análisis del sistema de distribución ante sobrecargas, fallas
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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
INGENIERÍA ELÉCTRICA
CICLO: Séptimo
PARCIAL: Tercero
FECHA DE ENTREGA: 28/01/2014
DEBER Nº: 2
DOCENTE: Ing. Marcelo Barrera
ASIGNATURA: Matlab y Simulink
TEMA:
INTEGRANTES: - Mauricio Aguilar
- Cristian Flores
- César Taday
Latacunga – Ecuador
2013-2014
- Análisis del sistema de Distribución ante
sobrecargas, fallas.
- Condiciones de sobre carga
MATLAB Y SIMULINK
1. TEMA
Análisis del sistema de Distribución ante sobrecargas, fallas.
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL.
Analizar el comportamiento del sistema de distribución, en la casa 5 se analizaran
las formas de onda resultantes ante la presencia de fallas, y diferentes
configuraciones del sistema como descargas atmosféricas en el lado de alta del
sistema. Además se analizaran los efectos de la sobrecarga del sistema de
distribución con un rayo.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Realizar la simulación de una descarga atmosférica (rayo) sobre el sistema de
distribución, mediante el uso del programa Simulink, introduciendo los parámetros
indicados en el folleto.
Obtener las formas de onda en la casa Nº5 en los chicotes de baja, y analizar los
resultados comparando los datos antes y después de la falla.
Obtener los valores de voltaje y corriente de las simulación con y sin falla, y realizar
la respectiva comparación de de los datos obtenidos, con sus respectico criterio.
Realizar un análisis final del comportamiento del sistema, ante la presencia de la
falla, emitir un criterio al respecto.
Analizar las consecuencias que se tendría con un contacto directo de una persona
con una línea energizada.
3. MARCO TEÓRICO
SOBRECARGAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN
Las sobretensiones transitorias son un aumento de voltaje, de muy corta duración, medido
entre dos conductores, o entre conductor y tierra. Puede deberse a descargas eléctricas
atmosféricas (rayos) o a procesos de conmutación o de averías (contacto a tierra o
cortocircuito). Aunque las sobretensiones han existido desde la misma creación de las redes
eléctricas, actualmente la necesidad de protección es mucho mayor, ya que la tecnología ha
evolucionado haciendo los componentes electrónicos cada vez más pequeños y sensibles a
las perturbaciones electromagnéticas.
El efecto de las corrientes conducidas o inducidas debidas a descargas eléctricas
atmosféricas (aunque se trate de rayos lejanos o entre nubes), o debido a las conmutaciones
de maquinaria más pesada (que causan sobretensiones similares a las producidas por los
rayos). Las descargas atmosféricas producen picos de tensión en la señal, muy intensos
pero de muy corta duración. La corriente asociada al impacto directo de un rayo puede
alcanzar más de 100kA, con lo que incluso sus efectos secundarios llevan asociadas
corrientes capaces de causar grandes daños en las líneas y equipos en los que penetran.
Figura 1. Tipos de sobre voltajes
La mayor par te de los sistemas eléctricos están dotados de medidas de seguridad para
evitar cortocircuitos y descargas eléctricas a las personas. Los cuadros eléctricos suelen
disponer de protecciones, como los interruptores automáticos, magneto térmica y
diferenciales, que protegen la instalación contra deficiencias en la línea. Sin embargo, los
elementos de protección convencionales no son capaces de evitar las consecuencias de las
sobretensiones transitorias, ya que su activación es mucho más lenta que el pico de tensión
que se produce.
Consecuencias de las sobretensiones
Las sobretensiones transitorias más comunes son las debidas a conmutaciones de
maquinaria. Sin embargo las más destructivas son las debidas a descargas atmosféricas.
Los efectos de estas sobretensiones van desde la simple interrupción momentánea del
trabajo a la destrucción total de un equipo o instalación:
Disrupción
Interrupción de las operaciones de sistemas, pérdida y corrupción de datos, fallos
inexplicables en los ordenadores.
Degradación
Una exposición a sobretensiones transitorias degradará, sin que el usuario lo perciba, los
componentes electrónicos y los circuitos, reduciendo la vida efectiva de los equipos y
aumentando las posibilidades de fallos.
Daños
Las sobretensiones transitorias de gran magnitud pueden dañar componentes, placas de
circuitos, etc. Llegando incluso a quemarlas, pudiendo provocar la destrucción del equipo y
la instalación eléctrica, así como muy probablemente el foco de un incendio. Afectan en
mayor grado a equipos electrónicos, informáticos y de telecomunicaciones.
Todos estos efectos conllevan pérdidas económicas por la reposición de los elementos
dañados, así como el coste indirecto de la ruptura de los procesos productivos.
4. DESARROLLO.
A continuación se realiza el análisis en el medidor bifásico Nº 5, ante la presencia de una
falla en el lado de baja.
Transformador:
- Maneja un voltaje de 13,8 kV a 220-120 V de 25 kVA.
Cargas:
1. Carga monofásica de 120V, 0.7 kW, 0.14 kVAR
2. Carga monofásica, 120V, 1.05 kW, 0.21kVAR
3. Carga bifásica de 240V, 5 kW, 1 kVAr2
Figura 2. Forma de onda de Voltaje de las fases AB
Se puede apreciar que no existen variaciones ya que no se dispone de falla. Tampoco se
aprecia distorsiones lo que nos indica que no hay perturbaciones en el sistema.
En esta medición obtenemos un Voltaje de 216 V rms.
Figura 3. Forma de onda de la fase A
Figura 4. Forma de onda de la fase B
Voltaje Fase AB: 206 V Fase A: 117.6 V Fase B: 98.81 V
Corriente Fase A: 24.98 A Fase B: 26.51 A Neutro: 1.43 A
Figura 5. Corriente de la fase A
Figura 6. Corriente de la fase B
Figura 7. Corriente del Neutro
Existe una pequeña corriente de circulación por el neutro por las condiciones propias del
sistema, como las reactancias inductivas o un desbalance de cargas.
FORMAS DE ONDA DEL CASA Nº 5 CON UNA FALLA A TIERRA EN LA FASE A
Figura 8. Voltaje entre las fases AB
Figura 9. Voltaje de la fase A
Figura 10. Voltaje de la fase B
Voltaje Fase AB: 207.2 V Fase A: 103 V Fase B: 104.2 V
Corriente Fase A: 23.46 A Fase B: 26.11 A Neutro: 4.23 A
FALLA ENTRE LAS DOS FASES (AB) DEL SISTEMA.
Figura 11. Voltaje en entre fases AB
Figura 12. Voltaje en la fase A
Figura 13. Voltaje en la fase B
Voltaje Fase AB: 74.19 V Fase A: 40.68 V Fase B: 34.49 V
Corriente Fase A: 8.56 A Fase B: 9.11 A Neutro: 1.27 A
SOBRECARGA DEL SISTEMA
Figura 14. Voltaje entre las fases AB
Figura 14. Voltaje entre las fases AB
Figura 14. Voltaje entre las fases AB
Voltaje Fase AB: 181 V Fase A: 98.37 V Fase B: 82.69 V
Corriente Fase A: 115.5 A Fase B: 106.2 A Neutro: 3.08 A
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ANTE UN RAYO
Figura 15. Voltaje entre las fases AB
Figura 16. Voltaje en la fase A
Figura 17. Voltaje en la fase B
Figura 18. Corriente en la fase A
Figura 19. Corriente en la fase B
Figura 20. Corriente en el neutro
5. ANALISIS.
Al momento de poner la falla en la fase A, se puede observar una disminución del voltaje
en la fase A, y en la fase B aumentó el Voltaje, mientras que el voltaje entre las fases AB
casi permaneció constante. Esto se debe a que el transformador al no disponer de
protecciones únicamente está tomando al cortocircuito como una sobre carga, por lo que no
se aprecian importantes cambios en el sistema.
En el caso 2 colocamos una falla entre las dos fases, lo que provoco en el sistema que los
voltajes disminuyeran significativamente, ocurrió un gran desbalance en el sistema. Este
efecto no solo afecto a la casa Nº 5 también afecto a las otras casas que estaban usando el
suministro de este transformador. Es bueno considerar los bajos voltajes ya que los equipos
se llegan a dañar tanto por sobre voltajes como por bajo voltaje.
En el tercer caso de análisis colocamos en el medidor Nº 5 una carga muy grande, lo
primero que se logro apreciar es el importante incremento en la corriente en las dos fases de
la que se alimenta el sistema A y B, luego se obtuvieron los datos de voltaje los cuales nos
mostraron un valor de 98 V aproximadamente lo que, por consiguiente se pareció este
efecto en las casas contiguas, esto sucede en la vida real los trasformadores que trabajan
sobrecargados, deben de soportan altas corrientes que deterioran el aislamiento, se
producen variaciones de voltaje transitorias y permanentes.
Para el último caso de análisis se coloco en el sistema una simulación de una descarga
atmosférica (rayo) en el lado de alta del transformador, para ello cambiamos la fuente de
13,8 kV por un bloque que simula las condiciones de voltaje de un rayo. Los efectos
observados son muy relevantes de las consecuencias que tendría un rayo sobre un sistema
de distribución. Los niveles de voltaje subieron hasta los 1800 V pico aproximadamente en
cada fase, los valores de corriente estuvieron entre los valores de 300 A, estos valores
ocurren en milésimas de segundo, y hay transitorios mientras se estabiliza el sistema.
Pero los efectos pueden ser negativos para aparatos electrónicos, luminarias, ya que estos
picos de voltaje y corriente están fácilmente sobre las 10 veces las corrientes nominales del
sistema.
6. CONCLUSIONES:
Los valores de voltaje y corriente tienen una variación en su magnitud, además
podemos observas las distorsiones de forma de onda presentes por causa de la falla.
Para que el SEP se recupere pasa un tiempo entre el momento de finalizar la falla
hasta que el sistema retorne a sus valores nominales, los tiempos van a variar de
acuerdo al tamaño del sistema. Para nuestro sistema el tiempo estimado de
estabilización es de 2 ms.
Pasar de un estado transitorio, significa tener al equipo sometido a varios aspectos
que afectan la calidad de la energía, lo que nos obliga a mantener un criterio para el
análisis de los sistemas de potencia en base a todas la materias hasta el momento
aprendidas.
Los incrementos de carga son muy perjudiciales para el sistema ya que hay varias
alternaciones de las señales de voltaje y corriente, en nuestro análisis observamos
que con la gran carga instalada se redujo el nivel de voltaje muy considerablemente.
Las altas corrientes dañan la vida útil del aislamiento, por lo que se reduce la vida
útil del aislamiento de elementos como transformadores, conductores.
7. RECOMENDACIONES:
No se debe de operar el sistema de distribución con el transformador sobrecargado,
las sobrecargas van deteriorando el aislamiento se reduce la calidad de energía,
aparecen problemas en la red como puntos calientes por perdida de aislamiento.
La puesta a tierra tanto en los medidores como en el transformador debe de estar
bien colocada ya que de lo contrario se pueden afectar los voltajes atierra ya que no
existe la referencia a cero del sistema.
Las variaciones de voltaje afectan al rendimiento de equipos como motores,
transformadores, así como la vida útil de ellos, por lo que este tipo de simulaciones
nos pueden ayudar a diagnosticar problemas que usualmente se presentan en la
industria.
Las protecciones deben estar bien calibradas tanto para cortocircuitos como para
sobrecargas, ya que de lo contrario el transformador tomara un corto como un
aumento de carga y seguiría operando con valores inestables de V e I
8. BIBLIOGRAFÍA.
Libros
GRAINGER, Jhon D. y William D.STEVENSON, “Análisis de Sistemas Eléctricos
de Potencia”, McGraw-Hill, México, 1ª Edición, 1995.
FITZGERALD, A. E. y otros, “Electric Machinery”, McGraw-Hill, Kogakusha,
Tokyo, 3 edición, 1971.
Web
http://www.ea1uro.com/ea1gx/tormentas.htm
http://at3w.com/upload/ficheros/que_son_y_danos_de_las_sobretensiones.pdf
http://tepsa.biz/index.php/57-generales/26-efectos-de-los-rayos