1

Ferroresonancia en transformadores de distribucin. Influencia de sus caractersticas, secuencia de maniobra y carga secundariaE.G. Vinson, A. Jurado, N. LemozyGrupo Energa y Ambiente (GEA), Departamento de Electrotecnia Facultad de Ingeniera, Universidad de Buenos Aires Paseo Coln 850, (C1063ACV) Ciudad Autnoma de Buenos Aires, ARGENTINA

Abstract The non linearity of the transformers magnetic core, under some circuit configurations, operative conditions, and according to feeder line capacitance, may to cause the series resonance phenomenon, with the associated overvoltages, and consequently installation equipment damages. This phenomenon, frequently associated with the operation of single phase maneuvers and/or protection apparatus, has been analyzed in various studies, by means of steady state models. In this work, the ferroresonance, in some typical primary distribution network configurations, with overhead lines, with or without neutral conductor, underground cables, different threephase transformers, or single phase transformer banks, has been studied by means of Electromagnetics Transients Program ATP. Through it analysis, was possible determinate the operation point of the system, once concluded the switching transient of a single phase apparatus operation. Then, by the same model, it was analyzed the mitigation effect of the ferroresonance produced by secondary loads. Resumen--La no linealidad del ncleo de los transformadores, bajo ciertas configuraciones y condiciones operativas del sistema de distribucin, y segn las capacitancias de las lneas de alimentacin, puede provocar el fenmeno de ferroresonancia serie, con las consecuentes sobretensiones y eventuales daos sobre el equipamiento asociado. Este fenmeno, generalmente asociado a situaciones temporales durante la maniobra de aparatos unipolares, ha sido analizado por diferentes estudios mediante modelos convencionalmente no lineales en rgimen permanente. En el presente trabajo se efecta el anlisis del fenmeno para diferentes configuraciones tpicas de redes de distribucin primaria, lneas areas con y sin neutro transportado, cables subterrneos y distintos tipos de transformadores trifsicos, bancos de transformadores monofsicos conectados entre fases, evaluando los transitorios electromagnticos mediante el Alternative Transient Program (ATP). Mediante este anlisis ha sido posible determinar la zona de funcionamiento del sistema una vez transcurrido el transitorio para una secuencia de maniobra dada. Luego, empleando el mismo modelo, se ha estudiado el efecto de la carga secundaria, a fin de poder cuantificar su influencia en la reduccin del fenmeno analizado. Palabras clave--ferroresonancia, sobretensiones, transformadores, saturacin magntica, red de distribucin MT.

I. INTRODUCCION Las condiciones en que se puede presentar la ferroresonancia serie en redes MT con neutro rgido a tierra, que es el esquema de mayor aplicacin en la Argentina, ha sido abordado en estudios anteriores [1], [2]. Un caso tpico de ferroresonancia serie ocurre cuando, ante la apertura de una o dos fases de la lnea de alimentacin a un transformador trifsico, los bornes correspondientes del bobinado primario quedan vinculados a tierra a travs de las capacidades de la lnea de alimentacin, mientras en el/los extremos restantes est aplicada la tensin de fase correspondiente. La posibilidad que ante esta situacin aparezcan sobretensiones inadmisibles por ferroresonancia depende de las caractersticas de la lnea de alimentacin, de su extensin desde el punto de maniobra hasta el transformador, y de la impedancia de ste, asociada a las caractersticas de magnetizacin del transformador, y a la existencia de carga secundaria, como se analiza conceptualmente en [1] y [2]. Es habitual que en los sistemas de distribucin area de Media Tensin de nuestro pas se empleen elementos de maniobra y/o proteccin unipolares, por lo que la situacin descripta puede aparecer cuando uno o dos polos de un puesto de seccionamiento de una lnea trifsica permanezcan abiertos y esta lnea alimente transformaciones trifsicas. Respecto de las redes de distribucin subterrneas, si bien se emplean generalmente aparatos de maniobra tripolares, en algunas derivaciones de menor capacidad suelen aplicarse uniones elctricas mediante sistemas de conectores unipolares extrables bajo carga. Por otra parte, las derivaciones de cable subterrneo desde una lnea area suelen hacerse a travs de elementos de maniobra y/o proteccin unipolares. Por lo antedicho, tambin en redes subterrneas puede aparecer ferroresonancia, con el agravante de tener mayor capacidad por unidad de longitud en relacin a las lneas areas [3]. II. ANALISIS CONCEPTUAL DEL FENOMENO DEFERRORESONANCIA

Para comprender este fenmeno y su dependencia respecto de los factores antes descriptos es conveniente analizarlo en

2

rgimen permanente y en forma grfica, tal como se efecta en [1] y [2]. No obstante, se han efectuado estudios analticos ms completos del fenmeno, aplicando funciones aproximadas para la inductancia alineal que representa el ncleo del transformador [4], [9]. Considerando el caso en que el seccionador que vincula la lnea de alimentacin a un transformador permaneciera con un polo cerrado y los otros dos abiertos, el circuito resulta segn la figura siguiente.1 1

por lo tanto tampoco fem inducida, como se observa en la figura siguiente.

+

Uf U10

1

2

3 U30

U12

U23

2

2

Fig. 2. Diagrama resultante para el circuito de la figura 1 y flujos en las columnas del transformador.

3 3 0Fig. 1. Circuito de alimentacin mediante cables unipolares al primario de transformador en conexin tringulo, con una sola fase conectada.

El grupo de conexin normalmente aplicado en nuestro pas para los transformadores trifsicos de distribucin es Dyn11, exista o no neutro transportado en la lnea de MT, por lo que se ha adoptado este esquema para el anlisis [2], [3], [9]. Eventualmente en sistemas de distribucin areos rurales se emplean bancos trifsicos de transformadores monofsicos con grupo de conexin Yn-yn, en cuyo caso el circuito ferrorresonante resulta constituido por los transformadores de las fases abiertas, en serie con las capacidades entre el conductor de la fase energizada y las desenergizadas. Este circuito presenta menos dificultades de anlisis y es asimilable al caso de los transformadores de tensin. En otros pases que emplean lneas de distribucin trifsicas con neutro transportado suelen emplearse pequeos transformadores trifsicos con conexin Yn-yn y ncleo de 5 columnas conformado por chapa arrollada. En este caso, ante la apertura de un polo del seccionador, y con los restantes cerrados, aparece sobre la fase desconectada del transformador una tensin inducida debido al acoplamiento a travs del circuito magntico con los otros dos arrollamientos, quedando en serie con las capacidades fase-tierra-neutro. Segn las caractersticas del ncleo puede aparecer ferroresonancia, no obstante en este caso la sumatoria de los flujos de las tres fases no es nula, y es necesario desarrollar un modelo mucho ms complejo, requiriendo considerar los circuitos magnticos saturables parciales que acoplan distintas fases [5], [8]. Dada la simetra del circuito, las tensiones de las dos fases del arrollamiento primario del transformador que resultan en serie con las capacidades a tierra de la lnea de alimentacin deberan ser iguales. Asimismo, dada la polaridad de ambas fases del arrollamiento, los flujos resultan opuestos, por lo que no habra flujo resultante en la columna de la fase restante, y

Considerando por simplicidad el caso en que solamente existan capacidades fase-tierra y no entre fases (lnea de alimentacin trifsica constituida por cables unipolares), las situaciones que pueden plantearse son tres: 1. Caso a: Reactancia capacitiva fase-tierra alta, mayor que la mxima reactancia magnetizante. 2. Caso b: Reactancia capacitiva fase-tierra intermedia, menor que la mxima reactancia magnetizante, y tal que la tensin crtica sea menor a la tensin de alimentacin. 3. Caso c: Reactancia capacitiva fase-tierra tal que la tensin crtica sea mayor que la tensin de alimentacin.20000 18000 16000 14000 Tensiones (V) 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0,0000 0,0050 0,0100 0,0150Ucrtica (b)