, evaluaremos con relativa facilidad las redes elctricas de media tensin con distinta tipologa, basndonos en normativas y dems documentacin sobre redes reales, para comprobar cmo evoluciona la tensin, sin perder de vista en ningn momento cmo se ve afectada la intensidad cuando se produce un cortocircuito con las caractersticas antes comentadas.

El objetivo del proyecto es solamente la observacin, el estudio de estas sobretensiones, sin tomar ninguna decisin al respecto; es decir, nuestro objetivo es conocer qu es lo que sucede en las lneas del sistema, no la toma de decisiones posterior a estos conocimientos para la eleccin del rgimen de neutro, proteccin y/o extincin del defecto de forma ms eficiente y eficaz.

En resumen, simulacin de cortocircuitos fase-tierra, con varias tipologas de redes de media tensin con distintos regmenes del neutro del transformador de potencia; observacin de la evolucin del transitorio de la tensin y comparacin de los resultados de los distintos ensayos, en la aplicacin informtica PSCAD.



2 INTRODUCCIN

2.1 ES IMPORTANTE CONOCER LAS SOBRETENSIONES? Las sobretensiones tienen un papel importante en la vida de los equipos e instalaciones elctricas. Sus efectos pueden ir desde una simple interrupcin del trabajo que estn realizando a la destruccin total del equipo o instalacin. Los tres niveles que podemos distinguir son: disrupcin (interrupciones, corrupcin de la onda elctrica), degradacin (reduccin de la vida til de los equipos y/o aumento de la posibilidad de un mal funcionamiento de los equipos) y daos (destruccin de equipos, instalaciones, incendios, etc. Lo que obligara a la reparacin/sustitucin inmediata).

Todos estos efectos conllevan prdidas econmicas por la reposicin de los elementos daados, as como el coste indirecto de la ruptura de los procesos alimentados.

2.2 POR QU PONER EL NEUTRO A TIERRA? Existen varias razones para realizar puesta a tierra del neutro en una instalacin:

Seleccionar la selectividad y sensibilidad de los rels de proteccin de cortocircuitos a tierra.

Evitar la ferrosonancia: los transformadores de tensin en una red con neutro aislado pueden, bajo determinadas circunstancias, estar sujetos a sobretensiones elevadas debido a este fenmeno, al entrar en oscilacin su reactancia (no lineal) con la capacidad parsita a tierra de la red.

Reducir las corrientes transitorias de falta a tierra: siempre que no sea una conexin rgida, la conexin del sistema a tierra a travs de una impedancia permite controlar y limitar las corrientes de cortocircuito en caso de faltas a tierra.

Reducir las sobretensiones: la puesta a tierra permite controlar y reducir las sobretensiones en la red.

Seguridad de las personas ante contactos directos e indirectos.

Todas estas consideraciones tienen repercusin en el sistema, tanto en su coste, diseo y disposicin fsica, continuidad del servicio.

2.3 POR QU HAY DISTINTOS REGMENES DE NEUTRO? Las consideraciones expuestas pueden ser abordadas y/o priorizadas de distinta forma, por lo que no hay una respuesta nica y sencilla al problema de poner el sistema a tierra. Al haberse estudiado desde los comienzos de la explotacin de la electricidad, cada empresa de distribucin elctrica adopt una solucin atendiendo a sus propias prioridades. Ninguna de las soluciones es perfecta: todas tienen alguna caracterstica excepcional, pero a costa de sacrificar otras igual de importantes. Es por ello que ninguna de las soluciones se ha impuesto hasta ahora a las dems en el mercado internacional.



3 SISTEMAS DE DISTRIBUCIN Los sistemas se pueden clasificar en conectados a tierra y en sin conexin a tierra ms adelante veremos las consecuencias que conlleva cada tipo de sistema.

3.1 SISTEMAS SIN CONEXIN A TIERRA Estos sistemas tienen el devanado secundario del transformador de la estacin de distribucin, sean estrella o tringulo la configuracin de sus devanados ms comunes, sin conexin a tierra. Los hilos de distribucin son tres en caso trifsico y dos en el monofsico, estando los pararrayos conectados directamente de una fase a la tierra.

Grfico 1: sistema aislado

3.2 SISTEMAS CON CONEXIN A TIERRA Suelen ser sistemas con devanado secundario del transformador en estrella, cuyo punto neutro es conectado a tierra, sea de forma rgida, a travs de una bobina u otro elemento que asegure la conexin constante (ininterrumpida) a tierra. Tambin se puede hacer un sistema a tierra usando un transformador secundario para este fin. Dependiendo de lo que hagamos con el neutro, tendremos los siguientes subtipos:

3.2.1 TRES CABLES CON NICA CONEXIN A TIERRA Son sistemas en los que no se lleva un conductor de neutro con el resto del circuito, pero el sistema est puesto a tierra en cada subestacin a travs del transformador.

Grfico 2: sistema de tres cables con nica conexin a tierra



3.2.2 CUATRO CABLES CON MLTIPLES CONEXIONES A TIERRA Son sistemas en el que el conductor de neutro va con el resto del circuito y adems est conectada a tierra cada cierta distancia. Tres conexiones por kilmetro suele ser habitual.

Grfico 3: sistema de cuatro cables y mltiples conexiones a tierra

3.2.3 CUATRO CABLES CON NICA CONEXIN A TIERRA Son sistemas en los que el cable de neutro est aislado salvo en un nico punto, el transformador de cada subestacin, donde ste va conectado a tierra.

Grfico 4: sistema de cuatro cables y nica conexin a tierra

En resumen, en virtud de los datos expuestos podemos realizar la Tabla 1, que muestra la influencia del sistema de distribucin en las sobretensiones en cortocircuitos:

Tabla 1: influencia del sistema de distribucin sobre las sobretensiones

Sistema Magnitud de la sobretensin sobre la tensin fase-tierra nominal del sistema, ELG

Sin conexin a tierra 1,82

Cuatro cables con mltiple conexin a tierra 1,5

Tres o cuatro cables con nica conexin a tierra 1,4

[1]



3.2.4 TRANSFORMADORES DE PUESTA A TIERRA Dependiendo de nuestras necesidades, es posible realizar una red de distribucin sin conexin a tierra pero haber un circuito en particular en el que queremos tener nuestro cable de neutro, o vernos en la necesidad de conseguir un punto neutro cuando el devanado secundario del transformador es en tringulo y as poder realizar una puesta a tierra.

Para ello se utilizan estos transformadores auxiliares que deben ser conectados con el devanado en zig-zag o estrella (a tierra)-tringulo, como vemos en los Grfico 6 y Grfico 5 respectivamente.

Aunque a la red no afecta el uso de uno u otro, el transformador YNd permite alimentar servicios auxiliares en el devanado secundario y el transformador en zigzag por su construccin, soporta mejor intensidades de defecto mayores de 100 A.

Grfico 5: puesta a tierra del neutro de una red con un transformador de acoplamiento

estrella-tringulo asociado a una resistencia colocada en el lado de AT

Grfico 6: puesta a tierra del neutro de una red

con bobina en zig zag

[41]



4 TIPOLOGA DE SOBRETENSIONES Las principales caractersticas por las que se pueden clasificar las sobretensiones son:

Su duracin: autoextinguible, transitorio, temporal, permanente. Su origen: factores mecnicos (roturas, conexin accidental entre conductores,

etc), sobretensiones por operaciones de maniobra, deslastre de cargas, de origen atmosfrico, degradacin del aislamiento, etc.

4.1 CLASIFICACIN POR SU DURACIN Es la ms interesante, ya que cada fenmeno tiene un orden de magnitud distinto. En el Grfico 7 vemos su clasificacin y en la Tabla 2 las caractersticas de cada una.

Grfico 7: clasificacin de cortocircuitos por duracin y tensiones alcanzadas

4.1.1 SOBRETENSIONES DE FRENTE MUY RPIDO (VERY FAST FRONT OVERVOLTAGE)

Es la de menor duracin, no llegando al centenar de nanosegundos. Su frecuencia es muy alta, llegando al centenar de megahercios. Son importantes en la proteccin frente a contactos en alta tensin y arcos elctricos internos en la aparamenta encapsulada en gas, provocados por un predisparo de estos, seguido de un reenganche de un interruptor de SF6. Normalmente pueden ser evitados con un control sencillo, pero se suele estudiar por si hubiera un mal funcionamiento de los rels.

4.1.2 SOBRETENSIONES DE FRENTE RPIDO (FAST FRONT OVERVOLTAGE)

Son producidos en su mayora por la cada de rayos. Su importancia es mucho mayor que otros tipos de sobretensiones: son crticos para todos los niveles de tensin y es esencial suavizar sus efectos con elementos de proteccin, sobre todo pararrayos y cadenas de aisladores. La amplitud de la sobretensin puede ser mayor de 6 p.u., lo que convierte a las FFO en las ms peligrosas, aunque por suerte, no es el caso ms probable. Su duracin es de varios microsegundos y no tiene naturaleza senoidal.

[30]



4.1.3 SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO (SLOW FRONT OVERVOLTAGE)

Del orden de los milisegundos y una amplitud de sobretensin de 4 p.u., juegan un rol importante en la determinacin de la energa que tienen que ser capaz de disipar los pararrayos y la tensin que deben ser capaces de soportar, tanto los equipos como los pararrayos antes de que se alcance la tensin disruptiva del aire en las torres de las lneas de distribucin. No tiene naturaleza senoidal.

Son producidas, en orden decreciente de importancia, por reenergizacin de una lnea, energizacin de una lnea, cada de una lnea, eliminacin de una falta, entrada de cargas capacitivas y salida de cargas inductivas del sistema.

4.1.4 SOBRETENSIONES TEMPORALES (TEMPORARY OVERVOLTAGE) De naturaleza senoidal, con frecuencias cercanas a la nominal del sistema, son de gran importancia para determinar el esfuerzo al que estn sometidos los equipos, en particular en la capacidad de los pararrayos de disipar energa. Las sobretensiones TOV pueden generar esfuerzos altos en transformadores y en bobinas en derivacin. Su duracin es del orden de segundos y su amplitud hasta 2 p.u.

Pueden ser provocadas por muy distintas causas, como por ejemplo: desconexin de cargas, energizacin de un transformador, lneas paralelas en resonancia, despejar una falta monofsica, cada de una lnea, intensidad que pasa de un carcter inductivo a capacitivo, etc.

Tabla 2: formas de onda de las sobretensiones respecto al tiempo

[30]



5 TIPOLOGA DE LOS CORTOCIRCUITOS Como apunt, merece la pena distinguir entre los tipos de cortocircuitos que pueden aparecer en nuestra red y sus caractersticas bsicas.

5.1 CORTOCIRCUITO TRIFSICO SIMTRICO Es el defecto que se produce cuando las tres fases se unen accidentalmente. Se considera que tiene la corriente de defecto ms alta, ya que slo est limitada por la impedancia de fase bajo la tensin simple. El clculo en una red del Icc3 es indispensable para elegir los materiales de la instalacin.

Se producen, de origen, solo en el 5% de los casos de cortocircuito.

Normalmente aparece derivado de alguno de los siguientes casos.

5.2 CORTOCIRCUITO BIFSICO Corresponde a un defecto entre dos fases, alimentado por la tensin compuesta Un. Se da en un 15% de los casos. Suele degenerar en un cortocircuito trifsico.

5.3 CORTOCIRCUITO MONOFSICO AISLADO Corresponde a un defecto entre una fase y el neutro, cuando este forma parte de la distribucin y est alimentado por la tensin simple.

En algunos casos concretos como por ejemplo, con un transformador estrella-zigzag o un alternador en rgimen subtransitorio, la intensidad puede llegar a ser mayor que en un defecto trifsico.

5.4 CORTOCIRCUITOS A TIERRA En estos defectos cobra importancia la impedancia homopolar Z0 que reducir el valor de la intensidad de cortocircuito Icch (salvo que haya mquinas rotativas, que disminuyen drsticamente el valor de la impedancia). El valor de las sobretensiones estar ntimamente relacionado con el rgimen de neutro de la red.

5.4.1 CORTOCIRCUITO BIFSICO A TIERRA Es un defecto que aparece en escasas ocasiones, mayoritariamente es un defecto que se produce como evolucin de otro cortocircuito previo. Consiste en la unin accidental de un par de conductores a tierra.

5.4.2 CORTOCIRCUITO MONOFSICO A TIERRA El 80% de las veces que se produce un cortocircuito, ser uno monofsico a tierra. Es por lo que su estudio prevalece sobre los dems tipos de cortocircuito. Un buen conocimiento y extincin de este tipo nos llevar a tener bajo control la mayora de los cortocircuitos que acontezcan durante la vida de la instalacin.



6 CONSIDERACIONES TERICAS PREVIAS Antes de entrar en las cuestiones prcticas, presentaremos varios conceptos que nos servirn para conocer como de buena es nuestra instalacin a tierra.

La efectividad de la puesta a tierra ser clasificada en funcin del resultado de la ratio de los parmetros de las componentes simtricas del circuito simplificado de una falta fase-tierra: X1 reactancia de secuencia positiva, X2 reactancia de secuencia negativa y X0 reactancia de secuencia homopolar y las respectivas resistencias R1, R2 y R0.

6.1 COEFICIENTE DE PUESTA A TIERRA (COG, COEFFICIENT OF GROUNDING)

Se define como el ratio ELG/ELL a la relacin entre la mayor tensin de fase (Line-Ground) de una fase sana durante el fallo fase-tierra y la tensin de lnea (Line-Line) que se tendra en el punto de falta si esta no existiera. Se expresa en porcentaje.1

6.2 FACTOR DE FALLO A TIERRA (EFF, EARTH FAULT FACTOR)

Se define como el ratio entre la mayor tensin de fase de una fase sana durante el fallo fase-tierra y la tensin de fase que se tendra en el punto de falta si esta no existiera. Por lo tanto est ntimamente relacionada con el coeficiente de puesta a tierra, siendo:

= 3 Esta expresin es ms usada en la actualidad que el COG para definir la efectividad de la puesta a tierra, en parte por ser la relacin directa entre tensiones de fase, la de una fase sana durante el fallo fase-tierra y la de fase nominal. Con estos coeficientes ya podemos definir la efectividad de las puestas a tierra.

6.3 PUESTA A TIERRA EFECTIVA Una puesta a tierra ser efectiva cuando el coeficiente de puesta a tierra no exceda el 80 %. Este valor se obtiene aproximadamente sean cual sean las condiciones del sistema, cuando el ratio X0/X1 es positivo y menor de tres y el ratio R0/X1 es positivo y menor que uno.

1 Si quiere saber calcular tericamente el COG, consultar el Apndice A de IEEE C62.92-1987, [2]



6.4 PUESTA A TIERRA NO EFECTIVA Una puesta a tierra no ser efectiva cuando el coeficiente de puesta a tierra excede el 80 %. Este valor se obtiene cuando el ratio X0/X1 es negativo o positivo mayor que tres y el ratio R0/X1 es positivo y mayor que uno.

En la Tabla 3 vemos el rango de valores tpicos para los tipos de puesta a tierra a partir de las definiciones que acabamos de describir.

Tabla 3: caractersticas de las puestas a tierra

Esta tabla podemos reinterpretarla respecto a la relacin de las componentes simtricas, manteniendo fija para cada grfica el coeficiente de puesta a tierra, que aproximadamente podemos tomar como R1/X1, variando X0/X1 y R0/X1

Fijndonos del Grfico 8 al Grfico 12, podremos ver que, cuanto mayor sea el coeficiente de puesta a tierra R1/X1 , es decir, comparando entre las distintas grficas, la probabilidad de que un punto de la grfica definido como la interseccin entre X0/X1 y R0/X1 nos d una corriente de cortocircuito alta se reduce, ya que la zona de la grfica en la que la puesta a tierra se considera efectiva aumenta considerablemente.

[2]



Grfico 8: Caractersticas puestas a tierra con R1/X1=0

Grfico 9: Caractersticas puestas a tierra con R1/X1=0,2



Grfico 10: Caractersticas puestas a tierra con R1/X1=0,5




7 REGMENES DE NEUTRO El transformador de potencia de nuestra red de distribucin podr estar conectado a tierra de las siguientes maneras:

7.1 NEUTRO AISLADO Es un circuito en el cual intencionadamente no existe ninguna conexin a tierra, exceptuando aparatos de medida de potencial elctrico y otros aparatos de muy alta impedancia elctrica.

Sin embargo, estos circuitos estn conectados a tierra a travs de la admitancia capacitiva distribuida de sus conductores, ya que se generan corrientes parsitas, como vemos en el Grfico 13.

Tiene la ventaja de permitir la continuidad de servicio aun hallndose una primera falta, pero como desventaja se eleva el riesgo de altas sobretensiones y la difcil proteccin e intercepcin del fallo, que puede desembocar en fallos ms catastrficos.

Grfico 13: rgimen de neutro aislado

7.2 NEUTRO CONECTADO A TIERRA El rgimen de neutro puesto a tierra, en contraposicin al rgimen aislado, obliga a desconectar el sistema al primer fallo, pero como ventajas amortigua las sobretensiones e intensidades de cortocircuito y la proteccin y deteccin de los fallos en la red es mucho ms sencilla.

7.2.1 NEUTRO RGIDO A TIERRA El circuito se conecta directamente a tierra sin una impedancia intermedia. El trmino implica una conexin ideal como vemos en el Grfico 14; esta solucin no se puede tomar en cuenta como tal, dada la imposibilidad prctica de realizar la conexin sin impedancia, ya que sistema de puesta a tierra tiene una resistencia ligada a su propia naturaleza metlica.

Esto puede llevar a confusin ya que aunque se conecte el neutro del transformador rgidamente a tierra, la X0 resultante podra ser muy alta debida a las caractersticas de



la red y/o del transformador; por ello, tambin entrara en juego el concepto de efectividad de la puesta a tierra.

No se utiliza en redes de Media Tensin

Grfico 14: rgimen de neutro rgido a tierra

7.2.2 NEUTRO IMPEDANTE El neutro del circuito se conecta a travs de una impedancia, la cual dependiendo de sus caractersticas provoca distintos efectos sobre los valores del cortocircuito.

7.2.2.1 NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA

El elemento de conexin a tierra es una resistencia, como vemos en el Grfico 15; principalmente podemos distinguir entre los de baja y alta resistencia. Se puede colocar directamente en la conexin a tierra, o de forma indirecta a travs del secundario de un transformador auxiliar como vimos en el epgrafe 3.2.4

En este caso, la impedancia homopolar equivalente vista desde el punto de fallo, seguir teniendo el carcter inductivo o capacitivo previo de la red, ms o menos atenuado dependiendo del valor por triplicado de la resistencia de la puesta a tierra.

Grfico 15: rgimen de neutro a tierra a travs de resistencia



7.2.2.2 NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE UNA INDUCTANCIA

El elemento de conexin a tierra es una inductancia, mostrado en el Grfico 16; principalmente podemos distinguir entre baja y alta inductancia. La inductancia se puede colocar directamente en la conexin a tierra, o de forma indirecta a travs del circuito de retorno a tierra (no mostrado en el grfico). Esto ltimo puede hacerse aumentando la X0 de los aparatos conectados a tierra.

Grfico 16: rgimen de neutro a tierra a travs de inductancia

7.2.2.3 NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE RESISTENCIA E INDUCTANCIA EN SERIE

En este tipo de puesta a tierra se combinan en serie una resistencia y una inductancia. Con la resistencia se consigue fcilmente aumentar el valor del mdulo de impedancia a valores deseados y con la inductancia se aumenta el carcter inductivo de la impedancia homopolar en caso de cortocircuito monofsico a tierra.

Grfico 17: rgimen de neutro a tierra a travs de resistencia e inductancia en serie

7.2.2.4 NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE UNA CAPACITANCIA

El principal elemento de conexin a tierra es un condensador. Es muy raro de encontrar ya que slo tiene utilidad en casos muy concretos y deben ser cuidadosamente analizadas las sobretensiones que se provocan en caso de falta.



7.2.2.5 NEUTRO A TIERRA A TRAVS DE SISTEMA RESONANTE

Su principio de funcionamiento se basa en una inductancia de valor variable sintonizable con la capacitancia de la red. Si el sistema resonante, tambin llamado Bobina Petersen, est bien sintonizado con la capacitancia de la red, en caso de una falta fase-tierra, la corriente inductiva que circula por la Bobina Petersen ser similar a la corriente capacitiva que circula por las fases sanas, lo que provocar la reduccin sustancial de sus efectos sobre el cortocircuito, al estar estas dos corrientes prcticamente desfasadas 180 y de magnitud similar, por lo que la corriente capacitiva del sistema se ver compensada con la corriente inductiva generada por la reactancia.

Para limitar la intensidad por la inductancia a valores admisibles, se coloca una resistencia en paralelo a esta. En el Grfico 18 vemos representada la puesta a tierra y las capacitancias de la lnea, con las cuales se sintoniza la Bobina Petersen.

Grfico 18: rgimen de neutro a tierra a travs de sistema resonante



7.3 COMPARATIVA REGMENES DE NEUTRO En la siguiente tabla valoramos a grandes rasgos las ventajas e inconvenientes de los regmenes de neutro expuestos en el epgrafe.

Tabla 4: resumen de ventajas e inconvenientes de los regmenes de neutro estudiados

Rgimen de Neutro Ventajas Inconvenientes

Neutro Aislado

Continuidad de servicio frente a un fallo

Corrientes de defecto a tierra

limitadas

Sobretensiones elevadas

Difcil deteccin y localizacin de un fallo

Neutro rgido a tierra

Facilita la deteccin de las faltas

Altas corrientes de defecto

Neutro impedante

Limita las corrientes de defecto

(respecto neutro rgido)

Reduce las sobretensiones (respecto al neutro aislado)

Requiere protecciones ms sensibles

(respecto al rgido a tierra)

Neutro sintonizado

(sistema resonante)

Favorece la autoextincin del defecto

Requiere protecciones ms complejas

La tensin homopolar puede alcanzar valores

muy altos



7.4 INFLUENCIA DEL TRANSFORMADOR EN LA CORRIENTE HOMOPOLAR

Hay que tener en cuenta la eleccin de las conexiones del transformador y cul de los devanados se conecta a tierra, ya que provocar un cambio en el circuito de la secuencia homopolar. En la Tabla 5 veremos casos de importancia prctica y terica para comprender las implicaciones que tendra una conexin distinta de los transformadores en las corrientes de cortocircuito fase-tierra.

A pesar de no encontrar en algunos esquemas conexin fsica a tierra, seguir habiendo corriente homopolar causada por las corrientes parsitas, circulando una corriente de defecto a tierra, aun estando la red aislada de esta.

Tabla 5: conexiones e impedancias homopolares de transformadores Esquema Esquema homopolar Notas

La corriente homopolar ver la impedancia homopolar y todo lo

conectado al punto B

La corriente homopolar circular entre la puesta a tierra del transformador

con la impedancia equivalente resultante x3 y lo que haya conectado

en el extremo B del transformador

La configuracin impide que circule corriente

homopolar, sin embargo circular por dentro del devanado triangular del

transformador. Ni lo conectado en A ni en B

ver esta corriente.



En esta configuracin no hay corriente homopolar

ni en los circuitos conectados en A, ni en B

ni dentro del transformador

La corriente homopolar circula libremente a

travs del transformador conectando los circuitos conectados en A y en B

El circuito conectado en A tendr corriente

homopolar y ver a la inductancia del devanado

primario. Circular corriente en el devanado secundario, pero no se ver afectado el circuito

conectado en B



8 DEFINICIN TERICA DE LA RED EN ESTUDIO La red que estudiaremos, representada en el Grfico 19, ser de 20 kV; alimentada a travs de un transformador YNd5 que conecta con la red de 132 kV. Tendr forma radial y de ella saldrn un distinto nmero de ramales areos y subterrneos. Normalmente una subestacin tiene dos transformadores de potencia, pero en condiciones normales de funcionamiento, cada transformador alimenta un conjunto de lneas distintas, por lo que no trabajan en paralelo y ser obviado en el anlisis. Adems, aunque en redes de distribucin a zonas urbanas la construccin sea mallada, su explotacin es radial, as que tambin lo obviaremos.

Para tener puesta a tierra en los 20 kV, ya que el devanado secundario del transformador en tringulo no nos lo permitira, se instala un transformador con el devanado secundario en zigzag, al que se conectar la puesta a tierra elegida.

Grfico 19: esquema general de la red de media tensin



8.1 RED La red ser definida de forma equivalente en el modelo como una fuente de tensin de 132 kV y la impedancia equivalente de red, que podemos calcular a partir de la potencia de cortocircuito del sistema Scc siendo:

= En la casustica que abordaremos, los puntos de falta estarn siempre a 20 kV, por lo que referiremos esta impedancia a esta tensin en los clculos tericos, no as en el modelo PSCAD que debemos recordar estar referenciado a 132 kV.

Al considerarse la red aguas arriba de alta tensin, 2500MVA Lo que nos da como resultado, la ZQ referenciado al punto de falta, = A estos niveles de tensin y siguiendo la recomendacin de Schneider,

0,2 = = 1 () = 0,98

8.2 TRANSFORMADOR DE POTENCIA El transformador de potencia ser de relacin nominal 132/20 kV, con conexin Estrella-tringulo YNd5.

Sus caractersticas de placa son:

Potencia aparente asignada: = 40MVA Tensin asignada: = 132kV = 20kV Tensin de cortocircuito asignada: = 12,8 = 0,37(%) 1 Con estos datos ya podemos saber cul ser la resistencia y reactancia del transformador, tanto la secuencia directa como la homopolar (referenciados a 20 kV)

= 100 = 12,8100 (20 10)40 10 = 1,28 = 100 = 0,37100 (20 10)40 10 = 0,037 = = 1,279 Ya que = 1,279

[40]



Para el clculo de la corriente de cortocircuito, hay que aplicar un factor de correccin KT de acuerdo con la normativa UNE-EN 60909-0 [22]

= 0,95 1 + 0,6 Donde Cmx est referida al lado de menor tensin del transformador y xT es la reactancia relativa del transformador: = ( ) = 1,279(20 10) 40 10 = 0,1279p. u. Por lo tanto = 0,95 ,,, = 0,97 Y la impedancia del transformador corregida ser:

= = (0,037 + 1,27) 0,97 = 0,03589 + 1,2319 8.3 TRANSFORMADOR DE PUESTA A TIERRA

Ser un transformador ideal de relacin de transformacin 20/20 kV en el cual, el primario est conectado en estrella y el secundario en zig-zag. En el Grfico 20 vemos su diagrama de conexin y las relaciones de tensiones y corriente que circulan por el mismo. Su nico cometido en el estudio ser generar un punto neutro en la distribucin en tringulo para colocar la puesta a tierra.

Grfico 20: esquema del transformador zigzag



8.4 LNEAS Estudiaremos varias tipologas distintas de lneas, tanto lneas areas como subterrneas dependiendo del tipo de zona a alimentar. Los casos bsicos a estudiar vendrn marcados por redes reales, las cuales son clasificadas por ENDESA. 2

ZONA RURAL DISPERSA

Corresponden a municipios con menos de 200 suministros, as como los suministros ubicados fuera de los ncleos de poblacin que no sean polgonos industriales o residenciales. La red, generalmente ser area con estructura radial. Normalmente no existir apoyo de otras lneas.

ZONA RURAL CONCENTRADA

Se definen como tales, los municipios con un nmero de suministros entre 200 y 2 000. Para la alimentacin de estos suministros, la estructura de la red ser similar a la de zona rural dispersa, con la salvedad de que pueda ser subterrnea en las reas ms cntricas de la poblacin. En estas reas en que la red sea subterrnea, la estructura ser como la indicada para zona urbana.

ZONA SEMIURBANA

Corresponden a municipios con un nmero de suministros entre 2 000 y 20 000. La red ser generalmente area, con posibilidad de otras alimentaciones de la misma subestacin (a ser posible de diferente barra) o de otras subestaciones prximas. Podr ser subterrnea en el interior del ncleo, en cuyo caso, la estructura de la red ser como la indicada para zona urbana

ZONA URBANA

Se definen como tales, los municipios con ms de 20 000 suministros y las capitales de provincia. En general, las redes sern subterrneas.

8.4.1 LINEAS AREAS

8.4.1.1 CARACTERSTICAS GENERALES 3

Las lneas areas de media tensin, se estructurarn a partir de la subestacin. Las lneas principales sern de seccin uniforme adecuada a las caractersticas de carga de la lnea; igualmente las derivaciones tendrn la misma seccin en todo su recorrido. En general las lneas se disearn para un solo circuito, si bien cuando por condiciones de explotacin, trazado o impacto ambiental se requiera podrn ser de doble circuito.

2 Normas particulares y condiciones tcnicas y de seguridad [20] 3 Extracto de las normativas de ENDESA: GE AND001, GE AND009, GE AND010 y Normas Endesa, Captulo V 2



Los principales criterios que se aplicarn en el diseo de las lneas, sern los siguientes: Los conductores de las lneas principales sern de seccin uniforme. Se usarn los tipos LA-180 o LA-110, de cargas mximas 418 y 313 A respectivamente, (Ver Tabla 6) por el criterio de calentamiento para que la temperatura en el conductor no supere los 50C en condiciones normales de funcionamiento.

Se emplearn conductores de aluminio con alma de acero tipo LA. En zonas consideradas con nivel de contaminacin muy alto, se emplearn conductores de aluminio con alma de acero recubierto de aluminio tipo LARL. En caso de contaminacin excepcionalmente elevada, se estudiara la conveniencia de emplear conductor de cobre (C35, C50E, C95).

Los apoyos que se utilizarn en la construccin de las lneas areas de MT sern en general de celosa. Podrn utilizarse, como alternativa, apoyos de hormign vibrado o de chapa plegada.

Los armados que se utilizarn en la construccin de las lneas areas de MT sern: semicruceta atirantada, cruceta bveda, cruceta tresbolillo tipo canadiense.

Disposicin y separacin de conductores: segn cual sea el tipo de armado elegido y el nmero de circuitos de la lnea, los conductores adoptarn las siguientes disposiciones: tringulo o montaje cero, tresbolillo, doble circuito.

Los apoyos metlicos y de hormign armado estarn provistos de su puesta a tierra, con objeto de limitar las tensiones de defecto a tierra que puedan producirse por descargas en el propio apoyo. Esta instalacin de puesta a tierra, complementada con los dispositivos de interrupcin de corriente en cabecera de lnea, deber facilitar la descarga a tierra de la intensidad homopolar de defecto, y contribuir, en caso de contacto con masas susceptibles de ponerse en tensin, a eliminar el riesgo elctrico de tensiones peligrosas.

Las lneas se dimensionarn teniendo en cuenta su funcin en la estructura de explotacin de la red y la aplicacin de los siguientes criterios: el rgimen mximo de carga, la intensidad mxima admisible por el conductor y la cada de tensin de la lnea.

Tabla 6: densidad de corriente e intensidad mxima de los conductores areos

Conductor (A/mm2) Seccin (mm2) Intensidad(A)

94-AL1/22-ST1A o LA 110 2,69 116,2 313

147-AL1/34-ST1A o LA 180 2,3 181,6 418

La resistencia R del conductor, en /km, vara con la temperatura T de funcionamiento de la lnea. Se adoptar a efectos de clculo el valor correspondiente a 50 C, como vemos en la Tabla 7.



Tabla 7: resistencia de los conductores areos

Conductor Resistencia a 50 C (/km)

LA-110 0,3437

LA-180 0,2199

8.4.1.2 CLCULOS PARA LA LNEA AREA ELEGIDA

En primer lugar queremos conocer la intensidad que debera ir por una lnea que transmitiera toda la potencia del transformador:

= 3 = 40 103 20 10 = 1154,70A

Un conductor LA-110 soporta 313 A y un conductor LA-180 soporta 418 A

A tenor de los resultados, queda claro que una red de media tensin con transformador de 40 MVA no estar compuesta nicamente por una lnea. Ya que en casi todos los ensayos usaremos una nica lnea, creemos conveniente usar el cable LA-180 al ser el conductor con menor resistencia elctrica y que soporta mayor carga.

8.4.1.3 DISPOSICIN GEOMTRICA

Dado que la inductancia y capacitancia de la lnea depende en gran medida de la disposicin geomtrica, generaremos una disposicin coherente con los reglamentos.

Este cable lleva asociado aisladores de vidrio U70BSZ, y para cumplir la lnea de fuga mnima en zonas de contaminacin media, se colocar una cadena de tres aisladores. Esto implica que el cable colgar aproximadamente a 0,5 m por debajo de la semicruceta.

Definiremos la distancia mnima que tiene que haber entre los conductores de fase y al terreno 4

= + + Siendo

D = Separacin entre conductores de fase del mismo circuito o circuitos distintos en metros.

K = Coeficiente que depende de la oscilacin de los conductores con el viento

4 ITC-LAT 07, punto 5



K' = Coeficiente que depende de la tensin nominal de la lnea K' = 0,85 para lneas de categora especial y K' = 0,75 para el resto de lneas.

F = Flecha mxima en metros

L = Longitud en metros de la cadena de suspensin.

Dpp = Distancia mnima area especificada, para prevenir una descarga disruptiva entre conductores de fase durante sobretensiones de frente lento o rpido

Tomando como valores orientativos, ya que no se realizarn clculos mecnicos:

K = 0,6 K = 0,75 F = 2,5 m L = 0,5 m Dpp = 0,25 m

Resultando D 1,3m Distancia al terreno de los conductores:

+ 7m Siendo Dadd y Del definidos en las tablas 17 y 15 del citado documento 4.

Habiendo elegido una configuracin al tresbolillo y unas semicrucetas de 1m de longitud respecto al eje central del apoyo, segn normativa Endesa, calculamos la separacin de los conductores.

Para simplificar los clculos posteriores de trasposicin, hacemos que los cables de fase equidisten entre ellos, generando un tringulo equiltero. Sabiendo que la altura de este tringulo ser de 2 m por las semicrucetas, calculamos el lado del tringulo:

60 = 2m

= 2,31m Teniendo en cuenta las dimensiones de las semicrucetas y la altura mnima a la que debe estar el conductor ms cercano al suelo, iteramos con los apoyos en celosa disponibles y sus correspondientes cimentaciones, para darnos como coherente una torre de 14 m de alto. En el Grfico 21 y Grfico 22, vemos como quedan las lneas sobre los apoyos definidos.



Grfico 21: alzado de la torre

Grfico 22: vista en detalle de la cabeza de la torre



Una vez que conocemos la distribucin geomtrica de los cables, podemos calcular la reactancia y capacitancia de las lneas.

8.4.1.4 RESISTENCIA Y REACTANCIA

Su resistencia la conocemos de la Tabla 7, siendo = 0,2199/km a 50 C La reactancia la calculamos con la siguiente ecuacin:

= 2 2 ln Siendo:

d = distancia geomtrica entre conductores n para conductores simples n =1

= 4 10H/m a ser a, el radio del conductor cuando es hueco. Si es macizo, = Si es un conductor trenzado, a/a sigue la relacin mostrada en la Tabla 8.

Tabla 8: relacin del radio equivalente entre conductor hueco y trenzados

Conductores homogneos Conductores Aluminio-acero N hilos a/a Composicin a/a

1 0,7788 6+1* 0,7681 3 0,6780 26+7 0,8116 7 0,7253 30+7 0,8260

19 0,7570 30+19 0,8270 37 0,7680 54+7 0,8085 61 0,7720 54+19 0,8075 91 0,7744 * 6 conductores de Al y 1 de acero

127 0,7750

Para usar esta tabla necesitaremos saber las caractersticas tcnicas del 147-AL1/34-ST1A, tambin conocido como LA-180 (a partir de ahora LA-180 por sencillez al referenciarlo) que se detallan en la Tabla 9.

Al estar los tres cables de fase equidistantes: d=2,31 m

Al ser un cable de composicin 30-7, el coeficiente a/a = 0,8260

[5]



Tabla 9: caractersticas tcnicas del conductor 147-AL1/34-ST1A5

Designacin: Nueva

Anterior

Seccin mm2 Equi-

valencia en cobre

mm2

Dimetro mm

Composicin

Al Total Alambres de Al Alambres de acero

Acero Total N Dimetro mm N Dimetro

mm 147-AL1/34-ST1A

LA 180 147,3 181,6 93 7,50 17,5 30 2,50 7 2,50

Por lo tanto = 0,8260 (17,5 2 ) = 7,2275mm = 0,0072275m La reactancia de lnea queda como:

= 2 50 4 102 ln 2,310,0072275 = 0,362/km La impedancia homopolar debe ser calculada a parte porque est influenciada tanto por la resistividad del terreno como por el nmero de cables de guarda que tenga la lnea. Como en las lneas que estudiaremos no hay cable de guarda, la ecuacin queda como sigue:

= + 3 8 + 2 3 ln La profundidad equivalente de penetracin en tierra depende del tipo de suelo 6

= 1,851

Siendo la resistividad del terreno, a la cual le daremos un valor = 100 m como referencia. Por lo tanto, a frecuencia de 50 Hz:

= 1,851100 4 10100 = 931m

Y la impedancia homopolar queda como:

= 0,2199 + 300 4 108 + 50 4 10 3 ln 9310,0072275 2,31 = 0,22 + 1,493 km

5 Extracto de la Tabla I de la Normativa ENDESA GE AND010 6 Tabla 2 de la norma UNE-EN 60909-3 y expresin (36)



8.4.1.5 ADMITANCIA CAPACITIVA

La capacidad de la lnea elctrica es la relacin entre la carga elctrica almacenada en el campo elctrico y la diferencia de potencial entre cada conductor y el resto de conductores de la lnea.

=

Siendo Qi la carga elctrica del conductor i. Vj el potencial a tierra del conductor j y Cij el coeficiente de capacidad entre conductores i-j

Despejando el potencial a tierra y haciendo = que llamaremos coeficiente de potencial entre conductores i-j, obtenemos:

=

Los coeficientes anteriores dependen de la disposicin geomtrica de los conductores y la permitividad del medio. Usando el mtodo de las imgenes (Grfico 23):

Grfico 23: admitancia capacitiva, mtodo de las imgenes

= 12 ln = 12 ln



Expresamos las distancias entre conductores e imgenes en funcin de la altura de los conductores respecto al suelo.

= 2 = 2 = + +

= + +

= 1 + 4

= 12 ln 2 = 12 ln1 + 4

Ahora, en virtud de los datos geomtricos que tenemos y sabiendo que = la permitividad del vaco es 0=8.854110-12 F/m y la relativa del aire r=1,00058986

= 12 8,8593 10 ln 2 8,590,00875 = 136,216 10 km F = 12 8,8593 10 ln 2 9,7520,00875 = 138,496 10 km F = 12 8,8593 10 ln 2 10,90,00875 = 140,495 10 km F

= 12 8,8593 10 ln1 + 4 8,59 9,7522,31 = 37,33 10 km F = 12 8,8593 10 ln1 + 4 8,59 10,92,31 = 38,31 10 km F = 12 8,8593 10 ln1 + 4 9,752 10,92,31 = 39,44 10 km F

= = = = 136,21 37,33 38,3137,33 138,49 39,4438,31 39,44 140,49 10 kmF =



= 8,32 1,73 1,781,73 8,21 1,831,78 1,83 8,12 nFkm

La cual sera la matriz de admitancias de fase sin transposicin en la lnea.

Para realizar la trasposicin necesitamos su respectiva matriz R

= 0 0 11 0 00 1 0 = = 0 1 00 0 01 0 0 = 13 [ + + ]

= 8,215 1,782 1,7821,782 8,215 1,7821,782 1,782 8,215 nFkm

Que tiene una estructura del tipo, siendo p principal y m mutuo:

=

Usando el teorema de Fortescue, tambin conocido como de componentes simtricas, llegaremos a la matriz de secuencias. Definimos en primer lugar la matriz de transformacin T.

= 1 1 11 1 = 12 + 32 =

Dada la Estructura C*, el resultado ser = + 2 = =

Grfico 24: capacitancias entre lneas y entre lnea y tierra

= 4,651 0 000 9,997 00 0 9,997 nFkm



La admitancia de lnea, despreciando la conductancia quedar como

= =

= 2,5808 0,5598 0,55980,5598 2,5808 0,55980,5598 0,5598 2,5808 Skm

= 1,4612 0 00 3,1407 00 0 3,1407 Skm

Modelamos la lnea en PSCAD con un modelo en frecuencia, con las caractersticas geomtricas vistas anteriormente y la resistencia del suelo de 100 m. Una vez definido, el programa nos devuelve la Tabla 10.

Tabla 10: valores de la matriz de admitancia para la lnea area generada por PSCAD

Podemos observar que las diferencias entre los clculos anteriores y los realizados por PSCAD son de un 1% o inferior, por lo que validamos el modelo.



8.4.2 LINEAS SUBTERRNEAS

8.4.2.1 CARACTERSTICAS GENERALES7

Los conductores elegidos son de aluminio homogneo, unipolares con secciones normalizadas de 150 y 240 mm2, pudiendo emplearse cable de 400 mm2 en aquellos casos en que sea necesario.

A fin de reforzar la garanta de la calidad de servicio elctrico, en las lneas de tensin nominal 20 kV, el conductor a instalar ser 18/30 kV. Las pantallas de los cables sern conectadas a tierra en todos los puntos accesibles a una toma que cumpla las condiciones tcnicas especificadas en los reglamentos en vigor. La resistencia elctrica de la pantalla metlica no debe superar el valor de 1,5872 /km a 90 C, temperatura de servicio.

Aislante: ser Polietileno reticulado XLPE cuya temperatura de servicio es 90 C y capaz de soportar 250 C en cortocircuito durante un mximo de 5 segundos.

Los conductores debern ir siempre bajo tubo de polietileno de 160 mm o de 200 mm de dimetro nominal. En circuitos de una sola lnea con cables unipolares, la disposicin ms adecuada en caso de cables unipolares es colocar los 3 conductores en tringulo (En contacto mutuo de forma que sus centros configuren un tringulo equiltero).

A continuacin presentamos de la Tabla 11 a la Tabla 17 un resumen con los datos del cable comercial de media tensin PRYSMIAN VOLTALENE 18/30 kV, conductor de aluminio apantallado conectado a tierra en los extremos, sin armadura y con cubierta XLPE [37]

7 Extracto de las normativas de ENDESA: DND001, DND021, DMD002 y Normas Endesa,

Captulo V 2



Tabla 11: Dimetros del cable

Tabla 12: Dimetro exterior del cable

Tabla 13: Reactancia del cable

Tabla 14: Resistencia del cable

Tabla 15: Capacitancia del cable



Tabla 16: Intensidad mxima admisible del cable

Tabla 17: Dimetro de la pantalla del cable

8.4.2.2 ELECCIN DEL CABLE

Teniendo en cuenta la intensidad nominal calculada en el epgrafe 8.4.1.2, en el caso de una sola lnea saliendo de la subestacin, usaremos un cable de seccin 400 mm2, al ser el mayor permitido en la norma, el cual soporta una intensidad de 415 A. Los datos geomtricos presentados en las tablas sern necesarios para generar el modelo en PSCAD.

8.4.2.3 DISPOSICIN GEOMTRICA

La lnea estar formada por una terna de cables unipolares enterrados un metro bajo tubo de dimetro interior cuatro veces el dimetro exterior de un cable. La disposicin de los cables ser en trbol, en contacto entre ellos, formando sus centros un tringulo equiltero. Esta configuracin podemos observarla en el Grfico 25.



Grfico 25: Disposicin geomtrica de los cables

8.4.2.4 RESISTENCIA Y REACTANCIA

Aunque el fabricante nos da unos valores medios aproximados de estos valores, realizaremos nuestro propio clculo a partir de las ecuaciones de la Tabla 18.

As, con los datos siguientes facilitados por del fabricante podremos calcularlos: resistencia del conductor RL, dimetro del conductor rL, dimetro de la pantalla rS , distancia entre ejes d (al estar en trbol, ser el dimetro del cable, 2rL), la constante de permeabilidad magntica del vaco 0, la resistencia elctrica de la pantalla RS y la profundidad equivalente de penetracin en tierra , que ya calculamos en el epgrafe 8.4.1.4

Tabla 18: Impedancia de secuencia directa y homopolar de los cables8 Configuracin del

cable Impedancias de secuencia directa y homopolar

Cable sin cubierta metlica o pantalla

8 Tabla 7 de UNE-EN 60909-2:2010 [5]



Cable con cubierta metlica (pantalla) S

puesta a tierra en ambos extremos

Al ser nuestro cable apantallado, primero calcularemos Z1 y Z0 y a continuacin las correcciones de la pantalla metlica.

Como vimos en la Tabla 14, para la seccin de 400 mm2 la =0,102 /km

= 0,000102 + 100 4 102 14 + ln 0,04850,01155 = 0,1020 + 0,1058 km

= 0,000102 + 300 4 108 + 100 4 102 14 + 3 ln 9310,01155 0,0485 = 0,2500 + 1,964 km

= + 100 4 102 ln 0,04850,020230,0015872 + 100 4 102 ln 0,04850,02023 = 0,1038 + 0,1059j km = 300 4 108 + 300 4 102 ln 9310,02035 0,0485

0,0015872 + 300 4 108 + 300 4 102 ln 9310,02035 0,0485 = 1,0341 + 0,7737 km

Comparamos con la Tabla 13 y la Tabla 14, comprobando que los resultados tericos concuerdan con los facilitados con el fabricante.



8.4.2.5 ADMITANCIA CAPACITIVA

Anlogamente al clculo de la admitancia capacitiva de la lnea area se realiza la formulacin para lneas enterradas, con la simplificacin de que el campo elctrico de cada cable est confinado entre el conductor y la pantalla y al ser cables aislados, no existe acoplamiento entre fases.

=

, 0 00 , 00 0 , , 0 00 , 00 0 ,, 0 00 , 00 0 , , 0 00 , 00 0 ,

= , ,

, ,

= 12 ln 2 ; , = 12 ln 2 , = 12 ln 2

Siendo H la profundidad a la que ha sido enterrada la terna, = 8,8541 10 F m y = 2,5 la permitividad dielctrica del vaco y la relativa del material aislante XLPE respectivamente y por ltimo, rL=0,01225 m el radio exterior del conductor, representado por d en la Tabla 11.

Eliminamos la pantalla s mediante la reduccin de Kron (ya que est puesta a tierra)

= 0 = , , , = , , = 12 ln , = 2 ln

Al ser los tres cables unipolares iguales: , = , = , = y haber despreciado la admitancia conductiva G, ya podemos hallar el valor de la admitancia:

= 0 00 00 0 =

Sustituyendo:

= 2 8,8541 10 2,5ln 0,020350,01225 = 2,74 10 = 0,274 F km Que coincide con los datos proporcionados por el fabricante en la Tabla 15



= = 86,08 0 00 86,08 00 0 86,08 S/km

Comparamos tambin con los resultados que arroja PSCAD al introducir en el modelo de cable enterrado los datos geomtricos, resistividad y permitividad de conductor, pantalla y aislante, arrojndonos el programa los datos vistos en la Tabla 19.

Tabla 19: Valores de la matriz de admitancia para la lnea subterrnea generada por PSCAD

Vemos que la diferencia entre los valores calculados a mano y los realizados por PSCAD varan menos de un 1% por lo que validamos el modelo.

8.5 CARGAS Las condiciones ms severas de cortocircuito se producirn con las lneas en vaco. Por cuestiones de modelado se impondr una carga equivalente irrelevante al final de las lnea de 1 MW, lo que supone un 2.5 % de la plena carga del transformador.

8.6 CONTINGENCIA EN LA RED El fallo tendr unas caractersticas acordes a las Normas Particulares y Condiciones Tcnicas y de Seguridad de ENDESA. [20]

La duracin mxima del fallo ser de un segundo, la intensidad asignada de corta duracin ser de 16 kA, e intensidad de defecto a tierra por transformador se situar entre 300 y 1000 A como mximo.

El defecto ser en la fase a y permanecer como monofsico a tierra todo el tiempo que dure la contingencia.



8.6.1 CLCULO TERICO DE LA TENSIN E INTENSIDAD DE CORTOCIRCUITO

Condiciones impuestas por el fallo fase-tierra en la fase A:

= = 0 = De las componentes simtricas para la corriente y la tensin obtenemos:

= 13 1 1 11 1 = = = 13

= 13 1 1 11 1 + + = 3 = 3 = 3 =

Realizando la interconexin de las secuencias, como vemos en el Grfico 26, hallamos la intensidad de cortocircuito:

Grfico 26: Esquema del fallo fase-tierra

= = = + + + 3

De la cual podemos obtener rpidamente la intensidad de fase:

= 3 + + + 3 = = 0



Las tensiones de secuencia se obtienen de:

=

= =

Por lo tanto, las tensiones de fase quedan:

= 3

+ + + 3 = ( 1) + ( ) + 3

+ + + 3 = ( 1) + ( ) + 3

+ + + 3 En el Grfico 27 hemos representado el esquema generalizado para la red en estudio, teniendo en cuenta que x es el tanto por uno de la posicin del fallo (cuyo punto denominamos AB) respecto al inicio de la lnea.

Grfico 27: Esquema de secuencias de la red en fallo monofsico a tierra



Este esquema ser vlido para cualquier fallo monofsico a tierra que se de en la red en estudio. Ahora, realizaremos varias operaciones y simplificaciones para adaptar el esquema a las simulaciones que realizaremos en los epgrafes 9.1.1 y 9.2.1

Las simulaciones se harn sobre una sola lnea y el defecto se producir al final de la lnea, por lo que eliminaremos del esquema las lneas sanas y haremos = 1 . Adems, incluimos ya en el esquema el modelo en de la lnea, en el que ya se ha despreciado la conductancia G que ira en paralelo con la capacitancia Yc. Esto lo hemos representado en el Grfico 28.

A partir de este esquema ya estamos preparados para realizar la asociacin de impedancias y hallar

Teniendo en cuenta que no hay mquinas rotativas de valores significativos conectadas a la red, la impedancia de secuencia directa e inversa de los elementos que componen la red sern iguales, = .

Grfico 28: esquema de secuencias de la red a simular

= +

// 2



= + // 2

= = +

// 2 = +

// 2

Es interesante ver en el Grfico 29 cmo queda el esquema en el caso de rgimen de neutro aislado, en el que desaparece el ramal que inclua las impedancias de la puesta a tierra y el transformador zigzag.

Grfico 29: esquema de la red a simular con rgimen aislado



En este caso, y la admitancia 2 estn en serie, y a su vez en paralelo con 2 . Al ser la impedancia capacitiva muy grande en comparacin con la impedancia

serie, esta puede ser despreciada, quedando la impedancia de la lnea aproximadamente igual a la impedancia capacitiva (Grfico 30).

Grfico 30: Esquema en pi de una linea elctrica

Realizamos para este caso la asociacin de impedancias:

= = +

//

= =

= = + Introduciendo las expresiones de las impedancias en las ecuaciones del fallo obtendramos directamente tanto las tensiones como las intensidades de fase y secuencia.

Por simplicidad, nos quedaremos con las ecuaciones del caso con rgimen de neutro aislado:

= 3 + 2 + +

= = 3 + 2 + +



= =

1 + 3 + 2 + +

= = + 3 + 2 + +

Conocidas las intensidades y tensiones de secuencias, determinamos las de fase:

= 3 3 + 2 + + = = 0

= 3 3 + 2 + +

= ( 1) + + ( ) + 33 + 2 + +

= ( 1) + + ( ) + 33 + 2 + +

En virtud de las tipologas de redes vistas en el epgrafe 8.4 y los regmenes de neutro vistos en el epgrafe 7, estudiaremos tres en concreto: 100% area, 100% subterrnea y red mixta.

A estos casos, se le realizarn variaciones de la resistencia de falta, punto de falta en la lnea (tanto por uno x), variaciones en la longitud de las lneas (lneas cortas de varios kilmetros hasta lneas largas de ms de cien kilmetros) sustitucin de tramos areos por tramos de cable enterrado (ya que es la tendencia en zonas urbanas y semiurbanas), instante del cortocircuito (distintos puntos del perodo de la onda) y la resistividad del terreno.

Con estas variaciones, analizaremos si estos parmetros tienen una relacin fuerte o dbil con los valores mximos que alcanza la sobretensin durante el cortocircuito.



9 SIMULACIONES

9.1 LINEA AREA En este epgrafe realizaremos los ensayos en una red compuesta por una subestacin de la que sale una nica lnea area y se produce un defecto monofsico a tierra.

9.1.1 PRIMER ENSAYO: RED FIJA, DISTINTAS PUESTAS A TIERRA Analizaremos la respuesta del sistema comparando la forma de onda de las tensiones en el punto de fallo para los distintos regmenes de neutro para una red fija con las siguientes caractersticas:

Punto de defecto: al final de la lnea Instante en el que se produce el defecto: a los 0,3 s de iniciarse la simulacin.

La fase sana se encuentra en 1/6 del perodo Longitud de lnea: 20 km Resistencia de falta: 5 Carga de la lnea: 1 MW

9.1.1.1 NEUTRO AISLADO

Grfico 31: Esquema PSCAD de la red con lnea area y neutro aislado

En el Grfico 32 podemos observar varios fenmenos de inters que aparecern en todas las simulaciones y que detallamos a continuacin:

En primer lugar, un pico de tensin muy rpido de carcter no senoidal que se extingue rpidamente (del orden de la diezmilsima de segundo). En el epgrafe 9.5 lo analizaremos con ms detenimiento.



Grfico 32: Forma de onda de la tensin. Lnea area, neutro aislado

En segundo lugar, la fase en falta caer a niveles muy bajos de tensin. En el ensayo de los epgrafes 9.1.3 y 9.2.3, que versan sobre la dependencia de la sobretensin con la resistencia de falta, y aunque no sean el objetivo de estos, se comprueba que esta cada de tensin depende exclusivamente de la resistencia de falta: esta ser mayor, cuanto menor sea la resistencia. En otras palabras, para valores altos de resistencia de falta, la cada de tensin en la fase en la que se produce el defecto ser mnima, mantenindose cerca de los valores nominales, a la vez que se reducen las sobretensiones en las fases sanas y acercndose igualmente a valores nominales. Adems, cuanto ms nos alejemos del punto de falta, es decir, nos acerquemos a la subestacin, esta curva se parecer ms a la curva nominal que haba antes de aparecer el fallo.

Por ltimo, observamos que la curva de tensin en el punto de defecto, respecto a la curva en barras de la subestacin, son idnticas salvo por un factor

Estudio Sobretensiones Cortocircuito MT

Documents

Transcript of Estudio Sobretensiones Cortocircuito MT