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FALLAS SERIE

INDICE 1 OBJETIVOS............................................................................................................3 2

INTRODUCCION................................................................................................3 2.1

3

TIPOS DE FALLAS SERIE.................................................................................7 3.1

UNA FASE ABIERTA....................................................................................8

3.1.1

Diagrama esquemático..........................................................................8

3.1.2

Condiciones impuestas por la falla........................................................9

3.1.3

Ecuaciones en componentes de secuencia..........................................9

3.1.4

Conexión de las mallas..........................................................................9

3.2

4

SIMULACION DE FALLAS SERIE...............................................................4

DOS FASES ABIERTAS.............................................................................10

3.2.1

Diagrama esquemático........................................................................10

3.2.2

Condiciones impuestas por la falla......................................................11

3.2.3

Ecuaciones en componentes de secuencia........................................11

3.2.4

Conexión de las mallas........................................................................11

IMPEDANCIAS SERIE DESEQUILIBRADAS..................................................12 4.1.1

Diagrama esquemático........................................................................12

4.1.2

Condiciones impuestas por la falla......................................................13

4.1.3

Conexión de las mallas........................................................................13

4.2

EJEMPLO...................................................................................................14

SOLUCIÓN...........................................................................................................15 4.2.1

Condiciones de prefalla:......................................................................15

4.2.2

Condiciones de falla:...........................................................................15

4.3

Potencia que llega al motor en estas condiciones.....................................16

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1

FALLAS SERIE

5

4.4

Corrientes en los neutros de los transformadores en pu...........................17

4.5

Corrientes en los neutros de los transformadores en Amperes.................17

TECNICAS DE DETECCION DE FALLAS EN SERIE.....................................17 5.1

PROBLEMA DE SENSIBILIDAD................................................................18

5.2

PROBLEMA DE LA DETECCION..............................................................18

5.3

PROPUESTA DE SOLUCION....................................................................19

5.3.1

PROTECCION CONTRA FALLA FASE ABIERTA..............................19

6

CONCLUSIONES.............................................................................................20

7

BIBLIOGRAFIA.................................................................................................21

ANEXO....................................................................................................................22

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FALLAS SERIE

1 OBJETIVOS El presente tema de investigación tiene como propósito el presentar y revisar los conceptos fundamentales requeridos para el análisis de fallas en serie en sistemas eléctricos de potencia. Comprender en qué consisten las fallas en serie. Ver las posibles técnicas de detección de fallas en serie.

2 INTRODUCCION Las fallas de conductor abierto o las fases abiertas, son los defectos producidos por la interrupción de una o más fases, sin contacto simultáneo con otras fases o tierra. Aunque no producen corrientes elevadas, provocan la circulación de corrientes de secuencia (en especial negativa) que son peligrosas para los equipos por el fuerte calentamiento que pueden originar. A primera vista, el cálculo empleando componentes simétricos se ve complicado por el hecho de que las fallas implican una asimetría en las impedancias del sistema, lo que haría necesario considerar los acoplamientos entre mallas de secuencia. El problema se resuelve aplicando a las mallas de secuencia, supuestas independientes y sin impedancias mutuas, las condiciones eléctricas impuestas por la falla. Como las condiciones impuestas a lastres mallas están relacionadas entre sí, ello equivale a interconectar las mallas en el punto de falla, en una forma fijada por el tipo de falla. El fenómeno que sigue a la aparición de la falla es transigente, donde las corrientes máximas se producen en el instante inicial. Normalmente interesa determinar lo que ocurre al cabo de algunos ciclos de iniciada la falla (operación de las protecciones, apertura de interruptores, etc.), por lo que en secuencia positiva, los generadores se representan por la fem E' y la reactancia transitoria PAJA SUPO LARRY IVAN

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X'1. Sólo cuando interesa verificar los esfuerzos electrodinámicos de los equipos o al especificar interruptores, se considera E'' tras X''1. Una dificultad preliminar en el estudio de este tipo de fallas será entonces la de calcular las fem E' (o E"), a partir de las condiciones de operación existentes antes de la falla. Dada la simetría longitudinal de estas fallas, se acostumbra usar como variables de cálculo, las caídas longitudinales de tensión DVa, DVb y DVc entre los bornes P y Q de la zona en falla y las corrientes en las fases: I a, Ib e Ic, tal como se indica en la Figura 4.36.-

Para evitar la aparición de razones de transformación no reales (a, a2, etc.) en las ecuaciones de conexión, es preciso mantener en el análisis una simetría respecto a la fase de referencia a, por lo que la falla monofásica se supone en la fase a y la bifásica en las fases b y c.

2.1 SIMULACION DE FALLAS SERIE Este tipo de fallas involucran dos nodos del sistema, tal como se muestra en la Figura 9.3.

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Entonces, el equivalente de Thevenin se obtiene entre los nodos r y q, y siguiendo la metodología para fallas en derivación, ahora se inyecta una corriente de falla en los dos nodos del sistema, a fin de determinar los voltajes. Al igual que en las fallas en derivación, es conveniente usar la matriz de admitancias de falla, en lugar de la matriz de impedancias de falla. Aquí, las matrices de admitancias de falla también se definen con base a las diferencias de voltaje entre nodos y las corrientes que circulan por las fases correspondientes. En términos generales, una falla serie entre los nodos r

y

q

del

sistema eléctrico, puede representarse por la Figura 9.4.

De la Figura 9.4, se define a los siguientes voltajes: = Voltaje complejo en el nodo r, fase a. = Voltaje complejo en el nodo r, fase b. = Voltaje complejo en el nodo r, fase c. PAJA SUPO LARRY IVAN

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= Voltaje complejo en el nodo q, fase a. = Voltaje complejo en el nodo q, fase b. = Voltaje complejo en el nodo q, fase c.

Además, en términos de admitancias, la matriz de falla estará dada por:

(9.38) Si , simplifica a:

,

, entonces

la

matriz

de

(9.38)

se

(9.39) Si se pasa al marco de referencia de secuencias, a través del producto matricial: (9.40) donde es la matriz de admitancias de falla en componentes de secuencia (012), y representa el caso general de una falla trifásica serie. Substituyendo (9.38) en (9.40) y desarrollando el producto matricial, se obtiene:

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… (9.41) A partir de la matriz (9.41), se puede derivar a los elementos para cada falla serie en particular, tal como se describe a continuación.

3 TIPOS DE FALLAS SERIE    La

Una fase abierta Dos fases abiertas Tres fases abiertas

última

situación

significa

que

la

línea

o

dispositivo

sale

completamente de servicio.

3.1 UNA FASE ABIERTA Esta situación se presenta por ejemplo cuando se emplean elementos de apertura que controlen individualmente cada una de las fases (fusibles o interruptores de accionamiento monopolar). A veces

ocurre

también

al

cortarse

un

conductor

y

quedar

suspendido de tal forma de no hacer contacto con otra fase o tierra. 3.1.1 Diagrama esquemático

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Figura 4.37.- Representación esquemática de una falla de una fase abierta

3.1.2 Condiciones impuestas por la falla

(4.76) Es decir:

(4.77)

3.1.3 Ecuaciones en componentes de secuencia Las componentes simétricas de las corrientes y de las caídas de voltajes quedan:

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(4.78)

3.1.4 Conexión de las mallas A partir de (4.78), se puede concluir que las mallas de secuencia quedan conectadas en paralelo entre los punto P y Q, tal como se indica en la Figura 4.38.-

Figura 4.38.- Conexión de las mallas de secuencia para una falla de una fase abierta Puesto que las mallas de secuencia negativa y cero son pasivas, su efecto es el de intercalar una impedancia:

(4.79) entre los bornes P y Q de la malla de secuencia positiva. Por lo tanto, aumenta la impedancia serie de la malla de secuencia positiva, lo que significa que se reduce la corriente y en consecuencia, la potencia activa transmitida. En algunos casos particulares y, debido a las conexiones de los transformadores vecinos a P y Q, puede resultar que Z0pq = ¥, en cuyo caso aumenta aún mas la impedancia serie agregada a la malla de secuencia positiva, haciendo que la disminución de potencia transmitida sea mayor. Es conveniente indicar que Z 0pq y Z2pq son las impedancias equivalentes vistas en esas mallas desde los bornes P y Q. PAJA SUPO LARRY IVAN

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3.2 DOS FASES ABIERTAS Esta situación se presenta en las mismas situaciones que originan una fase abierta, pero con una frecuencia menor. 3.2.1 Diagrama esquemático

Figura 4.42.- Representación esquemática de una falla de dos fases abiertas

3.2.2 Condiciones impuestas por la falla

(4.80) 3.2.3 Ecuaciones en componentes de secuencia Las componentes simétricas de las corrientes y de las caídas de voltajes quedan:

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(4.81) 3.2.4 Conexión de las mallas A partir de (4.81), se concluye que las mallas de secuencia quedan conectadas en serie tal como se indica en la Figura 4.43. (4.82) entre los bornes P1 y Q1 de la malla de secuencia positiva. Con ello se reduce la potencia activa transmitida en el sistema, en una cantidad mayor que para el caso de una fase abierta, ya que la impedancia es mas alta. Nótese que la transmisión se interrumpe totalmente si Z0pq = ¥, es decir si el sistema no está puesto a tierra.

Figura 4.43.- Conexión de las mallas de secuencia para una falla de una fase abierta

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IMPEDANCIAS SERIE DESEQUILIBRADAS

Un efecto similar, aunque menos grave que el de las fases abiertas, produce la conexión de una impedancia anormal en una de las fases. Es una situación que se PAJA SUPO LARRY IVAN

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presenta, por ejemplo, en el caso de reemplazar temporalmente una unidad monofásica

defectuosa

en

un

banco

de

transformadores

por

otra

de

características diferentes, donde dos de las fases tendrán el mismo valor en su impedancia serie, el que será distinto al de la tercera. Otra situación de interés práctico se presenta cuando, debido a un cortocircuito monofásico a tierra en una línea trifásica, se desconecta la fase fallada por acción de los interruptores (monopolares) que protegen el tramo, que corresponde al caso de una fase abierta en dos puntos. 4.1.1 Diagrama esquemático

Figura 4.44.- Impedancias series desequilibradas 4.1.2 Condiciones impuestas por la falla

(4.83) Ecuaciones en componentes de secuencia

(4.84)

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4.1.3 Conexión de las mallas Considerando las ecuaciones (4.84), las mallas de secuencia quedan conectadas en paralelo, tal como se indica en la Figura 4.45.

Figura 4.45.- Conexión de las mallas de secuencia cuando se tiene impedancias serie desequilibrada

Para la transferencia de potencia activa, la conexión de las mallas de secuencia en esta forma, equivale a intercalar en la malla de secuencia positiva, la combinación de impedancias ZB en serie con el paralelo de 1/3(Z A - ZB) con (Z2pq + ZB) y con (Z0pq + ZB). Si ZA ® ¥ y ZB ® 0, se tiene el caso ya visto de una fase abierta. Si ZA ® 0 y ZB ® ¥, se obtiene el caso de dos fases abiertas, pero para llegar a las relaciones ya vistas hay que calcular primero el equivalente de las impedancias en paralelo, antes de hacer tender ZB a ¥. Si ZA=¥ y ZB corresponde a las respectivas impedancias de secuencia del tramo, se tiene el caso de una fase abierta en dos puntos.

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4.2 EJEMPLO En el sistema de la Figura 4.39, se abre la fase "a" en la barra 3 cuando el motor M está recibiendo el 80% de su potencia nominal, con su tensión nominal en bornes, Factor de Potencia 0,8 inductivo. Calcular la potencia recibida por el motor (kVA) y las corrientes en los neutros de los transformadores en estas condiciones. Datos en % en base común 1.250 kVA.

Figura 4.39

SOLUCIÓN: 4.2.1 Condiciones de prefalla:

El circuito equivalente por fase se muestra en la Figura 4.40 Del Circuito de la Figura 4.14 se tiene:

Figura 4.40

4.2.2 Condiciones de falla:

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Como se abre una sola fase las mallas de secuencia quedan en paralelo y se muestran en la Figura 4.41. A partir de este circuito se tiene:

Figura 4.41

4.3 Potencia que llega al motor en estas condiciones

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4.4 Corrientes en los neutros de los transformadores en pu

4.5 Corrientes en los neutros de los transformadores en Amperes

=>

5 TECNICAS DE DETECCION DE FALLAS EN SERIE Los sistemas industriales, requieren sistemas eléctricos sin interrupciones, como además con reducido riesgo contra electrocución de personas o daño a la propiedad. PAJA SUPO LARRY IVAN

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En la actualidad las redes de distribución y líneas de transmisión están quedando dentro de zonas urbanas, y las redes aéreas de distribución van reemplazando a las redes subterráneas. En sistemas con neutro puesto a tierra directamente, se tiene el riesgo de perdida de estabilidad debido a las altas corrientes de falla. Los dispositivos de protección actuales, son apropiados para proteger el equipamiento industrial, es decir cables, transformadores, motores, equipos electrónicos. Y se diseñan con una respuesta suficientemente rápida para reducir las interrupciones a los usuarios. Se hará referencia a la conexión estrella o triangulo al lado de transformador que alimenta a las cargas. La magnitud de la corriente de falla a tierra, depende del método de aterramiento del sistema, principalmente se detecta la corriente residual. Y se utilizan elementos direccionales, similar a vatímetro o varímetro, al cual se le predetermina la red a abrir, según el flujo de potencia de falla. En sistemas en triangulo, se complica el problema y puede ocurrir la falla a tierra de alta impedancia, el cual es un riesgo para la vida. Y no es posible setear los reles a muy bajas corrientes debido al desbalance de cargas de línea o a las corrientes de magnetización de los transformadores de corriente, los sensores ópticos de corriente permiten la detección de corrientes mas bajas de falla. El circuito para evaluar los amperios y tensión de falla es según la Fig. 1. donde r1+jx1 es la resistencia y reactancia de secuencia positiva, r2+jx2 es la resistencia y reactancia de secuencia negativa, r0+jx0 es la resistencia y reactancia de secuencia cero, RN es la resistencia del neutro.

5.1 PROBLEMA DE SENSIBILIDAD La capacitancia de la red, las perdidas por fuga en aislamientos, el efecto corona, el desbalance de cargas permiten una baja corriente homopolar, en condiciones del sistema sin falla.

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La corriente de excitación de los transformadores de corriente electromagnéticos de rele puede ocasionar una falsa operación de la protección.

5.2 PROBLEMA DE LA DETECCION El problema de la sensibilidad no permite bajos valores de Setting (Valor de actuación) del rele. En el momento de falla la detección dependerá de la resistencia del terreno. Una alta resistencia del terreno podría hacer lento la operación de rele. La protección convencional es mas afectada debido que el Setting de este es muy grande y no detecta fallas con corrientes bajas. La protección basada en análisis de arco de falla a tierra, no detecta la falla si el cable cae sobre un material que no produce arco.

5.3 PROPUESTA DE SOLUCION 5.3.1 PROTECCION CONTRA FALLA FASE ABIERTA La protección de sistemas eléctricos de configuración radial, debe detectar el cable roto, la protección que planteo se basa en medir las tensiones i/o corriente de fase o línea, en lado de carga, ya que al romperse un cable en lado de carga se detectara la caída de tensión i/o corriente en la fase fallada principalmente. Y mediante comunicación electrónica enviara una señal al extremo de la red fallada y se abrirá el interruptor automático aguas arriba, para desenergizar el tramo fallado. Otra alternativa seria el sensor de tensión óptico, ubicado en el lado de carga, y el generador de luz ubicado en la sub estación alimentadora en el otro extremo, el cual al detectar la caída de tensión manda abrir el interruptor automático. En tramos de sistemas eléctricos, que estén alimentados por ambos lados de la red eléctrica, se detectara principalmente la igualdad de corriente de las fases sanas y el aumento de la corriente de secuencia negativa. PAJA SUPO LARRY IVAN

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Así el sistema de protección contra fallas a tierra comienza desde que el cable se rompe, y no como los sistemas de protección actuales que esperan que el cable toque tierra para comenzar a detectar la falla. En cuanto a la comunicación electrónica los siguientes canales digitales están disponibles:  

Fibra óptica dedicada, siendo el más confiable. Redes multiplexadas usando interfaces de 64kbits.



T1 multiplexado, es multipunto, la señal pasa a través de varios puntos antes de llegar a su destino final, este retardo de tiempo no



es conveniente para señales de protección. SONET o red óptica síncrona, los varios puntos con ADM (Add/Drop multiplexor), requieren un tiempo para añadir o quitar señales a la señal óptica, se convertirá a señal a eléctrica y luego se convierte otra vez a señal óptica. Para que llegue a su destino final. Este



tiempo no es conveniente en tele protección. Vea Fig. 15 y 16. Enlaces digitales de radio o microonda, tienen tiempos cortos de transmisión de señal protección pero en malas condiciones de clima la señal se desvanece.

6 CONCLUSIONES o Las fallas de conductor abierto o las fases abiertas, son los defectos producidos por la interrupción de una o más fases, sin contacto simultáneo con otras fases o tierra. o En las fallas en serie involucran dos nodos del sistema. o La protección de sistemas eléctricos de configuración radial, debe detectar el cable roto, la protección que planteo se basa en medir las tensiones i/o corriente de fase o línea, en lado de carga, ya que al romperse un cable en lado de carga

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se detectara la caída de tensión i/o corriente en la fase fallada principalmente. o Aunque no producen corrientes elevadas, provocan la circulación de corrientes de secuencia (en especial negativa) que

son

peligrosas

para

los

equipos

por

el

fuerte

calentamiento que pueden originar. o Un efecto similar, aunque menos grave que el de las fases abiertas, produce la conexión de una impedancia anormal en una de las fases. o En la de dos fases abiertas se presenta en las mismas situaciones que originan una fase abierta, pero con una frecuencia menor. o En la de una fase abierta se presenta por ejemplo cuando se emplean

elementos

individualmente

cada

de una

apertura de

las

que fases

controlen (fusibles

o

interruptores de accionamiento monopolar). A veces ocurre también al cortarse un conductor y quedar suspendido de tal forma de no hacer contacto con otra fase o tierra. o Al igual que en las fallas en derivación, es conveniente usar la matriz de admitancias de falla, en lugar de la matriz de impedancias de falla.

7 BIBLIOGRAFIA  

http://soyelectricista.galeon.com/ http://elec.itmorelia.edu.mx/tovar/10modfallas-01.htm

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

http://aulaweb.upes.edu.sv/claroline/backends/download.php? url=L1BSRVNFTlRBQ0lPTl83QS5wZGY

  

%3D&cidReset=true&cidReq=ASP023 http://www.utp.edu.co/~aescobar/Cortocircuito.pdf http://www.slideshare.net/jiso45/fallas-electricas http://www.inele.ufro.cl/apuntes/Analisis_Moderno_de_Sistemas_ de_Potencia__Ing_Electrica_para_Ingenieros_de_Ejecucion/7_CALCULO_DE_FA

 

LLAS.pdf http://www.inele.ufro.cl/apuntes/sep/capitulo_4_seccion_4.6.htm http://www.buenastareas.com/ensayos/Fallas-Sistema-De-



Potencia/2262870.html http://ingeborda.com.ar/biblioteca/Biblioteca %20Internet/Articulos%20Tecnicos%20de



%20Consulta/Protecciones/CALCULO-DE-FALLAS.pdf http://es.scribd.com/doc/80872715/Fallas-en-Serie

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ANEXO

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