Generador en Alta Tension en CD

8/17/2019 Generador en Alta Tension en CD

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LABORATORIO DE TÉCNICAS DE LAS ALTAS TENSIONES I

PRÁCTICA 4Conocimiento del equipo del Laboratorio de AltaTensión: El Generador Alta Tensión de CD y los

Divisores de Tensión

4.1 Objetivo

Al término de la práctica el alumno:

Conocerá el funcionamiento del generador de AT de CD y los divisores de tensión.

Conocerá los tipos de prueba que se pueden realizar con el generador de AT de CD.

4.2 Introducción teórica.

El alumno investigará las fuentes de generación de tensiones de CD que se emplean en loslaboratorios de alta tensión y cuáles son las pruebas que se pueden aplicar a los aislamientos.Investigará los tipos de divisores de tensión que se emplean en los laboratorios de alta tensión eidentificarlos en el laboratorio de la escuela.

4.3 Desarrollo

1. Esta práctica es teórica y el alumno deberá de reportar la información que se le pide en laintroducción teórica. .

4.4 Cuestionario

1. Explique la justificación de usar los divisores de tensión en la medición desobretensiones.

2. ¿Cuándo se usa el divisor de tensión resistivo y el capacitivo?

3. ¿Cuál es la función de las resistencias de amortiguamiento en los equipos de generaciónde la alta tensión que se conectan en paralelo con el aislamiento a probar?

4. ¿Qué es el anillo de equipotencial y cuál es su uso?

4.5 Trabajo de investigación

Con la finalidad de justificar el uso de la CD, en países con gran demanda de energía hanrecurrido a la transmisión de energía eléctrica en CD. El trabajo de investigación a realizardeberá de enfocarse a dichos sistemas de transmisión, justificando su empleo, ventajas y

desventajas, así como las características de sus subestaciones y torres de transmisión.


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M. en C. Baldomero Guevara Cortés Laboratorio de Técnicas de las Altas Tensiones I

2

4.6 Conclusiones

Interprete sus conclusiones en forma individual.

4.7 Referencias

E. Kuffel, W. S. Zaengl, “High Voltage Engineering”, Edit. Pergamon Press, 1984.

M. Khalifa, “High Voltage Engineering”, Edit. Marcel Dekker, Inc., 1990.

Bibliografía investigada por el alumno para el apartado 4.5.


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PRÁCTICA 5Introducción al manejo del ATP-Draw

5.1 Objetivo


Manejará el paquete computacional ATP-Draw para la solución de circuitos eléctricosen estado estable y transitorio.

Interpretará los resultados obtenidos del paquete computacional ATP-Draw a circuitoseléctricos propuestos por los alumnos.


Al inicio del curso del laboratorio, el profesor les proporcionará los archivos para la instalacióndel ATP-Draw versión libre. Junto a los archivos ya instalados, se tiene el manual de usuarioque el alumno deberá de estudiar antes de realizar la primera práctica de simulación.

5.3 Desarrollo

1. Se simularán los siguientes circuitos en el ATP-Draw.

Figura 5.1 Circuito RLC a simular en el ATP-Draw.

Figura 5.2 Circuito RLC a simular en el ATP-Draw

5 microfd 5mH 632.5 ohms+

Vc(t) _

iL(t)

5 microfd

5mH

1.5811 0hms

+Vc(t) _

15senwt

iL(t)

1

2

El interruptor se cierra en 0.01 s.V C (0) = 5 VCalcular: V C (t) e i L (t)

El interruptor 2 abre en 0.02 s.El interruptor 1 se cierra en 0.022 s.El valor de rizo de la fuente U es de 10 Vcon duración de 0.05 s; tiempo inicial yfinal de 0 y 1 s respectivamente.V C (0) = 1VCalcular: V C (t) e i L (t)

U

1


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4

Figura 5.3 Circuito trifásico en estado permanente a simular en el ATP-Draw.

La carga trifásica está conectada en estrella aterrizada. Calcular la tensión que se obtiene entreterminales de la carga y su corriente por fase y en el neutro.

5.4 Análisis de resultados

1. Reportar el modelo eléctrico, el modelo del paquete y sus curvas de respuesta.

2. Realizar 3 ejemplos con su comprobación “a mano” por parte del alumno. Compruébelo

con el ATP-Draw comparando sus curvas de respuesta.

5.5 Cuestionario

1. El paquete computacional ATP-Draw aplica la regla trapezoidal de integración. Expliqueel procedimiento y realice un ejemplo.

5.6 Referencias

L. Prikler, H. K. Hoidalen, “User’s Manual ATP for Windows 9x/NT/2000/XP version3.5”, October 2002.

Libros de circuitos eléctricos consultados por el alumno.

440senwt 0.5 + j5 ohms

CARGA TRIFÁSICABALANCEADA EN

ESTRELLA5 + J25 ohms


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PRÁCTICA 6Modelado de la línea de transmisión y del cable de

potencia en el ATP-Draw

6.1 Objetivo


Modelará la línea de transmisión y los cables de potencia empleando los modelos PI y parámetros distribuidos.


El alumno describirá los modelos PI y parámetros distribuidos para las líneas aéreas detransmisión.

6.3 Desarrollo

1. El profesor les explicará brevemente la introducción de datos para modelar líneas aéreasen el paquete computacional y determinar sus valores característicos.

2. Modelar las siguientes líneas y cables de potencia.

a)

Figura 6.1 Arreglo de las líneas aéreas

Datos:

Conductor de fase X L = 0.2802 /km R = 0.1696 /kmr ext = 0.09144 cm

Hilo de guarda X L = 0.9942 /km R = 5.7168 /kmr ext = 0.03965 cm

Longitud del cable de 1km y la resistividad del

terreno de 100 m

Donde:r ext = radio exterior del conductor.

2.3 2.3

4.1 4.1

2.3

30 Acot. en [m]


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6

b)

Figura 6.2 Arreglo de los cables subterráneos

Datos:

Dimensiones del cablea = 0.00597 mb = 0.01234 mc = 0.01337 mr ext = 0.015 m

Separación entre cables de30 cm

Están enterrados a una profundidad de 2 m, la

resistividad del terreno esde 100 m y la longitud

del cable es de 400 m.

La permitividad relativa delaislamiento XLPE es de 2.4 yla del forro de PVC es de 6.0.

La resistividad del cobre

junto con la pantalla de plomo es de 1.8 E -8 m.


1. Analice los valores obtenidos en las simulaciones, reportando los parámetros de las líneas para sus diferentes modelos.

2. Realizar los siguientes ejercicios.

a)

Figura 6.3 Arreglo de las líneas aéreas.

Datos:

Conductor de faseCalibre 1113 MCM, 400 kV.

Grupo de conductores condisposición equilátera de 30 cm.

Hilo de guarda X L = 0.9942 /km R = 5.7168 /kmr ext = 0.03965 cm

Longitud del cable de24.14 km y la resistividad

del terreno de 40 m

Distancia de los conductores al piso de 40 m.Acotación de las distancias en [m].

b) Cable trifásico tipo XLPE de 1600 mm2, 230 kV, un circuito, 60 Hz. Su tramo es de 500 m,

están enterrados a una profundidad de 1.5 m y tienen una disposición equilátera entre loscables.

a

b

c a

b

c a

b

c

20

20 20

9


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7

Figura 6.4 Arreglo de los cables subterráneos.

3. Para la obtención de las impedancias de secuencia positiva y cero en líneas y cables, serequiere de la matriz de impedancia [Z] del arreglo, el cual se obtiene al utilizar el ATPen el modelado de las líneas o cables. Es importante mencionar que el modelado se debe

de realizar en el modo de parámetros concentrados (modelo PI).

La ecuación a emplear para el cálculo de las impedancias de secuencia positiva y cero, esla que se muestra a continuación [2]:

m p

m p

m p

Z Z

Z Z

Z Z

Z

Z

Z

00

00

002

00

00

00

2

1

0

(6.1)

Donde Z p = Impedancia propia ( R p + jX p), en la diagonal principal de la matriz [Z]. Z m = Impedancia mutua ( Rm + jX m), fuera de la diagonal principal de la matriz [Z]. Z 0 , Z 1 y Z 2 = Impedancias de secuencia cero, positiva y negativa del arreglo.

Demuestre la ecuación 6.1

6.5 Cuestionario

¿Cuándo se emplea el modelo PI y el modelo de parámetros distribuidos?:

6.6 Conclusiones


6.7 Referencias


J. Duncan Glover, M. S. Sarma, “Sistemas de Potencia, Análisis y Diseño”, Edit.Thomson, 3ra Edition, 2003.

“Electrical Transmission and Distribution Reference Book ”, Westinghouse, 1982.

a

b

c a

b

c

a

b

c


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8

6.8 Anexo de tablas de calibres de cables XLPE y conductores ACSR

Tabla 6.1 Características físicas y eléctricas de los cables de potencia con aislamiento XLPE.


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9


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10


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Tabla 6.2 Características físicas y eléctricas de los cables de aluminio reforzados con alma deacero ACSR.


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PRÁCTICA 7Simulación de las sobretensiones atmosféricas en un

Sistema Eléctrico de Potencia

7.1 Objetivo


Simulará los efectos de las sobretensiones atmosféricas en un Sistema Eléctrico dePotencia cuando un rayo incide directamente en el conductor y en el hilo de guarda.

Simulará el empleo del apartarrayo de ZnO como solución en la disminución de los

transitorios por descarga atmosférica.


El alumno investigará cómo se originan las descargas atmosféricas, sus efectos sobre las líneasde transmisión y las medidas para aminorar sus efectos.

7.3 Desarrollo

La red a modelar se muestra a continuación.

Figura 7.1. SEP a modelar

Datos de los tramos:

1. Cable de doble circuito XLPE 1600mm2 disposición lineal con una separación de 50 cm por circuito y enterrados a una profundidad de 1.5 m. La resistividad del terreno es de 100 m y la longitud del tramo es de 5300 m. El arreglo se muestra en la figura 7.2.

Línea de transmisión doble circuito calibre 1113 MCM, resistividad del terreno de 100 m y la resistencia al pie de la torre es de 25 La longitud del tramo es de 750 m y suimpedancia característica es de 200 . El arreglo se muestra en la figura 7.3.

3. Cable de doble circuito XLPE 1600mm2 disposición lineal con una separación de 50 cm por circuito y enterrados a una profundidad de 1.5 m. La resistividad del terreno es de 100 m y la longitud del tramo es de 800 m. El arreglo se muestra en la figura 7.2.

1 2 3 4

5

6Subestacionesgeneradoras Subestaciones tipo

cliente

Descargasatmosférica

CARGA


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Línea de transmisión doble circuito calibre 1113 MCM, resistividad del terreno de 100 m y la resistencia al pie de la torre es de 25 La longitud del tramo es de 6 km y suimpedancia característica es de 200 . El arreglo se muestra en la figura 7.3.

Línea de transmisión doble circuito calibre 1113 MCM, resistividad del terreno de 100

m y la resistencia al pie de la torre es de 25 La longitud del tramo es de 5.65 km y suimpedancia característica es de 200 . El arreglo se muestra en la figura 7.3.

6. Cable de un circuito XLPE 1600mm2 disposición lineal y enterrados a una profundidad de1.5 m. La resistividad del terreno es de 100 m y la longitud del tramo es de 300 m.

Figura 7.2. Arreglo de los cables subterráneos

Figura 7.3. Arreglo de las líneas aéreas

Datos de las subestaciones de generación:

Tres subestaciones generadoras con salida de 230 kV trifásico, 60 Hz, secuencia ABC.

Datos de las subestaciones tipo cliente:

Carga 1 100 MVA, FP = 0.8 (-) capacidad plena.Carga 2 100 MVA, FP = 0.8 (-) a una capacidad del 80%.

Datos del transitorio

Forma de onda doble exponencial 1.2/50 s con una amplitud de 20 kA.

0.5 m

8.41

8.41

9.17

8.41

41.9

36.4

30.5

24.6

Acotación en [m]No esta a escala


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1. Localice y analice los puntos de la red donde se tiene los valores más críticos (lassobretensiones más elevadas) al incidir las descargas atmosféricas (líneas e hilos deguarda), vistas desde la subestación tipo cliente.

2. Registre los valores obtenidos de las simulaciones, dibuje el modelo, grafique suscurvas y calcule los valores en pu de las sobretensiones originadas con los tiempos deamortiguamiento. Llene el siguiente cuadro:

Tabla 7.1 Sobretensiones por descarga atmosférica vistas desde la subestacióntipo cliente sin la instalación de los apartarrayos

CasoTensión de referencia

[kVcresta]Sobretensión

[kVcresta]Valor en pu

Tiempo deamortiguamiento

[ms]

1

2n

3. Modele los casos críticos de la red con la instalación de unos apartarrayos de ZnO clase172 kV en la subestación tipo cliente de 230 kV. Cargue en el modelo del apartarrayo lacurva V-I de acuerdo con la ecuación 7.1 dado por el fabricante:

994358.8

3440009.38589

V I (7.1)

Analice y registre sus resultados llenando el siguiente cuadro.

Tabla 7.2 Sobretensiones por descarga atmosférica vistas desde las subestacionestipo cliente con la instalación de los apartarrayos





[ms]

1

2

n

7.5 Cuestionario

1. Defina los siguientes conceptos:a) Flameo inverso; b) Resistividad del terreno; c) Impedancia característica; d)Atenuación de la onda.

7.6 Conclusiones



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15

7.7 Referencias





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PRÁCTICA 8Simulación de las sobretensiones por maniobra en un


8.1 Objetivo


Simulará las sobretensiones por maniobra en un Sistema Eléctrico de Potencia. Simulará el empleo del apartarrayo de ZnO como solución en la disminución de los

transitorios por maniobra de interruptores de potencia.


El alumno investigará cómo se originan las descargas por maniobra, sus efectos sobre lassubestaciones eléctricas y las medidas para aminorar sus efectos.

8.3 Desarrollo



Los datos de las líneas, cables, subestaciones generadoras y del cliente, se describen en elapartado 7.3.


1. Analice y determine las condiciones de operación de los interruptores a al e para obtenerlas condiciones más críticas vistas desde la subestación tipo cliente.

2. Registre los valores obtenidos de las simulaciones, dibujando el modelo, grafique suscurvas y calcule los valores en pu de las sobretensiones originadas con los tiempos deamortiguamiento, llenando la siguiente tabla.

1 2 3 4

5

6

Subestacionesgeneradoras

Subestaciones tipocliente

a

b d

c

e

CARGA


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Tabla 8.1 Sobretensiones por maniobra vistas desde la subestación

tipo cliente sin la instalación de los apartarrayos





[ms]

12n

2. Modele los casos críticos de la red con la instalación de unos apartarrayos de ZnOclase 172 kV en la subestación tipo cliente de 230 kV. Realice el procedimientosugerido en el apartado 7.4 inciso 3. Analice y registre sus resultados llenando elsiguiente cuadro.

Tabla 8.2 Sobretensiones por maniobra vistas desde la subestación

tipo cliente con la instalación de los apartarrayos





[ms]

1

2

n

4. De los casos críticos, considere una sincronización de disparo de los interruptores(considere la onda de tensión en fase a la de corriente y que ésta pase por el cero natural

de la onda senoidal). Simule la red, obtenga sus gráficas y analice sus resultados.

8.5 Cuestionario

1. Defina los siguientes conceptos:a) Resistencia de preinserción; b) Tensión transitoria de restablecimiento; c) Reencendidodel arco.

8.6 Conclusiones


8.7 Referencias





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PRÁCTICA 9Simulación de las sobretensiones temporales en un


9.1 Objetivo


Simulará las sobretensiones temporales ante una falla de fase a tierra en un SistemaEléctrico de Potencia. Simulará el empleo del apartarrayo de ZnO como solución en la disminución de las

sobretensiones temporales.


El alumno investigará cómo se originan las sobretensiones temporales, sus efectos sobre lassubestaciones eléctricas y las medidas para aminorar sus efectos.

9.3 Desarrollo



Los datos de las líneas, cables y de las subestaciones generadoras y del cliente, se describen enel apartado 7.3.


1. Localice y analice los puntos de la red cortocircuitando una fase a tierra, de tal manera deobtener las condiciones más críticas.

Subestaciones tipocliente

1 2 3 4

5

6

Subestacionesgeneradoras

a

b d

c

e

Falla de una fasea tierra

CARGA


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2. Registre los valores obtenidos de las simulaciones, dibujando el modelo, grafique suscurvas y calcule los valores en pu de las sobretensiones originadas con los tiempos deamortiguamiento.

Tabla 9.1 Sobretensiones temporales vistas desde la subestacióntipo cliente sin la instalación de los apartarrayos





[ms]

12

n

3. Modele los casos críticos de la red con la instalación de unos apartarrayos de ZnO

clase 172 kV en la subestación tipo cliente de 230 kV. Realice el procedimientosugerido en el apartado 7.4 inciso 3. Analice y registre sus resultados llenando elsiguiente cuadro.

Tabla 9.2 Sobretensiones temporales vistas desde la subestacióntipo cliente con la instalación de los apartarrayos





[ms]

1

2n

9.5 Cuestionario

1. Describa las otras fuentes de generación de las sobretensiones temporales.

9.6 Conclusiones


9.7 Referencias





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PRÁCTICA 10Simulación de fallas comunes en los Sistemas

Eléctricos de Potencia

10.1 Objetivo


Simulará fallas comunes en los Sistemas Eléctricos de Potencia, tales como inducciónelectromagnética entre líneas de transmisión paralelas y operación de banco decapacitares en las subestaciones eléctricas.


El alumno investigará los efectos que puede traer como consecuencia la inducciónelectromagnética entre líneas aéreas paralelas y la operación de banco de capacitares en lassubestaciones eléctricas.

10.3 Desarrollo

10.3.1 Inducción electromagnética entre líneas paralelas.

Se tiene un derecho de vía donde se tienen dos sistemas de transmisión de diferente tensión:

A= Sistema de transmisión doble circuito a 230 kV.B= Sistema de transmisión doble circuito a 400 kV.

Los datos de las líneas y las dimensiones de la red se muestran en las figuras (10.1) y (10.2)

Figura 10.1. Diagrama unifilar del sistema bajo estudio

230 kV230 kV

1113 MCM ACSR 2 conductores por fase, 15 km

400 kV 400 kV

1113 MCM ACSR 3 conductores por fase, 15 km

A

B

Zona de inducciónelectromagnética bajo estudio


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21

Figura 10.2. Dimensiones de las dos torres de 400 y 230 kV paralelas

a) Se desea conocer el estado de inducción de la zona marcada bajo estudio cuando elsistema de transmisión A se encuentre “en licencia” y el sistema B se encuentreenergizado y viceversa.

b) Analice el transitorio inducido hacia el sistema B si A se reenergiza y viceversa.

Zona de inducciónelectromagnética bajo estudio


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Datos del estudio:

Resistividad promedio del terreno 50 ohms metro.Sin sincronización de cierre de los interruptores.Considere que las líneas están alimentando una carga de 57.5 + j18.89 ohms.

10.3.2 Análisis transitorio de la energización de un banco de capacitores.

Se desea analizar los transitorios provocados al energizar un banco de capacitores y ladeformación de las señales de tensión en estado estable de las barras de 85 kV cuando unaquinta armónica se sintoniza con la capacitancia del banco y con la inductancia de la red.

La red a simular se muestra a continuación:

Fig. 10.3 Energización de un banco de capacitores en un SEP.

a) Obtenga la forma de onda en la barra de 85 kV en el momento que entra en operación el banco de capacitores a un tiempo de 0.01667 s. Se recomienda simular los valores de lasimpedancias en mH y Fd.

b) Calcule la frecuencia natural de la red a partir de la siguiente ecuación:

LC f NAT

2

1 (10.1)

c) Obtenga la forma de onda y el espectro armónico en la barra de 85 kV empleando elanálisis de Fourier en el momento que entra en operación el banco de capacitores.Considere las siguientes fuentes de armónicas que se conectarán en la fuente de CA:

Fase Magnitud Frecuencia Ángulo A 625 V 300 Hz 85.24B 623 V 300 Hz 198.43C 601 V 300 Hz 326.26

d) Obtenga la forma de onda y el espectro armónico cuando el banco de capacitores entró enoperación después de un largo tiempo. Compárelo con el espectro del inciso c) y analicesus resultados.


1. Analice los valores obtenidos de las simulaciones, reportando el modelo empleado y suscurvas de respuesta.

Sistema y la línea1.56+j8.85 Ohms

Z thevenin

Banco decapacitores

-j231.57 Ohms

85 kV

Vth1.0 pu

Carga


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2. Realice un cuadro en el cual se muestren los valores de las sobretensiones obtenidas en[kV] y en p.u.

10.5 Conclusiones

De acuerdo con el análisis de resultados, concluya sus estudios justificando sus afirmaciones.

10.6 Referencias




E. Belmonte, “Análisis Transitorio Electromagnético Línea Teotihuacan-Valle de México- Lago (230/400 kV)”, LFC Subdirección de Planeación Estratégica, Sección deEstudios Eléctricos, Enero 2005.

L. Cisneros, M. Gámez, “Medición y Simulación en ATP del Transitorio de Energización y Sintonización de Quinta Armónica del Banco de Capacitores de 85 kV de laSubestación Remedios”, RVP-AI/02-DIS-01, Acapulco Gro., Julio 2002.

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