FALLAS EN

SISTEMAS DE

DISTRIBUCIÓN

Msc.Ing. Leonidas Sayas Poma

lsayas@osinerg.gob.pe

Celular: 996963438

SISTEMAS DE PROTECCIÓN

Los sistemas de protección son un conjunto de elementos

destinados a: – Detectar

– Localizar FALLAS O ANOMALIAS EN EL SEP

– Evaluar

– Comunicar

– Despejar

– Informar

La detección de anomalías se realiza midiendo básicamente los siguientes parámetros:

- Corriente (mayor indicador de fallas)

- Tensión

- Potencia

- Impedancia

- Frecuencia

- Dirección del flujo de potencia

PERTURBACIONES EN EL SEP

SOBRECORRIENTES

CORTOCIRCUITOS

SOBRECARGAS

(Detecta Temperatura)

FALLAS SIMETRICAS

Y ASIMETRICAS

ALTA CORRIENTE (KA)

APARICION REPENTINA

DURACION CORTA

(50 – 250 ms)

OPERACION NORMAL

(125-130%In)

APARICION GRADUAL

DURACION LARGA

(Varios minutos)

TENSIONES

ANORMALES

SOBRETENSIONES

SUBTENSIONES

TRANSITORIAS

PERMANENTES

SOBRECARGAS

(s – min)

FALLAS

(ms – s)

CORTAS

(Desc. Atmosfericas)

LARGAS

(Maniobras)

(KHz - MHz)

Cable de guarda

Pararrayos

Baja resistencia

(us – ms)

A FRECUENCIA

INDUSTRIAL

(s – min)

Lineas largas

(efecto ferranti)

Fallas)

Reles de sobretension

Reles de minima tension

FRECUENCIAS

ANORMALES

SOBREFRECUENCIAS

SUBFRECUENCIAS

•AUMENTO DE PERDIDAS– CALENTAMIENTOS

•VIBRACION DE PALETAS DE GRUPOS TERMICOS

•RELES DE SOBREFRECUENCIA

•DESBALANCE GENERACION Y CARGA

•RELES DE MINIMA FRECUENCIA

(rechazo de carga)

OTROS

(COMBINACION)

• ARMÓNICOS, FLICKER, SAG, SWELL, NOTCHING

• INVERSION DE POTENCIA – ESPECIALMENTE PERJUDICIAL PARA GRUPOS TÉRMICOS

• CORRIENTES DE SECUENCIA NEGATIVA – FALLAS SERIE

• SOBREPRESIONES

• VIBRACIONES

• TENSIONES DE SECUENCIA HOMOPOLAR – CIRCUITOS EN DELTA ABIERTO

• VARIACION DE IMPEDANCIAS APARENTES – OSCILACIONES DE POTENCIA

PERTURBACIONES EN EL SEP

L.Sayas P.

Contenido

1. Origen de las fallas

2. Tipos de fallas, simétricas y asimétricas

3. Teoría de componentes simétricas

4. Calculo manual de Icc

5. Calculo computacional de Icc

6. Aplicación

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Las fallas en un SD tienen los siguientes origenes:

• Condiciones climáticas adversas • descargas atmosféricas

• lluvia

• nieve o granizo

• hielo excesivo

• neblina, viento

• calor

• Medio ambiente • contaminación

• corrosión

• choque de materiales arrastrados por el viento.

• incendio

• caída de los árboles sobre las redes

Origen de las fallas

AISLADOR HIBRIDOAISLADOR HIBRIDO

Contaminación industrial compuesta de

partículas producto de las actividades

industriales que arroja sobre los aisladores

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• Actos de la naturaleza • inundación

• movimiento telúrico

• terremotos

• Animales • aves

• Roedores

• Terceros • actos de vandalismo

• choque de vehículos sobre postes

• cometas de niños

Origen de las fallas

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• Propias de la red – error de operación

– sobrecargas

– instalación/construcción deficiente

– falsa operación de los sistemas de protección

– equipo/ diseño inadecuado

– envejecimiento

– mal funcionamiento

– mantenimiento defectuoso

• Defecto de fabricación

Origen de las fallas

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Causa De Falla Por Llovizna

L.Sayas P.

Descarga A Tierra

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Descarga A Tierra

L.Sayas P.

Descarga A Tierra

L.Sayas P.

Descarga Total A Tierra

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Aisladores Con Botas Poliméricas Y

Aisladores Extensores

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Causa De Falla Por Llovizna

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Aisladores Extensores Seccionador

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Selección Del Seccionador De Potencia

Los Seccionadores de Potencia deben ser

diseñados para soportar las corrientes

capacitivas del sistema

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Resumen Origen de las fallas

TIPO: CAUSADO POR:

Falla en el Errores y defectos de diseño aislamiento inapropiado, contaminación. Origen eléctrico. Sobrecargas atmosféricas, maniobras internas, sobretensiones dinámicas. Origen Térmico. Sobrecorriente, sobretensión. Factores Mecánicos. Esfuerzos por sobrecorriente, impacto de objetos extraños, rotura por hielo..

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Clasificación de las fallas

• Por el tiempo de duración • Transitorias

• Permanentes

• Por la forma • Serie

• Shunt

• Por la simetria de las ondas • Simetricas

• Asimetricas

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Fallas serie

• Ruptura física de uno o dos conductores de una línea

de transmisión por accidente o una tormenta.

• Debido a corrientes de sobrecarga en una o dos fases,

pueden operar los dispositivos de protección.

• Falla en los polos del interruptor al efectuar una

operación monofásica.

I=0

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Fallas shunt o paralelo

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•Trifasica a tierra

•Trifasica sin contacto a tierra

Falla trifásica diagrama vectorial

a b c

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falla bifásica sin contacto a tierra

Falla bifásica diagrama vectorial

a b c

L.Sayas P.

Falla bifásica con contacto a tierra

a b c

Falla bifásica a tierra diagrama vectorial

L.Sayas P.

Falla monofasica con contacto a tierra

a b c

Falla monofásica diagrama vectorial

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Sistema con neutro aislado

En condición normal

En condición de falla

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• Para SD – Monofásicas 70 %

– Bifásicas 7%

– Bifásicas –t 20%

– Trifásicas 3%

Total 100%

• Ubicación de las fallas – Redes 85%

– Barras y transformador 15%

Estadística de fallas shunt

Nota:

• Del total de fallas a tierra el 60% es transitoria y el 30% permanente (5% caída de línea)

• El sistema de protección debe considerar estos valores

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• Su valor inicial depende en que parte de la onda de tensión ocurre el cortocircuito y su amortiguamiento es tanto más rápido cuanto mayor sea la relación R/L.

Fallas simétricas y asimétricas

La corriente de cortocircuito Icc

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• La Icc tiene dos componentes, una alterna (Ia) y otra continua (Ic).

• Icc=Ia+Ic

La corriente de cortocircuito

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• Es el caso más frecuente. La componente AC se mantiene y la DC se amortigua.

• Se aprecia los dos casos extremos.

Simétrico Asimétrico

Fallas simétricas y asimétricas

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Coeficiente “K”

resinterrupto los de cierre dePoder Ip

.2.

96899,0022,10301,3

IaKIp

eK X

R

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Reactancia subtransitoria

Componente unidireccional

Reactancia permanente

Reactancia transitoria

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Contribución a la Icc

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Métodos • Fallas simétricas; Icc 3f

• Fallas asimétricas; Icc1f, Icc2f, fallas serie

• Consideraciones para el calculo Iccmax

• Todo los generadores en servicio

• Impedancia de falla igual a cero

• Debe ser Icc3f y Icc2f

• Máxima demanda

• Se considera impedancias subtransitorias

Calculo de la corriente de

cortocircuito

• Consideraciones para el calculo Iccmin

• Mínimo numero de generadores en servicio

• Se considera impedancia de falla

• Debe ser Icc2f y Icc1f

• Mínima demanda

• Se considera impedancias transitorias

• En general en los SD • Se omiten las corrientes de carga

• La tensión prefalla pueden ser iguales en toda el SD

• Se omiten las resistencias , capacitancias de carga, y los taps no nominales, ya que la influencia no es significante.

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Datos necesarios • En el punto de entrega se

requiere, Scc, Upf y Angulo

• Si no hay Scc, se considera al transformador de impedancia infinita.

• Se debe conocer las resistencias y reactancias de los conductores.

Icc trifásico simétrico

Z(-) ) Z(si solo 3.2

32

Zs.senXs Zs.cosRs Scc

Upf

.33

.3

2

22

fIccfIcc

Zs

XR

UpffIcc

Upf

SccIccs

InUcc

Icct

Ucc

SntScct

.(%)

1

(%)

R1,X1

L1(km)

R2,X2

L2(km)

Scc(MVA)

Upf(kV)

Angulo

Sn

Ucc(%), U1/U2

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Parámetros de líneas y cables

CUADRO Nº 1

PARAMETROS ELECTRICOS DE LINEAS AEREAS Y CABLES SUBTERRANEOS DE MEDIA TENSION

CABLE SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)

(16) 1,3258 0,144 5,77E-05

(35) 0,6033 0.177 7,13E-05

NKY (70) 0,3122 0,109 8,71E-05

(120) 0,1758 0,102 1,01E-04

(240) 0,0856 0,096 1,21E-04

(25) 0.9290 0,216 5,32E-05 0,1816

N2XSY (120) 0.1960 0,175 0,2789

(240) 0.1000 0,1587 0,3145

LINEA SECCION R(ohm/km) X(ohm/km) S(mho) C(microF/km)

(33) 0,8398 0,4526661 3,6786E-06

(67) 0,5912 0,420495 3,97703E-06

Aluminio (70) 0,5834 0,4176 3,97703E-06

(120) 0,3226 0,41262 4,24091E-06

(125) 0,2979 0,3925986 4,24091E-06

(13) 1,6164 0,4876382 3,40097E-06

(16) 1,3488 0,47204 3,4509E-06

(21) 1,0168 0,4701502 3,53436E-06

Cobre (33) 0,6398 0,4526661 3,6786E-06

(35) 0,6156 0,44237 3,7426E-06

(42) 0,5072 0,4439213 3,75526E-06

(67) 0,3189 0,4163712 3,98591E-06

(70) 0,3147 0,43289 3,99095E-06

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Aplicación 1

Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f en la derivación 0434T

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Solución Aplicación 1

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Tarea 1

Si la Scc=108MVA, Upf=10,3 kV y el angulo =-86,9o hallar la Icc3f y Icc2f en la SE 981.

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Sistema

rL + j x

L

2768.1 A

60 kV

A

B

C

60/10 KV

14 MVA (17,5 MVA)

8,16%

KAKV

MVAI

MVAS

S

S

S

u

SSS

BCC

BCC

BCC

BCC

BCC

CC

TACCBCC

2,6103

47,107

47,107

103048,91

108286,510476,31

0816,0

14

1

67,287

11

111

3

33

MÉTODO DE LOS MVA

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Tarea 1 Método de los MVA

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1,0 0º p.u.

A

B

xS (p.u.)

xT (p.u.)

kAI

AIiI

AKV

MVA

U

SI

upz

ui

jxxz

upjx

jS

Sux

upjjS

Sjx

KVVMVAS

CC

BCCCC

IIB

BB

CC

CC

TCC

T

N

BCCT

CC

B

IBB

2,6

5,57730747,1

5,5773103

100

3

..0747,19305,0

0,1

9305,0

..58286,0

14

1000816,0

:ador transformdel Impedancia

..347,067,287

100

:fuente la de Impedancia

60 100

S

S

MÉTODO EN p.u.

L.Sayas P.

Tarea 2 Método p.u.

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Cálculo de fallas asimétricas

• En algunas aplicaciones es necesario realizar cálculos

de cortocircuitos desequilibrados (bifásico y

monofásico).

• Son las fallas de mayor probabilidad de ocurrencia.

• Para este cálculo se emplea el método de las

Componentes Simétricas.

• Nota .- para el cálculo de cortocircuitos, se suele

despreciar las corrientes de carga del sistema.

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• El análisis de un SD balanceado se efectúa utilizando sus equivalentes de monofásicos o unitarios.

• Si el SD es desbalanceado o asimetrico (por fallas) resulta complicado

• En el año 1918, el Doctor Charles F. Fortescue publicó su trabajo "Method of Symmetrical Coordinates Applied to the Solution of Poliphase Network", con lo cual se inicio los estudios de los sistemas eléctricos en situaciones de fallas asimétricas o desbalanceadas, mediante el METODO DE COMPONENTES SIMETRICAS

Teoría de componentes

simétricas

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(+) (-) (0)

“Fortescue” Propuso que un sistema trifásico desbalanceado

puede descomponerse en tres sistemas de vectores balanceados llamados componentes secuencia positiva , negativa y cero.

VR VS

VT

VT1

VR1

VS1

VT0

VT2

VR2

VR0 VS2

VS0

Secuencia positiva

RST

Secuencia negativa

RTS

Secuencia

homopolar

Teoría de componentes simétricas

L.Sayas P.

Teoría de componentes

simétricas

L.Sayas P.

R1

S1T1

120°

120°

120°

El operador a es un

vector de magnitud la unidad y argumento 120°

a =1 120° se cumple lo siguiente: S1 = a2 R1

T1 = a R1

Sistema de secuencia positiva.

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R2

T2S2

120°

120°

120°

Asimismo se

cumple:

S2 = a R2

T2 = a2 R2

Sistema de secuencia negativa.

L.Sayas P.

Ro So To

3Ro = 3So = 3To

Los tres vectores homopolares o de secuencia cero, son iguales en magnitud, dirección, y sentido.

Sistema de secuencia cero.

L.Sayas P.

• Un sistema eléctrico asimétrico, puede ser descompuesto en tres sistemas de simétricos diferentes e independientes (positiva, negativa y cero).

21

21

21

2

2

VaaVVoVT

aVVaVoVS

VVVoVR

Valores reales en función de la secuencia

21

21

21

2

2

IaaIIoIT

aIIaIoIS

IIIoIR

L.Sayas P.

• Se demuestra que :

32

31

3

2

2

aITISaIRIr

ITaaISIRIr

ITISIRItoIsoIro

Valores de secuencia en función de la real

)(3

12

)(3

11

)(3

1

2

2

aItIsaIrI

ItaaIsIrI

ItIsIrIo

)(3

12

)(3

11

)(3

1

2

2

aVtVsaVrV

VtaaVsVrV

VtVsVrVo

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Comentario

• Las componentes de secuencia positiva, están presentes en cualquier condición (balanceada o desbalanceada, simétricos y asimétricos).

• Las componentes de secuencia negativa, por tener secuencia diferente a las positivas, rompen el equilibrio establecido por el sistema positivo.

• En otras palabras, cualquier desequilibrio introduce componentes de secuencia negativa.

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• Las componentes homopolares o de secuencia cero, sólo pueden aparecer cuando el sistema trifásico tenga una resultante (IR + IS + IT >0 ).

Para que un red trifásica tenga resultante es preciso que dicha red tenga, al menos un punto a tierra.

Por ejemplo:

Una falla monofásica a tierra.

Una falla bifásica a tierra.

Las aperturas de fase o las cargas desequilibradas solamente producirán componente homopolar cuando exista un segundo punto de contacto a tierra.

Comentario

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Redes de secuencia +

• Reemplazar las impedancias de secuencia positiva en el sistema eléctrico en estudio, luego determinar el circuito Thévenin equivalente (Red monofásica activa, con impedancias directas) en el punto de falla.

Z1

E Ua1

Ia1

Red de secuencia positiva ( 1 )

+

-

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• Reemplazar las impedancias de secuencia negativa y anular las fuentes de tensión existentes. De igual modo se determina la red de secuencia negativa (Red monofásica pasiva, con impedancias inversas) en el punto de falla.

Z2

Ua2

Ia2

Red de secuencia

negativa ( 2 )

+

-

Redes de secuencia -

L.Sayas P.

• Asimismo se determina la red de secuencia cero (Red monofásica pasiva, con impedancias homopolares, reemplazando las impedancias de secuencia cero) en el punto de falla.

Z0

Ua0

Ia0

Red de secuencia cero ( 0 )

+

-

Redes de secuencia 0

L.Sayas P.

Generadores

ER

IR1

Z1

UR1

+

-

IR2

Z2

UR2

+

-

Red de secuencia

positiva (1) o (+)

Red de secuencia

negativa (2) o (-)

L.Sayas P.

ZN

R

XO

XO

XO

3ZN

XO

3ZN

ZN=X

T + a2 R

a:1

XO

Redes de secuencia cero según su conexión

Generadores

L.Sayas P.

Transformadores

Transformador de 3

devanados

XT

Transformador de 2

devanados

P

T

S

ZP

ZS

ZT

Redes de secuencia positiva y negativa

L.Sayas P.

Transformadores de 3 devanados

2

2

2

PSSTPTT

PTSTPSS

STPTPSP

XXXX

XXXX

XXXX

P S

T

L.Sayas P.

Red de secuencia cero para los transformadores según su conexión.

L.Sayas P.

Red de secuencia cero para los transformadores según su conexión.

L.Sayas P.

Transformador de puesta a tierra (zig-zag)

XT

XT

3R

Red de secuencia

positiva y negativa

Red de secuencia

cero

L.Sayas P.

FALLAS TRANSVERSALES

Z2

Ia0

FALLA MONOFASICA

FALLAS BIFASICA

Z1

Z0

Ia1

Ia2

3Zf

Vth Va1

Va2

Va0

Z2 Z1

Ia1

Vth Va1 Va2

Ia2 Zf

ZfZZZ

UthI

3021

0

f

ffZZZ

UthII

21

21

Circuitos de secuencia

L.Sayas P.

FALLAS TRANSVERSALES

Z2

Ia0

FALLA BIFASICA A TIERRA FALLAS TRIFASICA

Z1

Z0

Ia1 Ia2

3Zf

Vth Va1

Va0

Z1

Ia1

Vth Va1 Va2

Z13

Uth 3 kI

Circuitos de secuencia

L.Sayas P.

Conexión entre las redes de secuencia correspondiente a varios tipos de cortocircuitos en una red trifasica

30 30 30 3030b

c

d

a a

b

c

d

a

b

c

d

(0) (0) (0) (0)

(-) (-) (-) (-)

(+) (+) (+) (+)

CONEXION ENTRE LAS REDES DE SECUENCIA CORRESPONDIENTE A VARIOS TIPOS DE

CORTOCIRCUITO EN UNA RED TRIFASICA.

Linea a linea

(f )

2 lineas a

tierra

(f )

Trif asico

(g)

Trif asico a

tierra

(h)

L.Sayas P.

Tensiones homopolares

• Para poder efectuar la detección de las tensiones homopolares simplemente hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico, tal como se muestra a continuación:

L.Sayas P.

Corriente homopolar

• De igual manera, para la detección de la corriente homopolar hay que reproducir la ecuación matemática en un circuito eléctrico.

L.Sayas P.

• Sin embargo debido a que la corriente homopolar es muy pequeña en comparación de la corriente del alimentador y si la detección de la corriente se efectúa a través de la suma de tres transformadores de corriente, es posible que el resultado del filtro homopolar sea una corriente debido a la diferencia de corrientes de excitación que daría como resultado operaciones incorrectas.

Corriente homopolar

L.Sayas P.

R

IR

IS

IT

Io = ( IR

+ IS

+ IT ) / 3

IR

Ir

Iex

Ir - Iex

Irele = ( Ir - Iexr ) + ( Is - Iexs ) + ( It - Iext )

Irele = ( Ir + Is + It ) - ( Iexr + Iexs + Iext )

- si el sistema no tiene falla a tierra

Irele = - ( Iexr + Iexs + Iext )

Relé

luego la corriente en el relé es :

esta corriente puede originar operaciones incorrectas del relé

Corriente homopolar

L.Sayas P.

• Para solucionar este problema debemos efectuar la suma de las tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético, lo cual da como resultado una corriente en el secundario del transformador siempre y cuando exista corriente homopolar en el sistema primario. Para poder introducir las tres fases dentro de un núcleo magnético la única forma es que el electroducto sea un cable.

Corriente homopolar

L.Sayas P.

IR I

SIT

Ir + Is + It

Iex I rele

I rele = ( Ir + Is + It ) - Iex

Para solucionar este inconveniente es preferible sumar las

tres corrientes dentro de un solo núcleo magnético

Corriente homopolar

L.Sayas P.

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Aplicación