Selección de dispositivo contra sobretensión (DPS)

Selección de dispositivo contra sobretensión (DPS)

Resumen— En este documento se aborda el problema de selección de un DPS para un sistema de potencia determinado, tomando como base los pasos recomendados por la profesora Clara Rojo Ceballos. Se tiene como inicio de análisis un determinado sistema de potencia al cual se le realiza dos simulaciones de falla monofásica en diferentes nodos del mismo, en cada caso se halla el factor de falla. Seguido a lo anterior se realiza la selección de DPS para los dos puntos de falla.

Palabras clave— DPS. Falla monofásica.

Nomenclatura

DPS: Dispositivo contra sobretensión.

MCOV: Tensión máxima de operación continúa.

TOV: Sobretensiones temporales.

Ur: Tensión nominal del DPS.

Fp: Facto de puesta a tierra.

K_1: Constante de falla.

DA: Descarga atmosférica.

DM: Descarga por maniobra.

NPR: Tensión residual debido a corriente de rayo.

NPM: Tensión residual debido a maniobra.

BIL: Nivel básico de aislamiento.

BSL: Nivel básico de aislamiento por swicheo.

Introducción

E

L sistema eléctrico de potencia es de suma importancia para mantener el equilibrio acostumbrado en la sociedad. El progreso, la producción, la industria, el buen vivir, vienen ligados a la energía eléctrica ya que sin esta no serían posibles.

La dependencia de la sociedad a la energía eléctrica tiene como consecuencia inmediata el estudio de esta, como poder generarla, trasmitirla y distribuirla, además, como protegerla de los inminentes riesgos de falla.

La falla monofásica es la más común en los sistemas eléctricos de potencia, debido a esto es de suma importancia la protección de los elementos conectados a la red, como transformadores. Para realizar la protección de estos elementos se hace uso de un descargador de sobre tensión o comúnmente llamado DPS. El DPS es un dispositivo que, en palabras cotidianas, recorta la tensión que aparece en el momento de una falla para proteger los elementos que están aguas debajo de este, por lo tanto seleccionar un DPS es una tarea de suma importancia ya que si se realiza una mala escogencia pueden ocurrir daños de millones de pesos o en el peor de los casos, vidas humanas. Ligado a la selección de DPS debe estar la selección de puesta a tierra, ya que si no se coordina bien estos dos procesos ninguno de los dos elementos servirán para la protección y si ocasionaran daños mayores a los elemento cerca de la falla.

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Proceso de selección de dps

El sistema tomado como base de análisis es el mostrado en la figura 1.

Fig 1. Sistema a analizar.

Como se puede apreciar, al sistema se le realizó la simulación del dos fallas monofásicas en diferentes nodos (nodo 2 y nodo 3) para analizar el factor de falla del sistema. El análisis se realizó con el método enseñado por la profesora Clara Rojo Ceballos, el proceso está consignado en el anexo 1.

Para realizar la selección del DPS se dividió el análisis en dos partes, falla en nodo 2 y falla en nodo 3, las cuales se muestran a continuación.

Falla nodo 1.

Tensión máxima del sistema.

La tensión nominal del sistema donde ocurre la falla monofásica es de 230 kV. La tensión máxima del sistema tomada de la IEC 60071-1 (1993), es de 245 kV

Obtención del MCOV.

Para obtener este parámetro del sistema se aplica la siguiente ecuación.

MCOV=Tmax/√3=(245 kV)/√3=141.45 kV (1)

Se toma el voltaje máximo debido a que el DPS debe tener la holgura que tiene el sistema para que el DPS pueda operar en todas la condiciones del sistema.

Obtención del TOV.

Como es TOV es el parámetro para reportar el nivel de sobretensión temporal en el sistema, este debe estar relacionado directamente con el factor de puesta a tierra del sistema en el punto de falla en consecuencia se debió realizar el análisis de falla monofásica. El análisis realizado dio como resultado 1.509 de factor de falla. El factor de falla está definido como sigue.

Factor de falla(Fp)=(Tensión de fase fallada)/(Tensión de fase "sana") (2)

En este caso se toma como tensión de fase “sana” a la tensión máxima de operación continua y para la tensión de fase fallada se toma a TOV, por lo tanto se tiene que:

TOV=Fp*MCOV (3)

TOV=1.509*141.45 kV=213.45 kV

Tensión nominal del DPS.

Este es un punto muy importante para le selección del DPS ya este parámetro establece un límite de operación continua el cual no se debe superar para asegurar los años de vida y no atrofiar la características que l proveedor ofrece.

Para el cálculo de este parámetro se tiene como base dos criterios.

Criterio del factor de diseño.

Este criterio relaciona al MCOV con el factor de diseño del DPS, dato que debe ser proporcionado por el fabricante y que se aproxima a 0.8.

U_r=MCOV/(Factor de diseño) (3)

U_r=(141.45 kV)/0.8=176.8 kV

La tensión nominal del DPS en este caso es mayor que la tensión máxima de operación continua, esto significa que el límite establecido para la operación continua del DPS está más “arriba” del límite del sistema, es decir, se está dando una holgura más al DPS a instalar.

Criterio de constante de falla.

Este criterio relaciona una constante de falla con el TOV. Los valores de la constante de falla para diferentes duraciones de falla son los mostrados en la siguiente tabla.

TABLA I

VALOR DE CONSTANTES DE FALLA

Duración de falla Valor

1 seg 1.15

10 seg 1.06

2 Horas 0.95

Para el caso analizado se considera que la falla tiene una duración de 1 seg.

La relación para hallar la tensión nominal es la siguiente.

U_r=TOV/K_1 (4)

U_r=(213.45 kV)/1.15=185.61 kV

En este caso la tensión nominal del DPS es menor que el TOV del sistema esto debido a que la duración de la falla es relativamente pequeña por lo tanto el DPS no estará sometido a esta tensión permanentemente. Por otro lado la tensión nominal en este caso es mayor que MCOV para poder proporcionar una holgura de funcionamiento nominal al DPS, similar a la otorgada en el criterio del factor de diseño.

De los criterios anteriores se selecciona la tensión mayor para cubrir los dos criterios, es decir, al seleccionar la mayor tensión, en este caso 185.61 kV del criterio de constante de falla, se cubre el caso del criterio del factor

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