Simulación del generador de Impulsos y DA´s en ATP

GENERADOR DE IMPULSOS Introducción En el presente trabajo se introducirán las dos principales causas de sobretensiones transitorias en una línea de transmisión de energía eléctrica, tipo rayo (atmosféricas) y tipo maniobra, se simulará el comportamiento comportamiento de una línea línea de transmisión típica frente a estos dos tipos de sobretensiones transitorias por medio del software ATP, posteriormente se simularán dichas sobretensiones en LTSPICE implementando un generador de impulsos tanto de una sola etapa como multietapa y se variaran los parámetros que lo componen para analizar analizar su comportamiento.

Sobretensiones transitorias en una línea de transmisión

Las sobretensiones transitorias se pueden clasificar según la norma IEC 60071-2 dependiendo de su frecuencia, forma y duración. La siguiente figura ilustra dicha clasificación según su duración.

Figura 1. Clasificación de descargas según su duración[1]. Como se observa en la Figura 1, las sobretensiones debidas a rayos, tienen una duración mucho más corta que las sobretensiones deb idas a maniobras, sin embargo las primeras se presentan con mucha más frecuencia, debido a esto y a que tienen una mayor magnitud, pueden causar fallos más seguidos en líneas líneas de transmisión.

Descargas tipo rayo (atmosféricas)

Son la principal causa de fallos y/o averías en líneas de transmisión. En Colombia es de gran importancia analizar y caracterizar bien este tipo de descargas ya que en este país se tienes regiones regiones donde el nivel ceráunico es bastante considerable. Este tipo de descargas se caracterizan como ondas de frente rápido ya que el frente de dicha descarga tiene un valor de 1.2μ y la cola tiene un tiempo de 50μ. En la Figura 2 se aprecian los tiempos de frente y de cola de una descarga tipo rayo.

Figura 1. Impulso tipo rayo La forma del impulso tipo rayo se logró simular en el generador de impulsos implementado en LTSPICE. Lo concerniente a dicha implementación, se mirará más adelante.

Descargas tipo maniobra Este tipo de sobretensiones transitorias, se presentan generalmente por la energización y desenergización de las líneas de transmisión y otros componentes como transformadores y reactores, de un sistema eléctrico de potencia. Caracterizadas como ondas de frente lento, las descargas tipo maniobra tienen un tiempo de frente de 250μ y un tiempo tiempo de cola de 2500μ. En la Figura 3 se aprecian los tiempos de frente y de cola de una descarga tipo maniobra.

Figura 3. Impulso tipo maniobra

La forma del impulso tipo maniobra también se logró simular en el generador de impulsos implementado en LTSPICE, variando los parámetros del mismo. Lo concerniente a dicha implementación, se mirará más adelante.

Implementación y simulación del generador de impulsos

En el software LTSPICE se implementó el siguiente esquema de un generado r de impulsos para obtener la forma de onda de la descarga tipo rayo y tipo man iobra.

Impulso tipo rayo

Figura 4. Esquema del generador de impulsos de una etapa para . /μ. Impulso tipo rayo.

Figura 5. Forma de onda de impulso tipo rayo. Con los valores de las resistencias del esquema de la figura 4, se obtiene la forma de onda de la figura 5, la cual tiene un tiempo de frente de 1.2μ y un tiempo de cola de 50μ la cual representa la forma de onda normalizada de una descarga tipo rayo.

Impulso tipo maniobra

Figura 6. Esquema del generador de impulsos de una etapa para /μ. Impulso tipo rayo.

Figura 7. Forma de onda de impulso tipo maniobra.

Con los valores de las resistencias del esquema de la figura 6, se obtiene la forma de onda de la figura 7, la cual tiene un tiempo de frente de 250μ y un tiempo de cola de 2500μ la cual representa la forma de onda normalizada de una descarga tipo maniobra.

También se implementó y simuló en LTSPICE un generador multietapa:

Figura 8. Esquema del generador multietapa.

Figura 9. Impulso obtenido en el generador multietapa.

Variación de parámetros en el generador de impulsos  Al variar las resistencias R1 y R2 se puede controlar los tiempos de frente y de cola del impulso, a continuación se muestra las diferentes formas de onda obtenidas al variar dichos parámetros.

Figura 10. Variación de R1.

Figura 11. Variación de R1.

SIMULACIÓN EN ATP INTRODUCCIÓN El análisis del comportamiento de las líneas de transmisión ante ondas tipo rayo o tipo maniobra, por medio del software ATP, puede ser útil para el diseño de la estructura de la torre, pararrayos o DPS, sistema de puesta tierra, apantallamiento, aisladores, etc. Además, cabe decir que las principales fallas se deben a descargas atmosféricas, ya sean directas o indirectas, que al impactar la LT producen flameo o flameo inverso y el sistema posteriormente alimenta la falla y por consiguiente ocasiona la apertura de la línea. También se puede evaluar una línea ya existente para realizarle un chequeo mediante simulación y posteriormente sacar conclusiones y recomendaciones para su adecuada operación. Para el diseño es de igual importancia conocer el nivel isoceraunico de la zona donde la línea debe hacer su trayectoria, las condiciones ambientales (polución, humedad, temperatura, presión o altura sobre el nivel del mar), la servidumbre, altura de la selva en la trayectoria de la línea, etc. Este trabajo solo se concentra en el comportamiento ante las diferentes ondas. Todo el sistema de análisis se concentra simplemente en la confiabilidad en el suministro continuo del servicio de energía, es decir, no exceder el número máximo de fallas al año por 100Km. El software ATP, permite analizar el comportamiento del sistema eléctrico en estado transitorio y estacionario, pero se debe realizar un adecuado modelamiento, para que estos resultados sean congruentes con la realidad y la información obtenida atreves de estos puedan ser útiles. El objetivo de este trabajo, es entonces, realizar un modelamiento de una línea de trasmisión y proceder a realizar la simulación antes las ondas ya mencionadas y posteriormente observar el comportamiento y realizar un análisis.

COMPONENTES DEL SISTEMA A MODELAR Para una adecuada simulación se requieren elementos como: corriente del rayo, línea de transmisión, torre de transmisión, resistencia de pie de torre, cadena de aisladores, pararrayos, reactores.

1. CORRIENTE DEL RAYO

Representación en ATP: Fuente de impulso Heidler (Type 15), la cual tiene la forma de onda propuesta por la norma IEC 61-1. Esta forma de onda se puede observar en la fig. 1. Está es una onda 1.2/50 con una corriente pico de 30KA. En la fig. 1 también se puede observar las diferentes clases y formas de ond a aproximadas a la realidad y estandarizadas.

Fig. 1. Clases, formas de onda y tiempos característicos de sobretensiones [1].

Magnitud de Corriente en la onda tipo rayo= 15kA

2. MODELACIÓN LINEAS DE TRANSMISIÓN El modelo que permite simular una línea de transmisión y representar el comportamiento transitorio son el Bergeron y J. Martí, por ende son modelos que puede ser usados para él análisis. El modelo PI permite calcular los parámetros de longitud [ Km], [Ω/km], [nF/km], [mH/km], para secuencia positiva, negativa y cero, dado los parámetros del cable de guarda y el parámetro para cables GrosbeaK en las fases, la cual es escogido

para nuestro caso. En la fig. 2 se puede observar con más detalle la definición y clasificación de cada modelo.

Fig. 2 Esquema de los diferentes modelos en las líneas de transmisión. [1].

El modelo Bergeron se basa en la propagación de la onda en la línea de transmisión considerando solo parámetros inductivos y capacitivos constantes y distribuidos, es decir, no considera pérdidas.

Fig. 3 Esquema representativo del modelo Bergeron. [2]. El modelo J. Marti los parametros son distribuidos y dependen de la frecuencia, este modelo evita probelas numéricos de estabilidad, y es util para un rago de frecuencias de 0 Hz a 106Hz.

Fig. 4 Esquema representativo del modelo JMARTI. [2]. En la siguiente tabla, se especifican los modelos adecuados, para diferentes casos.

Tabla 1. Directrices para modelar líneas de transmisión [2].

3. ESQUEMA DE LA TORRE Y PARAMETROS DE LOS CABLES.

En la modelación de las líneas de transmisión, se introducen los parámetros de la torre y de los cables, los cuales se muestran a continuación. Tabla 2. Parámetros cable de guarda y Grosbeak.

Fig. 5 Torre de transmisión de circuito Sencillo.

4. RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA. Representación en ATP: resistencia con característica no lineal Type 99.

La resistencia de puesta tierra depende de varios factores, en donde el factor más influyente es la resistencia de pie de torre, el cual tiene un comportamiento que depende de la corriente inyectada por la descarga atmosférica y también del tiempo, pero es despreciable [3].

Donde: Ro es la resistencia de pie de torre a baja corriente y baja frecuencia, Ω Rt es la resistencia de puesta a tierra a aparente en el momento de la DA’s, Ω Ig es la corriente limitante para inicializar una ionización suficiente del sue lo. I es la corriente del rayo a través de la resistencia de torre. El valor pico de sobre voltaje en el tope de la torre se vuelve más crítico en el momento en que la onda de la descarga atmosférica no se atenúa lo suficiente, es decir, la mayoría de esta se refleja o hay poca refracción desde la base de la torre y como consecuencia crea picos de tensión hasta 6 veces la nominal, que pueden romper la rigidez dieléctrica y producir flameo inverso. Nota: Se considera la resistencia de puesta a tierra con un comportamiento líneal por falta de datos.

RPT = 10Ω, 150Ω, 300Ω

5. CADENA DE AISLADORES Representación en ATP: Interruptores controlados po r voltaje. La cadena de aisladores se representan por un interruptor controlado por voltaje, el cual se esta normalmente abierto y se activa para un voltaje dado, este es determiando por el CFO (critical Flash Overvoltage), tensión de impulso donde el 50% de las veces que es ap licado a un equipo produce flameo.

Vflam = 700kV 6. PARARRAYOS

Representación en ATP: resistencia con característica no lineal Type 92. La característica del pararrayo tensión-corriente es función de la pendiente del impulso. Los fabricantes como siemens utilizan la onda de impulso normalizada 8/20us.

SIMULACIÓN Se simula las líneas de transmisión con el modelo de JMARTI. Se analizará el comportamiento que tiene el sistema al varias solamente la RPT, Los demás datos permanecen constantes. La falla se simulará con DA’s en el cable de guarda.

Fig. 6 Esquema de simulación.

SIMULACIÓN N° 1 R RPT = 10Ω

Fig. 7 Respuesta transitoria, en las fases (Tensiones) .

Fig. 7 .1 Respuesta transitoria, en las fases(Tensiones) .

Fig. 7.2 Respuesta transitoria, en las fases (Corrientes). Como se puede observar, hubo flameo solo en una fase, y luego el sistema se recupera rápidamente, el comportamiento es el de una falla monofásica a tierra, la cual es las más común el sistema de potencia.

SIMULACIÓN N° 1 R RPT = 150Ω

Fig. 8 Respuesta transitoria, en las fases (Tensiones) .

Fig. 8.1 Respuesta transitoria, en las fases (Tensiones) .

Fig. 8.2 Respuesta transitoria, en las fases (Corrientes) .

Como se puede observar, hubo flameo en dos de las fases, por lo que estas quedan cortocircuitadas, y es el equivalente a una falla bifásica a tierra.

SIMULACIÓN N° 1 R RPT = 300Ω

Fig. 9 Respuesta transitoria, en las fases (Tensiones) .

Fig. 9 .1 Respuesta transitoria, en las fases (Tensiones) .

Fig. 9 .2 Respuesta transitoria, en las fases (Corrientes). Como se puede observar, hubo flameo en todas las fases, y el comportamiento es como el de una falla trifásica a tierra. Este tipo de fallas es poco probable.

CONCLUSIÓN En las simulaciones queda explicito lo importante que es tener presente el sistema de puesta a tierra en un sistema de potencia, pues a medida que esta se iba incrementando la probabilidad de flameo en las fases también incrementaba, esto se debe a la poca refracción que posee el SPT, lo que ocasionaba mayores picos de tensión transitoria los cuales superaban la tensión disruptiva de los aisladores, ocasionándose fallas en él sistema. Hay varias formas de solucionar el problema del sistema de puesta a tierra, una es agregar colas o contrapesos de cobre más largos y profundos o agregándole químicos al terreno. Pero la manera más efectiva es instalar DPS en cada una de las fases, pero este es demasiado costoso.

REFERENCIAS [1] E.T.S.I , Universidad de Sevilla . [2] V. P. José, V. M. Ricardo y L. C. José , Escuela Superior Politécnica del Litoral . [3] K. S. V. Ocaña , Escuela Politécnica Nacional .