Análisis transitorio (ATP/EMTP) para las fallas por arco eléctrico de los transformadores de distribución

Los resultados obtenidos se muestran en forma gráfica, permitiendo seleccionar múltiples herramientas que permiten determinar condiciones de potencia y energía, en qué instante de tiempo ocurren, y qué pasa con las condiciones nominales. Esto permitirá mejorar la confiabilidad en cuanto al ajuste de los tiempos promedio entre fallas, aumentando la seguridad del sistema eléctrico, la calidad de la operación y regulación de éstos, dado que se evitarían suspensiones del servicio en forma imprevista, previniendo daños a equipos del sistema de distribución, contribuyendo con las políticas de mantenimiento, ya que dan cuenta de los cambios que presentan los equipos, mejorando el ajuste de las protecciones y los efectos de las fluctuaciones de tensión (flickers) en los transformadores de distribución.

Palabras Claves: análisis transitorio (ATP/EMTP), fallas por arco eléctrico, transformadores de distribución.

Introducción

Los sistemas eléctricos en general, se ven influenciados por una gran cantidad de señales transitorias de tensión y de corriente que pueden afectar su buen desempeño y el de los equipos que puedan estar conectados e interconectados. Este tipo de señales pueden ser originadas por fenómenos internos o externos al sistema eléctrico de potencia. Los fenómenos externos son originados por descargas atmosféricas que impactan de forma directa las líneas de media y alta tensión, o por sobretensiones inducidas, asociadas a los campos electromagnéticos radiados por los rayos.

Las sobretensiones de origen interno son asociadas a la operación normal del sistema eléctrico de potencia (conexión y desconexión de grandes cargas) como motores, transformadores, reactores de compensación y bancos de compensación capacitivos, conexión y desconexión de líneas kilométricas de transmisión. Estos equipos generan variaciones transitorias de tensión y de corriente que pueden llegar a ser catastróficas para otros equipos y el funcionamiento normal de la red. Teniendo en cuenta los posibles efectos, se hace necesario e importante estimar el comportamiento de las señales transitorias de corriente y tensión para especificar de forma correcta las protecciones a usar para la protección de los equipos. Por esta razón es necesario estudiar el comportamiento transitorio de algunos equipos y cargas eléctricas, así como el comportamiento de los elementos de interrupción usados para la operación.

Para el análisis y predicción de las señales, se avalúa el moldeamiento de fenómenos transitorios con herramientas como el ATP/EMTP. El manejo de estos conceptos resulta necesario para los profesionales que trabajen en la parte de operación de equipos e instalaciones, por esta razón se analizan las fallas y consecuencias en los sistemas de protección que hacen parte de los sistemas de distribución y están directamente relacionados con el usuario final, por lo cual se requiere mantener niveles en la calidad de la energía [1]. Por ello, la actividad investigativa en estos temas se relaciona de manera específica, con la forma de onda, continuidad del servicio y atención al cliente [2]. La importancia está asociada a que la participación del capital privado en el sector eléctrico como sucede en la mayoría de los países, obliga a establecer pautas de remuneración e índices mínimos de calidad [3], [4]. La calidad implica satisfacer condiciones de onda (o de potencia) y de continuidad de suministro [5], [6], lo cual correspondería a un aporte realizado desde la investigación doctoral [7], mostrando las características que presentan los transformadores de distribución cuando ocurren fallas debido a un arco eléctrico “es la descarga eléctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmósfera gaseosa enrarecida, normalmente a baja presión, o al aire libre” [8], determinando las condiciones de funcionamiento de acuerdo al medio ambiente donde se desempeñen, analizando los factores que influyen en los daños que estos presentan, realizando simulaciones con el programa de análisis transitorio (ATP/EMTP), para el tipo de falla de mayor ocurrencia presentada en las empresas del sector eléctrico [9]. En esta investigación fueron analizados siete (07) transformadores con capacidad de 5 kVA ubicados en distintas regiones de Colombia (Antioquia, Caldas, Pacífico, Cundinamarca, Bogotá).

2. Modelos matemáticos del arco eléctrico

Los modelos matemáticos de arco eléctrico pueden dividirse fundamentalmente en dos categorías:

Modelos físicos
Modelos de tipo caja negra

Los modelos físicos se basan en describir las características físicas del arco a partir de los principios de conservación de masa, momento y energía. Estos modelos consisten en conjuntos de ecuaciones diferenciales parciales las cuales sólo pueden ser manipuladas, por equipos de cómputo de gran capacidad y velocidad. Además, requieren datos experimentales de pruebas en interruptores como arranque.

Por otra parte, los modelos de caja negra describen el comportamiento del arco mediante una ecuación diferencial simple, la cual relaciona la conductancia eléctrica del arco, el voltaje del arco y la corriente del arco con ciertos parámetros físicos, pero de una manera muy simplificada, se utilizan básicamente para simular la interacción arco-circuito en estudios de redes; en estos últimos modelos el aspecto más importante es el comportamiento externo del arco más que los procesos físicos internos [10], 11]. Los modelos de caja negra se basan en el concepto básico de la energía almacenada en el arco, Q (Joule), asociada con su conductancia eléctrica, G (mho). Se puede decir que la conductancia es función de la energía almacenada, dado que un incremento en la energía almacenada corresponde un incremento en su conductancia. Se escribe entonces la conductancia de arco como se indica en la ecuación (1):

G(Q)= i/v (mho) (1)
Donde, i y v son la corriente y el voltaje del arco, respectivamente (en valores instantáneos). La derivada de la conductancia con respecto al tiempo puede escribirse como en la ecuación (2):

dG/dt= dG/dQ dQ/dt= dG/dQ (Pin-Pout) (Joules/seg) (2)
Donde, Pin es la potencia suministrada al arco y Pout es la potencia disipada por el arco.

Existen en la actualidad desarrollos y modelos de sistemas MMC-HVDC para redes de gran tamaño donde ocurren transitorios electromagnéticos, lo cual, a largo plazo, es una aplicación importante para el ajuste de las protecciones que deben realizar los operadores del sistema cuando ocurran fallas en los mismos. Esto es de gran importancia para las nuevas tecnologías de convertidores de energía [12]. También se realizan pruebas experimentales utilizando inducción de rayos o descargas que producen sobretensiones en las líneas de distribución de energía eléctrica cuya aplicación es coincidente con las mediciones de potencia y energía que ocurren al aplicar ATP/EMPT cuando ocurren fallas debido al arco eléctrico.

3. Resultados obtenidos

A continuación, se muestran los resultados obtenidos con el programa de análisis transitorio (ATP/EMTP) para la condición de falla por arco eléctrico en un transformador monofásico de 5 kVA, cuyos parámetros se muestran en la tabla 1 que corresponden, a uno (01) que está instalado en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas de la Universidad de Carabobo, el cual fue fabricado en Venezuela por la empresa TRANCECA. A continuación en la tabla 1, se muestran los resultados obtenidos de los parámetros del modelo equivalente aproximado referido al lado de baja tensión (secundario).

Cuando se trabaja con la carga resistiva, la misma corresponde la relación de espiras a: 11.521 Ω, frecuencia = 60 Hz. Las mediciones de potencia y energía que presenta el transformador durante esta falla corresponden tanto para el régimen transitorio como el permanente [7], cuyos resultados permiten evaluar condiciones del sistema de distribución de energía eléctrica bajo estas perturbaciones realizando ajustes en sistemas de protecciones, verificando además, las fluctuaciones de voltaje (flickers). Ver las figuras 5, 6, 7 y 8 indicadas a continuación:

En la figura 6 se observa un cambio del régimen transitorio con una señal sinusoidal que intenta mantenerse a pesar de ocurrir la condición de falla y que luego se estabiliza en el régimen permanente cuando el arco se extingue; en cambio, en las figuras 7 y 8 que se muestran a continuación se aprecia cómo la potencia y energía también hacen parte de este cambio de estado, a lo cual los operadores del sistema deben estar atentos.

En los transformadores monofásicos que han sido descritos en la parte anterior cuando ocurre un cortocircuito externo, las bobinas presentan algunos devanados deformados o desplazados el uno con respecto al otro. A continuación en la figura 9 se muestra un equipo fallado por cortocircuito externo en el devanado de alta tensión:

Las fallas monofásicas representan en la actualidad entre un ochenta y noventa por ciento (80% y 90%) de las fallas que se presentan en los Sistemas Eléctricos de Potencia. Así mismo, entre un ochenta y noventa por ciento (80% y 90%) de esas, son fallas por arco eléctrico, por lo tanto, actualmente, hay un avance en el estudio de estas junto con las diferentes herramientas de cálculo numérico y simulación (ejemplo: ATP, PSCAD, MATLAB, etc.), lo que permite obtener resultados más precisos para la coordinación de protecciones, ajustes en los tiempos de apertura y cierre, y cálculos de aislamiento en redes eléctricas. También, predecir el comportamiento del sistema y, de ser necesario, tomar medidas correctivas.
4. Conclusiones

Los resultados obtenidos, permitirán realizar mejoras en los sistemas de distribución sobre el comportamiento de los equipos ante este tipo de fallas, evaluando escenarios del régimen transitorio y permanente, de tal manera que, los operadores del sistema evidencien cuáles son las condiciones de potencia y energía, verificando sus efectos, costos económicos, tiempo de ocurrencia y condiciones nominales del transformador de distribución. Las empresas responsables de la operación del sistema podrán realizar las regulaciones correspondientes al igual que sus políticas de mantenimiento de acuerdo a lo establecido en las normas vigentes para el sector eléctrico.

Fuente:http://www.mundoelectrico.com/index.php/component/k2/item/973-analisis-transitorio-atp-emtp-para-las-fallas-por-arco-electrico-de-los-transformadores-de-distribucion