Electrico

CAPITULO 5

ESTUDIO Y ANALISIS DE FALLAS

5.1. Introducción

Las condiciones anormales de funcionamiento de un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), se deben a

fenómenos transitorios, que se pueden clasificar, según al tiempo de duración en las siguientes categorías:

– Fenómenos transitorios ultrarápidos: Corresponden sustancialmente a descargas atmosféricas sobre

las líneas de transmisión y a los fenómenos producidos por operaciones de conexión y desconexión de

diversos componentes de la red del SEP, tales como, las líneas. Las perturbaciones de este tipo dan

origen a ondas de tensión y corriente que viajan prácticamente a la velocidad de la luz, pero su efecto

dura unos pocos milisegundos después de iniciado. Sin embargo, los procesos de reflexión de las

ondas producen elevadas tensiones que pueden llegar a destruir el equipo asociado a las líneas. La

razón del estudio de estos fenómenos radica en el hecho de que su análisis suministra las bases

necesarias para la selección adecuada del nivel de aislación de los equipos eléctricos asociados a las

líneas y de las líneas mismas.

– Fenómenos transitorios medianamente rápidos: En este grupo se incluyen los fenómenos causados

por cambios abruptos de la estructura del SEP, o sea los cortocircuitos o líneas abiertas. Usualmente,

sólo los 10 primeros ciclos son de importancia práctica y se estudian en el rango de 10 a 100

milisegundos siguientes a la falla.

– Fenómenos transitorios lentos: Cuando ocurre un cortocircuito en una línea de transmisión

importante y no se desconecta oportunamente la sección afectada, puede producirse uno de los

fenómenos más peligrosos de un SEP, esto es, oscilaciones mecánicas de los rotores de los

generadores. Se producen fenómenos transitorios electromecánicos que se estudian bajo el nombre de

estabilidad transitoria. Las oscilaciones mecánicas de los rotores son relativamente lentas, en

consecuencia, los estudios de estabilidad transitoria se realizan en el rango de fracción de segundo

hasta un minuto.

Debido a los fenómenos transitorios se pueden producir en un SEP, diversas alteraciones que reciben

el nombre de fallas. Una falla en un circuito es cualquier evento que interfiere con el flujo normal de

corriente. Sin embargo, dentro de este curso, designaremos como fallas a los cortocircuitos y las fases

abiertas.

5.2. Tipos de fallas

– Cortocircuitos: Trifásico simétrico, aislado o a tierra, bifásico aislado (cortocircuito entre 2 líneas),

bifásico a tierra (entre dos líneas y el conjunto a tierra) y monofásico (una línea conectada a tierra).

– Fases abiertas: Una fase abierta, dos fases abiertas y tres fases abiertas. La última situación significa

que la línea o dispositivo sale completamente de servicio.

Los cortocircuitos trifásicos dan origen a fallas simétricas pues el SEP permanece eléctricamente

balanceado, en cambio los cortocircuitos bifásicos aislado y a tierra y el monofásico, así como 1 ó 2 fases

abiertas corresponden a fallas asimétricas, ya que el sistema queda eléctricamente desbalanceado en el punto

de falla.

En el caso de fallas simétricas, el cálculo se realiza en base a una representación monofásica (por

fase) de la red del SEP y se aplican las técnicas normales de análisis de circuitos. Para el cálculo de las fallas

asimétricas, resulta conveniente utilizar al Método de las Componentes Simétricas.

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5.3. Cálculo de Cortocircuitos

En general las corrientes de cortocircuito alcanzan magnitudes mucho mayores que los valores

nominales de los generadores, transformadores y líneas. Si se permite que estas corrientes circulen por un

período prolongado, pueden causar un serio daño térmico al equipo y problemas de estabilidad de

funcionamiento en el SEP.

En este aspecto, el tipo de cortocircuito más severo es el trifásico, el que además de dar valores

elevados de corriente, reduce a cero la capacidad de transmisión de una línea, lo siguen los cortocircuitos

bifásico y finalmente el monofásico. En cambio, el tipo mas frecuente es el monofásico (aproximadamente el

75% de los casos ) y el menos frecuente es el trifásico (aproximadamente el 5% de los casos).

En muchas oportunidades las corrientes de cortocircuito se autoextinguen y se restablece la aislación.

Debido a este hecho, se utilizan en la práctica interruptores que reconectan automáticamente la línea dañada,

una, dos o más veces para probar si la falla se ha eliminado. Sólo en el caso de que la falla persista, el

interruptor desconecta la línea en forma definitiva.

5.3.1. Objetivos

− Definir la capacidad de ruptura de los interruptores necesarios en las diversas partes de un SEP, para

lo que se realiza normalmente un cálculo de cortocircuito trifásico simétrico, debido a que este tipo de

falla produce las corrientes de cortocircuito más elevadas en la mayoría de los casos.

− Ayudar a establecer un sistema adecuado de protección para diversas condiciones de falla, para lo que

se debe realizar un cálculo de distribución de corrientes en la red del SEP tanto para cortocircuitos

simétricos como asimétricos (usualmente el cortocircuito monofásico).

En general, el Cálculo de Cortocircuitos debe proporcionar los siguientes resultados:

− La corriente en el punto de falla

− La potencia de cortocircuito en el punto de falla

− La distribución de corrientes post-falla en todas las líneas del SEP

− Las tensiones post-falla en todas las barras

5.3.2. Aproximaciones

− Las máquinas síncronas se representan por los circuitos equivalentes aproximados, que se muestran

en la Figura 5.1.

jX'd

jXd "

E

+

-

+

-

V

jX'd

jXd "

E

+

-

+

-

'

E" V

Figura 5.1.- Circuitos equivalentes para las Máquinas Síncronas

− Las cargas, cuando se estima necesario incluirlas, se suponen independientes de la tensión y se

representan por una impedancia o admitancia equivalente.

− Todas las tensiones internas de los generadores se suponen iguales entre sí e iguales a 1,0 (pu)

− Se desprecian las corrientes de pre-falla

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− En muchos casos se desprecian las resistencias de los

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