TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS
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1
TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS
Dr. Armando LlamasDr. Federico Viramontes
Octubre 31 de 2011
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2
Agenda
• Solución de la tarea.• Apartarrayos.• Protección contra fenómenos
transitorios.• Comentarios.
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3
Terminación en capacitancia
Cs1
s
CZ
sCZ
sVsV
ZsZs
sV
ZCs
ZCssV
sVsV
tuVtv
A
Ar
A
A
A
A
r
i
i
1
1
1
1
tueVtv
tueVtv
VeeVtv
CZs
V
CZss
CZVsV
CZt
R
CZt
r
CZt
CZt
r
AA
Ar
A
A
AA
22
21
1
11
1
1
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4
Efecto del capacitor
tvi
tvr
tvR
t
t
t
tvr
tvi
tvR
t
t
t
Cs1
0-V
+V
0
+V
0
+V
0
+V
+2V
0
+V
0
+V
+2V
Circuito abierto: El voltaje refractado cambia instantáneamente de 0 a 2 VCapacitor: El voltaje refractado cambia de 0 a 2V de acuerdo a la constante de tiempo, ZAC
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5
Surge Capacitor – Protective Capacitor
Los capacitores “surge” sirven para limitar la razón de cambio del voltaje en:
•Motores•Generadores
Para asegurar el efecto de limitar la razón de cambio del disturbio en terminales del equipo a proteger se deben instalar lo más cerca posible del mismo.
http://www.geindustrial.com/publibrary/checkout/38652.30055.9967.55496/PDF/DEA-224.pdf
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6
Terminación en inductancia
Ls
LZs
LZs
sVsV
L
LZLsZLs
sVsV
sVsV
tuVtv
A
A
r
A
Ar
i
i
1
1
tueVtv
tueVtv
eVVetv
LZss
LZ
V
LZs
VsV
LtZ
R
LtZ
r
LtZ
LtZ
r
A
A
Ar
A
A
AA
2
21
1
1
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7
Efecto del inductor
tvi
tvr
tvR
t
t
t
tvr
tvi
tvR
t
t
t
0-V
+V
0
+V
0
+V
0
+V
+2V
0
+V
0
+V
+2V
Ls
El inductor NO evita que el voltaje refractado cambie de 0 a 2V en poco tiempo.Por esta razón se deben emplear capacitores con muy poca inductancia en serie.
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Protección contra sobre-voltajes.
Los sobre-voltajes se producen por:• Descargas atmosféricas.• Maniobras con interruptores
Cambios repentinos en el sistema• Maniobras con interruptores• Fallas• Rechazos de carga• Etc.
8
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Protección contra sobre-voltajes.
Descargas atmosféricas:
Carga acumulada por una descarga eléctrica.
Onda viajera.
Línea de transmisión.
Onda viajera.
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Protección contra sobre-voltajes.
Pruebas de aislamiento:Existen estándares que reconocen la necesidad de que los equipos eléctricos resistan, durante un período de tiempo limitado, un exceso de voltaje, por encima del voltaje de operación.
Las pruebas estándares son:• Un sobre-voltaje con duración de un minuto con frecuencia
de 60 Hz.• La prueba de impulso 1,2/50.
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Protección contra sobre-voltajes.
A los transformadores se les hacen también pruebas de:
• Onda cortada• Maniobras con interruptores
Otros equipos tienen otras pruebas. Se recomienda ver el capítulo No. 6 del Libro Rojo. IEEE Std 141-1993
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Protección contra sobre-voltajes.
12
Información tomada del Std 141-1993.
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Protección contra sobre-voltajes.
13
Información tomada del Std 141-1993.
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Protección contra sobre-voltajes.
14Información tomada del Std 141-1993.
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Protección contra sobre-voltajes.
15
VtVc10
Entre hierro
Generador de impulso.
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Protección contra sobre-voltajes.
16
Vc10Vt
sv
sC1
sC1RI(s)
0λidC1λid
C1 λid
C1iR
c10
21
t
02
t
01
0
1
21
21eq
f
CCCCC
tt0 Para
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Protección contra sobre-voltajes.
17
u(t)e1CC
CvidλC1v
u(t)eR
vu(t)eR
vi(t)
1/RCsRvI(s)
21
21
21
21
eq
CRC)Ct(C
21
1c10
t
02t
CRC)Ct(C
c10t/RCc10
eq
c10
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Protección contra sobre-voltajes.
18
paralelo.en Conexión
CCC
tt tPara
21eq
ff
Vt
c1021
1
21
0
2
2t
21
022
c1021
1
21
0
1
1t
21
011
021
12212
2
1
1t
c1010
vCC
CCC
QCQv
CCQCQ
vCC
CCC
QCQv
CCQCQ
QQQ
CQCQCQ
CQv
vCQ
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Protección contra sobre-voltajes.
19
u(t)evCC
Cv
u(t)evCC
Cv
: tienese CR circuitoun Para
212
eq2
CCRt
c1021
1t
CRt
c1021
1t
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20
Ondas viajeras
•Los frentes de onda se amortiguan a medida que viajan; sin embargo, se instalan apartarrayos al menos en los extremos de la línea.
LÍNEA
•Una descarga atmosférica da lugar a un frente pronunciado que viaja en ambos sentidos.
Capítulo 6 del libro Rojo.
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21
Característica v-i apartarrayosv, kV
-600-400-200
0200400600
-300 -200 -100 0 100 200 300
i, A
26400
)(
kVV
vsignVv
i
REF
REF Cuando v = Vref i = 1 A
16.4.2 del texto + Microtran handbook
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22
Arreglo para v-i apartarrayos
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23
Circuito para prueba de apartarrayos de óxido metálico
Vivo
Neutro
Tierra
Variac
Transformador de alto voltaje
Apartarrayos
990 I
V
El voltaje del apartarrayos se obtuvo con una punta atenuadora con una relación de 956:1
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24
GE TRANQUELL de 4.5 kV rms
-1
-0.5
0
0.5
1
-12000 -6000 0 6000 12000
v, V
i, mA
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25
Vref = 6 kV, = 50
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000
v
i, A
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26
Zener Suppressor P6KE15C
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
voltaje (V)
corr
ient
e (m
A)
a) supresor zener
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
voltaje (V)
corr
ient
e (m
A)
a) supresor zener
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27
Varistor 150 MCOV
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
-300 -200 -100 0 100 200 300
voltaje (V)
corr
ient
e (m
A)
b) MOV de 150 Vrms
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
-300 -200 -100 0 100 200 300
voltaje (V)
corr
ient
e (m
A)
b) MOV de 150 Vrms
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28
Gas Tube Surge Protector
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
-100 -50 0 50 100
corr
ient
e (A
)
voltaje (V)c) Tubo de Gas
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
-100 -50 0 50 100
corr
ient
e (A
)
voltaje (V)-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
-100 -50 0 50 100
corr
ient
e (A
)
voltaje (V)c) Tubo de Gas
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29
Voltaje obtenido con la protección de la resistencia no lineal de un supresorvoc
t
v
i
t
2
3
4
1
Zs
5
v
1’ 2’
3’
5’
4’
característica v-i del supresor
voltajes de circuitoabierto
1
corrientes de corto circuito
El voltaje a la salida del supresordepende de:
•La carecterísticav-I delsupresor•La impedancia del circuitode donde proviene eldisturbio
Allan Greenwood, Electrical Transients in Power Sysrtems, 2nd Edition, p 521
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30
MCOV and Duty Rating
• Maximum Continuous Operating Voltage. Es el voltaje máximo en valor rms al que se puede utilizar sin que haya problemas de inestabilidad térmica.
• Duty Rating. Después de someter al apartarrayos de óxido metálico a una serie de impulsos de corriente, se le aplica este voltaje y el apartarrayos debe tolerarlo sin presentar inestabilidad térmica.
16.4.5 Allan Greenwood, p 531
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31
Cambio de impedancia Apartarrayos
• Apartarrayos – Aminoran los sobrevoltajes a niveles que los equipos toleran.
• Líneas aéreas – más expuestas que los cables. A pesar de esto se debe instalar un apartarrayos en todo cambio de impedancia.
Aérea Cable
Capítulo 6 del libro Rojo.
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32
Falla prematura de aislamiento• Ocurrencia de estrés en voltaje:
– Transitorio– De corta duración– Sostenido, de estado estable
• El aislamiento eléctrico de tipo orgánico se deteriora a tal punto que ocurre una falla a consecuencia del efecto acumulativo al aislamiento que finalmente alcanza una etapa crítica, se presenta rápidamente una trayectoria conductora a través de la capa de aislamiento y ocurre la falla (corto circuito).
• La temperatura aumenta de manera excesiva, aumenta la zona de daño y ocurre destrucción rápidamente a menos que se interrumpa rápidamente el suministro eléctrico.
Capítulo 6 del libro Rojo.
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33
Uso de equipos de protección contra sobrevoltajes transitorios
• Conocer el “aguante”, “tolerancia” o “resistencia” del equipo a proteger (Tablas 6-1 a 6-4 del Rojo)
Coordinar con el equipo de protección• Se complica un poco porque el aguante
del equipo disminuye por el efecto acumulativo de los sobrevoltajes en el aislamiento.
Capítulo 6 del libro Rojo.
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34
Términos Empleados para describir formas de onda de voltaje y de corriente
Capítulo 6 del libro Rojo.
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35
Onda 1.2 / 50
50, 50
1.2, 100
0102030405060708090
100
0 20 40 60 80 100
tiempo, ms
volta
je o
cor
rient
e en
por
cent
aje
del v
alor
de
cres
ta
100% = 110 kV Basic Impulse Level = 110 kV
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36
Ondas para pruebas de impulso
Capítulo 6 libro Rojo.
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37
Niveles pruebas impulso transformadores aceite
Capítulo 6 libro Rojo.
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38
Niveles básico aislamiento impulso – interruptores de potencia, y buses “metal clad”
Capítulo 6 libro Rojo.
![Page 39: TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022033014/56814bfa550346895db8f4d2/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Niveles de prueba de impulso – transformadores secos
Capítulo 6 libro Rojo.
Bil menor que el de transformadores en aceite.
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40
Niveles prueba alto potencial para máquinas
Capítulo 6 libro Rojo.
![Page 41: TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022033014/56814bfa550346895db8f4d2/html5/thumbnails/41.jpg)
41
Pruebas de aislamiento
• High- potential (Alto potencial) – 1 minuto 60 Hz– Trafo aceite clase 15 kV, 34 kV a 60 Hz 1 min
• Prueba de impulso de voltaje 1.2/50 (BIL, Full Wave) (Nivel básico de impulso, onda completa)– Trafo aceite potencia, 15 kV, 110 kV BIL
• Onda cortada (Chopped wave)– Trafo aceite potencia, 15 kV, 130 kV cresta, 2 ms de
tiempo mínimo para arqueo (flashover).• Onda de maniobra de conexión / desconexión
250/2500 voltaje (switching surge) (BSL)– Trafo aceite potencia, 15 kV, 75 kV cresta
Capítulo 6 libro Rojo + A. Greenwood, p 503.
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42
Line-to-ground vs turn-to-turn• La cresta de la onda completa se aumenta
alrededor de un 15% ( + IVA) y mediante unas barras de “gap” se recorta la onda en el tiempo mínimo especificado en Tabla 6-1 Onda cortada
• La onda cortada tiene una pendiente negativa muy alta
• La onda cortada somete a prueba el aguante del aislamiento entre vueltas, mientras que la onda completa verifica el aguante del sistema de aislamiento a tierra (el gabinete).
Capítulo 6 libro Rojo.
![Page 43: TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022033014/56814bfa550346895db8f4d2/html5/thumbnails/43.jpg)
43
Nivel de transitorios por maniobras con interruptores y frente de onda
• Switching surge level Certifica la capacidad del aislamiento para tolerar los sobrevoltajes transitrios ocasionados por maniobras con interruptores para conectar/desconectar capacitores, líneas o transformadores.
• Front of wave Nivel de aguante de los transformadores en el aislamiento entre vueltas, similar a la onda cortada; pero con más voltaje de cresta y se corta en la cresta.
Capítulo 6 libro Rojo.
![Page 44: TRANSITORIOS EN SISTEMAS ELECTRICOS](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022033014/56814bfa550346895db8f4d2/html5/thumbnails/44.jpg)
44
Aislamiento de cables y líneas aéreas y máquinas giratorias
• Las líneas aéreas tienen un BIL superior al de los transformadores en aceite– Línea de 13.8 kV 150 – 500 kV BIL
• A los cables no se les asigna un BIL; pero también tienen capacidad de soportar los impulsos superior a la de un transformador sumergido.
• Máquinas giratorias:– High – Potential Test: 1 min, 60 Hz, (2 VLL + 1000)– No existe un BIL para máquinas giratorias, existe la
propuesta de aplicarles frentes de onda dados por Fig. 6-13 en un Grupo de Trabajo de IEEE
Capítulo 6 libro Rojo.
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Aislamiento de línea a tierra y entre vueltas
Major insulation = Line-to-ground
insulation
Turn insulation = Turn-to-turn insulation
≠
Se prueba mediante la onda completa
Se verifica con la onda cortada
6.3.3 libro Rojo.
En algunos casos falla aislamiento entre vueltas y en otros falla el aislamiento a tierra
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Propiedades físicas que afectan la resistencia del aislamiento
6.3.3 libro Rojo.
Un equipo puede fallar a los 50 segundos de la
prueba de alto potencial
Podría soportar la prueba durante los 60 segundos
y haber fallado 0.1 segundos después.
¿?Esto se debe al deterioro acumulado y progresivo en
el dieléctrico como resultado de la historia total de exposición y estrés por sobrevolatje
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Aislamientos sólidos + líquidos
Transformadores en aceite• El efecto acumulativo solamente ocurre en
una banda angosta de voltajes por debajo del umbral de daño.
• La exposición a voltajes por debajo de esa banda puede dar lugar a una falla incompleta del aislamiento sólido, pero la penetración del líquido puede reparar parcialmente la región averiada.
6.3.3 libro Rojo.
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Más sobre el efecto acumulativo de las sobretensiones
• El aislamiento se puede dañar durante el proceso de prueba Se debe evitar hacer pruebas de más con CA.
• Por eso se prefiere probar con CD.• El diseño del sistema de protección para asegurar la
integridad del sistema de aislamiento debe reconocer la relación inversa entre la magnitud del estrés y la duración del mismo.
• Los problemas relacionados a la seguridad del aislamiento entre vueltas en bobinas de múltiples vueltas son muchos y complejos. (En generadores grandes, las bobinas son de una vuelta, el devanado es de muchas bobinas)
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