Selección de DPS para un sistema de potencia

Trabajo sobre selección de DPS.

Curso. Alto Voltaje.

Por: Diego Hernández mejía. C.C 1055830474

Docente: Clara Rosa Rojo Ceballos.

Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín Noviembre de 2013

Se presenta el de DPS.

diagrama unifilar para el trabajo de selección Y aterrizado

Y aterrizado X=2j

S2

S1 DELT A

LINEA

Y aterrizad o DELTA

Figura1. Diagrama unifilar del sistema. Sistema eléctrico: LINEA: 12 Km longitud, R1=0.7 ohm/Km X1=0,7 ohm/km X0=1.2 ohm/km SISTEMA 1: 1100 MVA 110kV SISTEMA 2: 2100 MVA 210kV T1:

230KV/115KV/34.5KV

XHL=0.10 (230KV-181MVA)

(3Φ)

XHT=0.06 (34.5KV-61MVA) XLT=0.04 (34.5KV-61MVA)

T2:

3Φ

31MVA

34.5KV/10KV

CARGA: 10 MVARS tipo inductivo conectada en delta Puntos de falla demarcados en la figura 1. Voltajes máximos 245 kV, 123kV, 36.5 kV.

XT =0.10

CARG A

SOLUCION. 1. Las bases seleccionadas para el sistema son Vbase=210kV y MVA base=2100 Ahora procedemos a pasar por unidad el sistema. Las zonas del sistema se demarcan en la figura 2.

Figura 1 Zonas del sistema

Ahora se procede a calcular las cantidades base del sistema del cual se han identificado 5 zonas como se muestra en la figura 2. El voltaje base se encuentra en la zona I los demás voltajes se calculan teniendo en cuenta la relación de transformación del trafo tridevanado T1 y del trafo T2, se usan las expresiones [1] y [2] V b2 Zb= [ 1] Sb S b2 I b= [2] √3 V b Los resultados son mostrados en la tabla 1. ZONAS I II III

S3ø BASE (MVA) 2100 2100 2100

VLL B (KV)

IB (kA)

Z B (Ω)

105 210 31.5

11.55 5.77 38.49

5.25 21 0.473

IV

2100

10.04

121.2 0.0476 4

Se continúa con el proceso esta vez corrigiendo la impedancia en por unidad: 

Impedancia total línea:

¿ 12∗0.7 ( 1+ j )=8.48(1+ j) ohm Por unidad X p . u.Linea =



8.48(1+ j) =17.756(1+ j) 0.473

La impedancia por unidad del sistema 1:

V b fab2 1 110 2 1 X p . u.S 1= = =2.095 Sb fab Z b Nuevo 1100 5.25 

La impedancia por unidad del sistema 2:

X p . u.S 1= 

2 b fab

V Sb fab

2102 ∗1 1 2100 = =1 Z b Nuevo 21

Impedancia por unidad del transformador 1:

1 Z H = ( Z HL + Z HT −Z ¿ ) [3] 2 1 Z T = ( Z HT + Z ¿−Z HL ) [4 ] 2 1 Z L= ( Z ¿ + Z HL −Z HT ) [5] 2

Haciendo las correcciones según la relación:

2

X p . u.Nuevo = X p .u .fab

X p . u.HL =0.1

V bfab 1 [6] S bfab Z bNuevo

230 2 1 =1.39 181 21

X p . u.HT =0.06

2302 1 = =2.48 61 21

34.52 ∗1 61 X p . u. ¿ =0.04 =1.65 1.65 Resolviendo las ecuaciones 3 a 5 se tiene que: X p . u.H =1.11 X p .u .L =0.28 X p . u .T =1.37



Impedancia por unidad del transformador 2:

34.52 1 X p . u.T 2=0.10 =8.13 31 0.4725 

Impedancia por unidad de la carga: X p . u.carga=



Fuente para el sistema 1

X p . u.V 1=



Voltaje fuente 110 = =1.05 Voltaje base zona 105

Fuente para el sistema 2

112 1 =252.08 10 0.048

X p . u.V 2=

Voltaje fuente 210 = =1 Voltaje base zona 210

Luego el SEP queda definido por las cantidades por unidad como lo muestra la figura 3. 1.11 j

0.28 j

2.09 j +

1j

+

1.37 j

1.04 angulo 0

1 angulo 0

17.78

8.13 j 252.08 j

17.78 j

Figura 2. Sistema por unidad.

2. Redes de secuencia. Las redes de secuencia permiten obtener las componentes simétricas de los voltajes y corrientes en condición de falla, Para calcular el factor de aterrizamiento es necesario simplificar las redes de secuencia. Esta simplificación se hace por medio de herramientas circuitales como por ejemplo transformación de fuentes, transformaciones delta- estrella, etc. para finalmente llegar a las redes que se presentan continuación. Se muestran las secuencias respectivas para la falla 1: 1.11 j

0.28 j

2.09 j +

1j

+

1.37 j

1.04 angulo 0

1 angulo 0

17.78 j

17.78

8.13 j

Falla 2 252.08 j

Falla 1

Figura 3. Falla 1



Secuencia positiva: 2.37 j 2.47 j 1.04 angulo 0

1 angulo 0

+

1.37 j

+

+

2.11 j

Va+

1 angulo 0

280 j

17.71

Falla 1

Figura 4. Simplificacion de secuancia positiva.



Secuencia negativa:

2.37 j

2.47 j

1.37 j

2.11 j

Va280 j

R1

Falla 1

Figura 5 Simplificacion de secuencia negativa.



Secuencia cero:

En este caso se tiene en cuenta la impedancia de aterrizamiento del tafo.

17.78

8.13 j

Va0

19.05 j

252.08 j

FALLA 1

57.64 j

17.78 j

Figura 6. Impedancia de secuancia cero.

3. Para calcular el factor de aterrizamiento en el punto de falla se deben conectar en serie las tres redes de secuencia simplificadas para determinar Ia0.

I 0a=

1 =0.0166⦟−90 2.47 j+2.47 j+57.64 j

2.47 j

+

+ Va+

1 angulo 0

2.47 j

+ Va-

Ia0

-

57.64 j

+ Va0

-

Figura 7. Circuito para determinar Ia0.

La corriente de falla IA se calcula con la siguiente expresión:

I A =3 I 0a=0.0479 ⦟−90 Para calcular Va1, Va2 y Va0:

V 1a=1−I 0a Z1 V 2a=−I 0a Z 2 V 0a=−I 0a Z 0 Reemplazando en las ecuaciones:

V 1a=0.960 V 2a=−0.039

0

V a=−0.921 Los volatjes reales en la falla monofasica son:

V aF =V 0a +V 1a +V 0a=−0.00000176 ≈ 0 V bF =V a +a V a +a V a=(1.63 ⦟−147.9) 0

2

1

2

V aF =0 Finalmente el factor de aterrizamiento se calcula con la expresión:

FA=

Vfase sana durante la falla [7 ] V prefalla

j |0.4622−0.866 |=1.7 0.96

FA=

4. Selección de DPS 

Voltaje maximo de 36.5kV

Del enunciado del trabajo tenemos que las tensiones nominales del sistema son: V n 1=34.5 kV

V Máx 1=36 kV

Tensión máxima de operación continúa (por fase). MCOV =

V Máx =20.78 kV √3

Sobre Voltaje temporal: TOV =F A∗MCOV

[8]

Donde FA es el factor de aterrizamiento y MCOV se calculo en el item anterior, reemplazando 8 obtenemos: TOV =35.326 kV

Voltajes nominales tentativos para el DPS: V R 1=

MCOV FT 1

[9]

V R 2=

TOV FT2

[10]

Donde: FT 1 es 0.8 que es un valor normalmente encontrado en el proceso de selección de DPS. FT 2 es 1.06, para un tiempo de diseño de descarga de 10seg. V R 1=25.98 kV

Se selecciona

VR2

V R 2=33.33 kV

como voltaje de diseño, ya que

V R 2>V R 1

Factor de tolerancia: Ya que la tensión del sistema es superior a 30 kV el factor de tolerancia será del 105% del voltaje nominal de diseño. V r =1.05∗V R 2

[11]

V r =35 kV En el catalogo de ABB se selecciona un DPS acorde al nivel de tension, la figura 8 muestra la selección.

Figura 8. Caracteristicas de DPS para nivel de tension de tension de 36.5kV

Para un impulso de 10kA, 8/20μs el NPR= 93.3kV. Para un impulso de 0.5kA, 30/60μs el NPM= 74.1kV.

BIL y BSL. Se calcula el mínimo valor para impulsos tipo rayo; definido como:

BIL=K r∗NPR [12] Donde el factor

K r =1.25

(factor de seguridad); con lo que se obtiene una

tensión de 116.625 kV Para normalizar estos valores, nos remitimos a los valores de niveles de aislamiento fase tierra normalizados.

BILNorm=145 Para el BSL utilizamos la ecuacion 13:

BSL=K m∗BIL

[13]

Con

K m =0.83, para equipos sumergidos en aceite (Transformador

tridevanado).

BSL=120.35 kV Ahora, con estos datos checamos que se cumpla la relación:

BSL >1.2 NPM BSL 120.35 = =1.624> 1.15 NPM 74.1 Con esto comprobamos que nuestros DPS seleccionados cumplen.



Voltaje maximo de 123 kV

V n 1=115 kV

MCOV =

V Máx =71.01 kV √3

TOV =F A∗MCOV =120.72kV V R 1=

MCOV 71.01 = =88.77 kV FT 1 0.8

V R 2=

TOV 120.72 = =113.89 kV FT 2 1.06

V r =1.05∗V R 2 V r =119.6 kV

V Máx 1=123 kV

En el catalogo de ABB se selecciona un DPS acorde al nivel de tension, la figura 8 muestra la selección.

Figura 9. Caracteristicas de DPS para nivel de tension de tension de 123kV

Para un impulso de 10kA, 8/20μs el NPR= 273kV. Para un impulso de 0.5kA, 30/60μs el NPM= 234kV.

BIL=K r∗NPR=341.25 kV K r =1.25 BILNorm=450 BSL=K m∗BIL=373.5 K m =0.83 BSL >1.2 NPM BSL 373.5 = =1.59>1.15 NPM 234



Voltaje maximo de 245kV

V n 1=230 kV

MCOV =

V Máx 1=245 kV

V Máx =141.45 kV √3

TOV =F A∗MCOV =240.47 kV V R 1=

MCOV 141.45 = =176.81 kV FT 1 0.8

V R 2=

TOV 240.47 = =226.86 kV FT 2 1.06

V r =1.05∗V R 2 V r =238.20 kV

Figura 10. Caracteristicas de DPS para nivel de tension de tension de 245kV

Para un impulso de 10kA, 8/20μs el NPR= 536kV. Para un impulso de 0.5kA, 30/60μs el NPM= 438kV.

BIL=K r∗NPR=670 kV K r =1.25 BILNorm=650

BSL=K m∗BIL=556.1 K m =0.83 BSL >1.2 NPM BSL 556.1 = =1.27>1.15 NPM 438

5. DPS 36KV Brief performance data System voltages (Um) Rated voltages (Ur) Nominal discharge current (IEC) Discharge current withstand strength: High current 4/10 μs Low current 2 000 μs Energy capability: Line discharge class (IEC) [2 impulses, (IEC Cl. 8.5.5) Fulfils/exceeds requirements of ANSI transmission-line discharge test for 170 kV systems. Short-circuit/Pressure relief capability External insulation Mechanical strength: Specified long-term load (SLL) Specified short-term load (SSL) Service conditions: Ambient temperature Design altitude Frequency

123kV Brief performance data

24 - 170 kV 18 - 144 kV 10 kApeak 100 kApeak600 Apeak

Class 2 5.1 kJ/kV (Ur)]

50 kAsym Fulfils/exceeds standards 1 000 Nm 1 600 Nm -50 °C to +45 °C max. 1 000 m 15 - 62 Hz

Figura 11. DPS para 36 kV

System voltages (Um) Rated voltages (Ur) Nominal discharge current (IEC) Classifying current (ANSI/IEEE) Discharge current withstand strength: High current 4/10 μs Low current 2 000 μs Energy capability: Line discharge class (IEC) [2 impulses, (IEC Cl. 8.5.5) Fulfils/exceeds requirements of ANSI transmission-line discharge test for 362 kV systems. Short-circuit/Pressure relief capability External insulation Mechanical strength: Specified long-term load (SLL) Specified short-term load (SSL) Service conditions: Ambient temperature Design altitude Frequency

52 - 420 kV 42 - 360 kV 20 kApeak 15 kApeak 100 kApeak1 500 Apeak

Class 4 12.0 kJ/kV (Ur)]

65 kAsym Fulfils/exceeds standards 2 500 Nm 4 000 Nm -50 °C to +45 °C max. 1 000 m 15 - 62 Hz

Figura 12. DPS para 123 kV

245kV

Brief performance data System voltages (Um) Rated voltages (Ur) Nominal discharge current (IEC) Classifying current (ANSI/IEEE) Discharge current withstand strength: High current 4/10 μs Low current 2 000 μs Energy capability: Line discharge class (IEC) [2 impulses, (IEC Cl. 8.5.5) Fulfils/exceeds requirements of ANSI transmission-line discharge test for 170 kV systems. Short-circuit/Pressure relief capability External insulation Mechanical strength: Specified long-term load (SLL) Specified short-term load (SSL) Service conditions: Ambient temperature Design altitude Frequency

Bibliografia.

52 - 420 kV 42 - 360 kV 10 kApeak 10 kApeak 100 kApeak1 000 Apeak

Class 3 7.8 kJ/kV (Ur)]

50 kAsym Fulfils/exceeds standards 2 500 Nm 4 000 Nm -50 °C to +45 °C max. 1 000 m 15 - 62 Hz

Figura 13. DPS para 245 kV

Catalogos de ABB, “High Voltage Surge Arresters Buyer´s Guide”. Software TEXAS INSTRUMENTS. “Tina”.