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 ColombiaSede Medellín

Noviembre de 2013

Se presenta el diagrama unifilar para el trabajo de selección de DPS.

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 XT =0.10

CARGA: 10 MVARS tipo inductivo conectada en delta

Puntos de falla demarcados en la figura 1.

Voltajes máximos 245 kV, 123kV, 36.5 kV.

S1S2

LINEADELTA

Y aterrizado Y aterrizado X=2j

CARGA

DELTA

Y aterrizadoX=3j

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]

Zb=V b

2

Sb[1]

I b=Sb

2

√3V b

[2]

Los resultados son mostrados en la tabla 1.

ZONAS S3ø BASE (MVA)

VLL B (KV)

I B (kA) Z B (Ω)

I 2100 105 11.55 5.25II 2100 210 5.77 21III 2100 31.5 38.49 0.473IV 2100 10.04 121.24 0.0476

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)

0.473=17.756(1+ j)

La impedancia por unidad del sistema 1:

X p . u .S 1=V bfab

2

Sb fab

1ZbNuevo

= 1102

11001

5.25=2.095

La impedancia por unidad del sistema 2:

X p . u .S 1=V bfab

2

Sb fab

1Zb Nuevo

=

2102

2100∗1

21=1

Impedancia por unidad del transformador 1:

ZH=12 ( ZHL+ZHT−Z¿)[3]

ZT=12 ( ZHT+Z¿−Z HL)[4 ]

ZL=12 (Z¿+ZHL−ZHT )[5 ]

Haciendo las correcciones según la relación:

X p . u .Nuevo=X p .u .fabV bfab

2

Sbfab

1ZbNuevo

[6 ]

X p . u .HL=0.1 2302

181121

=1.39

X p . u .HT=0.06 2302

61= 1

21=2.48

X p . u .¿=0.04

34.52

61∗1

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:

X p . u .T 2=0.10 34.52

311

0.4725=8.13

Impedancia por unidad de la carga:

X p . u .carga=112

101

0.048=252.08

Fuente para el sistema 1

X p . u .V 1=Voltaje fuente

Voltaje base zona=110

105=1.05

Fuente para el sistema 2

X p . u .V 2=Voltaje fuente

Voltaje base zona=210

210=1

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

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:

Figura 3. Falla 1

Secuencia positiva:

Falla 2Falla 1

Figura 4. Simplificacion de secuancia positiva.

Secuencia negativa:

Figura 5 Simplificacion de secuencia negativa.

Secuencia cero:

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

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 a0= 1

2.47 j+2.47 j+57.64 j=0.0166⦟−90

Figura 7. Circuito para determinar Ia0.

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

I A=3 I a0=0.0479⦟−90

Para calcular Va1, Va2 y Va0:

V a1=1−I a

0 Z1

V a2=−I a

0 Z2

V a0=−I a

0 Z0

Reemplazando en las ecuaciones:

V a1=0.960

V a2=−0.039

V a0=−0.921

Los volatjes reales en la falla monofasica son:

V aF=V a0+V a

1+V a0=−0.00000176 ≈ 0

V bF=V a0+a2V a

1+a V a2=(1.63⦟−147.9)

V aF=0

Finalmente el factor de aterrizamiento se calcula con la expresión:

F A=Vfase sanadurante la falla

V prefalla[7]

F A=|0.4622−0.866 j0.96 |=1.7

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 Máx1=36 kV

Tensión máxima de operación continúa (por fase).

MCOV =V Máx

√3=20.78 kV

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 R1=MCOV

FT 1[9] V R 2=

TOVFT 2

[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 V R2=33.33 kV

Se selecciona V R2como 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=145Para el BSL utilizamos la ecuacion 13:

BSL=Km∗BIL [13]

Con Km=0.83, para equipos sumergidos en aceite (Transformador tridevanado).

BSL=120.35kV

Ahora, con estos datos checamos que se cumpla la relación:

BSLNPM

>1.2

BSLNPM

=120.3574.1

=1.624>1.15

Con esto comprobamos que nuestros DPS seleccionados cumplen.

Voltaje maximo de 123 kV

V n 1=115 kV V Máx1=123 kV

MCOV =V Máx

√3=71.01kV

TOV =F A∗MCOV =120.72 kV

V R 1=MCOV

FT 1=71.01

0.8=88.77 kV

V R 2=TOVFT 2

=120.721.06

=113.89 kV

V r=1.05∗V R 2

V r=119.6kV

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=Km∗BIL=373.5

Km=0.83

BSLNPM

>1.2

BSLNPM

=373.5234

=1.59>1.15

Voltaje maximo de 245kV

V n 1=230 kV V Máx1=245 kV

MCOV =V Máx

√3=141.45 kV

TOV =F A∗MCOV =240.47 kV

V R 1=MCOV

FT 1=141.45

0.8=176.81kV

V R 2=TOVFT 2

=240.471.06

=226.86 kV

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=Km∗BIL=556.1

Km=0.83

BSLNPM

>1.2

BSLNPM

=556.1438

=1.27>1.15

5. DPS

36KV

Brief performance dataSystem voltages (Um) 24 - 170 kVRated voltages (Ur) 18 - 144 kVNominal discharge current (IEC)

10 kApeak

Discharge current withstand strength:High current 4/10 μsLow current 2 000 μs

100 kApeak600 Apeak

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.

Class 25.1 kJ/kV (Ur)]

Short-circuit/Pressure relief capability

50 kAsym

External insulation Fulfils/exceeds standardsMechanical strength:Specified long-term load (SLL)Specified short-term load (SSL)

1 000 Nm1 600 Nm

Service conditions:Ambient temperatureDesign altitudeFrequency

-50 °C to +45 °Cmax. 1 000 m15 - 62 Hz

123kV

Brief performance dataSystem voltages (Um) 52 - 420 kV

Figura 11. DPS para 36 kV

Rated voltages (Ur) 42 - 360 kV

Nominal discharge current (IEC)

20 kApeak

Classifying current (ANSI/IEEE) 15 kApeakDischarge current withstand strength:High current 4/10 μsLow current 2 000 μs

100 kApeak1 500 Apeak




65 kAsym


2 500 Nm4 000 Nm


-50 °C to +45 °Cmax. 1 000 m15 - 62 Hz

245kV

Brief performance data


System voltages (Um) 52 - 420 kV

Rated voltages (Ur) 42 - 360 kVNominal discharge current (IEC)

10 kApeak

Classifying current (ANSI/IEEE) 10 kApeakDischarge current withstand strength:High current 4/10 μsLow current 2 000 μs

100 kApeak1 000 Apeak




50 kAsym


2 500 Nm4 000 Nm


-50 °C to +45 °Cmax. 1 000 m15 - 62 Hz

Bibliografia.

Catalogos de ABB, “High Voltage Surge Arresters Buyer´s Guide”.

Software TEXAS INSTRUMENTS. “Tina”.


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