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Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 1 Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Rosario CATEDRA: ELECTROTECNIA II CUADERNILLO: METODO DE LAS COMPONENTES SIMETRICAS VERSIÓN: 1 - AÑO: 2014 Alberto G. Martínez - JTP Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 2 Contenido 1- Método de las componentes simétricas: .................................................................................. 3 2- Descomposición de un sistema asimétrico en tres sistemas simétricos. ................................. 4 3- Propiedades: ............................................................................................................................. 6 4- Impedancias: ............................................................................................................................. 9 5-Potencia Eléctrica con el método de las componentes simétricas: ......................................... 15 6-Aplicaciones del método - Casos de estudio: .......................................................................... 16 7-Medición de las diferentes secuencias de tensión y corriente ................................................ 28 8-Trabajo matricial con el método. ............................................................................................. 32 9-ANEXOS .................................................................................................................................... 35 Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 3 1- Método de las componentes simétricas: Este método, está basado en el teorema de Fortescue que permite analizar fallas en sistemas trifásicos de tipo asimétricas, pero puede ser usado para resolver cualquier sistema cuyas condiciones sean asimétricas en un momento dado. Las fallas asimétricas a las que nos referiremos son: � Falla monofásica a tierra � Falla Bifásica a tierra � Falla bifásica � Pérdida de un conductor Pero también se podrá utilizar este método, cuando sea necesario resolver sistemas con cargas asimétricas. El método establece que " Cualquier sistema asimétrico de n vectores, puede ser descompuesto en n sistemas simétricos con n vectores, cada uno" Como cada vector, puede ser correspondido en el plano complejo de Gauss por un número complejo, el método puede servir para representar tensiones, corrientes, flujos magnéticos, impedancias y reactancias. Los sistemas simétricos se designan con números de orden, esos números estarán dentro del conjunto de los naturales, incluido el cero. 0, 1, 2, 3, 4, ..... Para el orden 0, el desfasaje entre cada vector del sistema es de cero grados 0º. Para el orden 1, el desfasaje es n π2 , para el orden 2, será nx π22 En los sistemas trifásicos, habrá 3 ordenes, el 0, 1 y 2. Orden 0. En este caso, el desfasaje es 0º, obtenidos de la operación 020 =nx π Los vectores serán colineales, con el mismo modulo, sentido y argumento. Es conocido como sistema homopolar por las condiciones de fase de los vectores (o fasores) Orden 1 Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 4 En los sistemas de orden 1, los vectores estarán desfasados en º1203 22 == ππ n . Este orden también conocido como secuencia directa o positiva, ordena a los vectores (fasores) de las fases a 120º entre si y en orden R-S-T, por ejemplo. Posee el sentido de giro principal del sistema eléctrico. Orden 2 En los sistemas de orden 2, los vectores están desfasados º2403 2222 == ππ xnx , esto implica que el orden las fases estará invertido respecto de un sistema de orden 1. El sistema de orden 2, es conocido también como secuencia negativa o secuencia inversa. El sistema de vectores gira en sentido contrario al de secuencia positiva. La ventaja presentada es que el tratamiento de los circuitos asimétricos trifásicos se facilita al descomponerse en 3 circuitos trifásicos simétricos, permitiendo resolver circuitos monofásicos. 2- Descomposición de un sistema asimétrico en tres sistemas simétricos. Para aplicar el método, referiremos cada una de las fases a una de ellas tomándola como "fase de referencia", en lo siguiente, se referirán los sistemas de ecuaciones a la fase R o A, pero puede llegarse a idénticas conclusiones si se refirieran a cualquier otra de las dos fases. Ahora debemos definir el factor de fase, que es un operador que al multiplicarlo por otro vector, origina un cambio en la fase del mismo, sin alterar el módulo. Este factor es llamado con º1201∠=a Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 5 Este operador, es entonces un fasor con argumento de 120º y módulo igual a 1 o sea un versor con fase de 120º. Cualquiera sea el ángulo de la fase tomada como referencia, podemos referir las otras fases de un sistema simétrico trifásico, separando una fase de otra en 120º y 240º tomados desde la fase de referencia. Recordando la operación de producto de vectores, podemos escribir: 150º30º12030 .1. ∠+∠∠ == RRRa Este factor de fase a, posee algunas propiedades º1201∠=a 01 2 =++ aa Ec (2.1) 31 33 =++ aa Ec (2.2) De esta forma, un conjunto de corrientes podrá ser descompuesta inicialmente en las tres secuencias como se muestra en la siguiente figura Notar que la secuencia negativa tiene un sentido de giro diferente, esto se ha establecido al invertir dos de las fases. Las ecuaciones de las corrientes de fase serán: 210 210 210 CCCC BBBB AAAA IIII IIII IIII ++= ++= ++= Ec (2.3) Luego, las corrientes de fase podrán ser escritas por las sumas de las corrientes de secuencia pero referidas a la fase A. 2 2 10 21 2 0 210 AAAC AAAB AAAA IaaIII aIIaII IIII ++= ++= ++= Ec (2.4) Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 6 De esta forma podemos obtener el valor de cada corriente de secuencia sumando el juego de ecuaciones y operando adecuadamente. 0 3 ACBA IIII =++ Ec (2.5) 1 2 2 2 10 2 21 2 0 210 3. . ACBA AAAC AAAB AAAA IIaIaI IaaIIIa aIIaIIa IIII =++ ++= ++= =++= Ec (2.6) 2 2 2 2 10 2 21 2 0 210 3. . ACBA AAAC AAAB AAAA IIaIaI IaaIIIa aIIaIIa IIII =++ ++= ++= =++= Ec (2.7) En cada uno de los casos anteriores se obtuvieron las corrientes de secuencia positiva, negativa y homopolar. 3- Propiedades: 3.1- Propiedad de la descomposición Cualquier sistema de vectores simples asimétrico contenido en un mismo sistema de vectores compuesto, (esto es: cualquier sistema de vectores simples, cuyos extremos de coincidan), tendrá las mismas componentes de secuencia positiva y negativa. Demostración: Figura 3.1 - Sistema de tensiones simples y compuestas asimétricas Nótese que hay más de una posible distribución de fasores de tensiones simples que poseen las mismas tensiones compuestas. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 7 Las ecuaciones de las tensiones simples se expresan como sigue: Ec (3.1) 2 2 10210 21 2 0210 210 RRRTtTTT RRRSSSS RRRR UaaUUUUUU aUUaUUUUU UUUU ++=++= ++=++= ++= De las ecuaciones anteriores, podemos escribir las ecuaciones de las tensiones compuestas que quedarán como sigue: RTTR TSST SRRS UUU UUU UUU −= −= −= Ec (3.2) Reemplazando en este juego de ecuaciones las obtenidas en (3.1) ( ) )1.()1.( 2 2 1 21 2 0210 aUaUU aUUaUUUUUUU RRRS RRRRRRSRRS −+−= ++−++=−= Ec (3.3)( ) ).().( 22 2 1 2 2 1021 2 0 aaUaaUU UaaUUaUUaUUUU RRST RRRRRRTSST −+−= ++−++=−= Ec (3.4) ( ) )1.()1.( 221 2102 2 10 −+−= ++−++=−= aUaUU UUUUaaUUUUU RRTR RRRRRRRTTR Ec (3.5) De las ecuaciones (3.3), (3.4) y (3.5), se desprende que las tensiones compuestas en cada caso, son obtenidas por las tensiones de secuencia positiva y negativa simples afectadas en cada caso por el operador a y por lo tanto, cada conjunto de tensiones simples encerradas en un triángulo de tensiones compuestas quedará definido por un único valor de tensiones de secuencia positiva y negativa. Dicho de otro modo, cualquier conjuntos de tensiones simples, cuyos extremos de vectores coincidan entre sí, sin importar si los centros de los sistemas coinciden, poseerán las mismas componentes de secuencia positiva y las mismas componentes de secuencia negativa. 3.2- Propiedad de la secuencia homopolar En el sistema de la figura 3.2, la distancia entre las medianas del triángulo envolvente y el extremo común o central de los vectores simples constituye el valor de la componente homopolar. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 8 Figura 3.2 - Sistema de tensiones simples y compuestas asimétricas y componente homopolar 3.3- Componente homopolar de los vectores compuestos Los vectores compuestos no poseen componente homopolar debido a que la suma es siempre nula. Esto, queda de manifiesto en las ecuaciones que se reescriben a continuación. RTTR TSST SRRS UUU UUU UUU −= −= −= Ec(3.2) La suma de las tensiones compuesta es: 0=−+−+−=++ RTTSSRTRSTRS UUUUUUUUU Aún con cualquier tipo de asimetría, no habrá componente homopolar para los vectores compuestos. 3.4-Existencia de las corrientes de secuencia homopolar En todos los casos, para que existan las corrientes de secuencia homopolar, debe existir un camino cableado que permita la circulación de corrientes que por su naturaleza se encuentran en fase. En concordancia con la ley de Kirchoff para un nudo, la suma de corrientes entrantes a un nudo, debe ser igual a la suma de las salientes. Por lo que para un sistema ∆ o Y con neutro aislado, la ∞=0Z . 3.5-Cociente de simetría Se aprovecha lo expuesto en la propiedad 3.3 para definir el cociente de asimetría como el cociente entre la componente de secuencia negativa y la secuencia positiva, aprovechando la inexistencia de componente homopolar. 1 2 L L U U C = Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 9 Siendo C < 0,05 se asumirá que el sistema es un sistema simétrico, en este caso, la solución del sistema podrá reducirse a un sistema simétrico, si la relación es superior, se considera que la asimetría es grande como para despreciarla. 4- Impedancias: Los distintos elementos de un circuito pueden comportarse de forma diferente para cada una de las secuencias por lo que hay que usar la impedancia adecuada para conformar cada circuito. La norma IEC 60909, da algunas expresiones para calcular la impedancia de algunos elementos comunes como líneas aéreas y cables. Por otro lado, permite estimar la impedancia para cada secuencia para máquinas eléctricas tales como Transformadores y generadores. 4.1-Impedancias de líneas eléctricas para cada secuencia La impedancia de una línea eléctrica dependerá de la configuración, de la cantidad de conductores por fase que posea, de la geometría de la línea, de la cantidad de hilos de guardia que posea y de la altura de los conductores. De acuerdo a la IEC 60909 parte 2 Electrical equipment - Data for short-circuit current calculations in accordance with IEC 909 (1988), puede plantearse la inductancia, la reactancia y la impedancia de una línea aérea tripolar, coplanar de acuerdo a la ec (4.1) estas expresiones son fáciles de deducir partiendo de di d L φ= . 1000ln25,0 2 ]/[ ln25,0 2 ]/[ 0 0 x rmg d kmx rmg d mHyl +=Ω += π µω π µ Ec (4.1) 3 231312 .. dddd = Ec (4.2) La expresión (4.1) brinda el valor de inductancia y reactancia para la secuencia directa e inversa, la resistencia puede ser obtenida del catálogo de conductores con el que se proyecta la línea pasando el valor de resistencia dado para corriente continua a corriente alterna. La ecuación (4.2) presenta la distancia media geométrica entre conductores donde son usadas las distancias entre los conductores de fases. +++= 3 2 00 0 . ln3 4 1 28 3 drmgn j nq z n δ π µωµωρ Ec (4.3) La Ecuación (4.3) da la impedancia homopolar para una línea que no tiene hilo de guardia o protección. Donde: δ es la resistividad del terreno Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 10 rmg es el radio medio geométrico en el caso que se use más de un conductor por fase ρ es la resistencia específica del cable conductor μ0 es la permeabilidad del vacío La reactancia para la secuencia homopolar es distinta a las de secuencia directa e inversa debido a que para las corrientes homopolares la suma de corrientes en la línea no es cero, circulando corrientes por el o los hilos de guardia y tierra o sólo por tierra en el caso que la línea no posea hilo de guardia. Del mismo modo, la parte real de la impedancia se modifica para tener en cuenta esta vía de retorno. En la tabla siguiente se muestran un conjunto de valores para una línea de 132 kV coplanar horizontal, de un conductor por fase, con dos hilos de guardia. Línea E.T. Origen E.T. Destino Terna Tensión Long nominal total R (1) X B R0 (1) X0 B0 Nº kV km ohm/km ohm/km µs/km ohm/km ohm/km µs/km PICHANAL TARTAGAL 1 132 105,00 0,1095 0,3926 2,9149 0,1752 1,1385 1,8102 Tabla 4.1.1 - Valores de reactancias directa y homopolar para una línea Al/Ac 240 mm2 (fuente: Guia de Referencia de Transnoa Año 2011) 4.2-Impedancias de secuencia de motores asincrónicos En régimen normal, el rotor gira a una velocidad menor que el campo rotante (de 1,5 a 4% menor). Si mantenemos la velocidad de giro en el mismo rango y sentido, pero ahora, alimentamos al motor con una secuencia invertida de tensiones, o sea, hacemos girar al rotor en un sentido mediante otro motor, y alimentamos las bobinas con una secuencia R-T-S en lugar de R-S-T (simulamos una secuencia negativa), podemos deducir rápidamente que el rotor girará al con velocidad aproximadamente igual pero opuesta al flujo magnético producido por la armadura del mismo. Esto hace que el rotor corte líneas de flujo al doble de la velocidad del flujo magnético. En este escenario, se inducirán fems más grandes en el rotor, lo que dará origen a corrientes mayores, en contraste con la secuencia directa donde la diferencias de velocidades alcanza a una pequeña porción de la velocidad del flujo. Las mayores corrientes que se presentan en esta condición, dan origen a campos desmagnetizantes mayores, el debilitamiento del flujo, reduce las fems inducidas en el rotor por este campo. Dado que las tensiones aplicadas al estator se equilibran por esas fems, su disminución hará que aumenten las corrientes del estator. Por lo tanto, para igual magnitud de alimentación en secuencia directa e inversa, las corrientes en secuencia inversa serán mayores. Esto lleva a concluir que la Z2<Z1 Por otro lado al incorporar el modelo circuital del motor de inducción o asincrónico, podremos notar otro fenómeno interesante. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 11 Figura 4.2.1 - Circuito equivalente monofásico de un motor de inducción No ahondaremos en la determinaciónde los parámetros, dejando esto para el curso de Máquinas Eléctricas, pero diremos que la máquina de inducción puede ser comparada con un transformador con su secundario cargado con una resistencia variable. Podemos entonces modelar el comportamiento de una de las fases como un transformador monofásico. Vemos que Ra' y Rb' son las resistencias del primario y secundario y éstas están vinculadas a las pérdidas de la máquina. La componente S SRb )1( − representa la potencia mecánica del motor, en función del deslizamiento S. (el deslizamiento es la diferencia de velocidad entre el campo y el rotor referida a la velocidad del campo) Esta resistencia permite modelar la potencia mecánica haciendo P = I2.R. Claro está que hay que multiplicar a este valor por 3 para obtener la potencia total del motor trifásico. Entonces, durante el funcionamiento del motor en condiciones de asimetría, para la secuencia negativa, este valor resistivo será proporcional al trabajo de frenado que hace esta corriente en el rotor. Esto motiva una diferencia de la resistencia entre secuencia positiva y negativa ya que si el rotor sigue girando, el trabajo de frenado es menor al trabajo hecho por la componente de secuencia positiva. 4.3-Impedancias de secuencia de generadores Para el estudio de las impedancias en generadores, usaremos sólo la componente reactiva ya que en la mayor parte de los casos (excluidos los generadores de baja potencia) la parte resistiva es despreciable en comparación. De acuerdo al tipo de estudio que queremos llevar a cabo, podemos tomar como reactancia de secuencia directa o positiva a las reactancias Reactancias de secuencia positiva: XS"= reactancia sincrónica subtransitoria (para estudios durante los 5 primeros ciclos de la falla) XS'= reactancia sincrónica transitoria (para estudios que van entre los 5 y los 200 ciclos posteriores a la falla) Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 12 XS = reactancia sincrónica (para el régimen permanente) Reactancias de secuencia negativa: Para la secuencia negativa del generador, la reactancia dependerá de 2 "" 2 qd XXX + = donde: Xd: reactancia de eje directo Xq: reactancia de eje en cuadratura En caso de máquinas de rotor de polos salientes, ambas reactancias son diferentes, pero para máquinas de rotor liso o cilíndrico, estas reactancias son iguales, de donde surge que la reactancia de secuencia positiva y negativa serán iguales para el período subtransitorio, para el resto de los períodos, la reactancia de secuencia negativa será menor. A fin de poder ilustrar lo expuesto, en los anexos de este cuadernillo se encuentra la hoja de datos de un generador de 6 MVA, 6.3 kV. Ver anexo nº1. 4.3-Impedancias de secuencia de transformadores En los transformadores, las impedancias de secuencia positiva y negativa son iguales debido a que los flujos para ambas secuencias circulan por los mismos circuitos magnéticos, en cambio, la impedancia homopolar puede presentar diferencias. Principalmente esta impedancia dependerá del grupo de conexión de los transformadores, de la cantidad de "piernas" que posea el circuito magnético del transformador y los caminos de dispersión que contengan estos. Partiendo del circuito equivalente del transformador (por fase) podemos ver que: Figura 4.3.1 - Circuito equivalente monofásico de un transformador Las resistencias representan las pérdidas en cada arrollamiento. La rama paralelo central, representa el circuito de magnetización. Para obtener los parámetros del circuito de magnetización se realiza un ensayo de vacío, midiendo tensiones y corrientes se puede conocer la impedancia de esta rama. Por otro lado, en un ensayo de cortocircuito, se pueden conocer los parámetros agrupados de las resistencias e inductancias de los arrollamientos primario y secundario. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 13 En el transformador se define la tensión de cortocircuito, pudiendo hallarse por ensayo, y es el valor de la tensión (del lado primario por ejemplo) que se debe alcanzar para que estando el secundario cerrado en un cortocircuito circule la corriente nominal. Viendo el circuito de la figura 4.3.2 donde se han agrupado los parámetros R y X de los arrollamientos primario y secundario y se han referido al primario, podemos ver rápidamente que la tensión que alcanza la fuente para que circule la corriente nominal será igual a la caída de tensión interna del transformador cuando circula la corriente nominal por él. Figura 4.3.2 - Circuito de ensayo de tensión de cortocircuito Dividiendo esta tensión por la corriente se obtiene la impedancia de ambos arrollamientos (primario + secundarios) referida a uno de los lados de transformador que dependerá del lado del que se realiza el ensayo. Puede verse en la figura 4.3.2 que se ha despreciado la rama magnetizante ya que la corriente que circula por ella es despreciable frente a la nominal del transformador. Inom Vcc ZCC = Ec(4.4) Para evitar tener que referir esta impedancia en todos los casos a uno u otro arrollamiento, se da el valor porcentual de la caída de tensión del ensayo. 100% x Vnom Vcc CC =µ Ec (4.5) Esto permite encontrar la impedancia ya sea referida al primario como al secundario. Mediante la siguiente expresión podrá hallarse la impedancia referida a cualquiera de los lados del transformador. Esta impedancia será la impedancia de secuencia positiva o negativa y es la impedancia que existe entre el primario y secundario de un transformador. [ ] 100 2 CC nom nom x S V Z µ =Ω Ec(4.6) Donde: Sn= potencia aparente nominal Vn=tensión de línea nominal μCC=tensión de cortocircuito en % Si dividimos a μCC en [%] por 100 obtendremos la tensión de cortocircuito en por unidad. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 14 Para demostrar lo dicho, operamos con la (4.6) [ ] cc nom cc cc nomnom nom cc nom nom nom CC nom nomCC nom nom Z I V V IV V V S V xV xV x S V x S V Z === ====Ω . . 1 . 100 100 100 22 µ Ec (4.7) La (4.7) llega al valor de la impedancia en ohm para la secuencia directa e inversa. La norma IEC 60909, establece una forma de estimación de la reactancia homopolar del transformador cuando no se cuenta con mejor información o posibilidad de hacer un ensayo, y es tomar el X0=0,8.X1. La tabla 4.3.1 muestra simplificadamente como quedan compuestos los circuitos de cada secuencia cuando se tienen diferentes conexiones de transformadores. tabla 4.3.1 - Circuitos de secuencia para la solución de conexiones de transformadores Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 15 5-Potencia Eléctrica con el método de las componentes simétricas: La potencia aparente en un sistema con asimetría debe calcularse siguiente los lineamientos expuestos en esta sección. UIS . *_ = Ec.(5.1) Si recordamos que las tensiones pueden escribirse en función de una fase y su descomposición en secuencias: 2 2 10 21 2 0 210 UaaUUU aUUaUU UUUU T S R ++= ++= ++= Ec (5.2) Y las corrientes pueden escribirse como sigue: 21 2 0 * 2 2 10 * 210 * aIiaII IaaIII IIII T S R ++= ++= ++= Ec (5.3) Reemplazando la (5.2) y la (5.3) en la expresión (5.1) se obtendrá la potencia aparente para el circuito con asimetría, quedando: =++== TTSSRR UIUIUIUIS ****_ . =+++++ ++++++++++= ))(( ))(())(( 2 2 1021 2 0 21 2 02 2 10210210 _ UaaUUaIIaI aUUaUIaaIIUUUIIIS Aplicando distributiva a cada paréntesis, quedará: 2 3 21 2 2022 4 11 3 10 2 12 2 01000 2 3 21 4 20 2 22 2 11 3 101201 2 000 221202211101201000 _ UaIUaIaUIUaIUaIUaIUaIaUIUIUaIUaIUaIUaIUaIaUIaUIUaIUI UIUIUIUIUIUIUIUIUIS +++++++++ ++++++++++ +++++++++= Agrupando de acuerdo a los productos, cancelando y replanteando las expresiones se obtiene: 221100 _ 333 UIUIUIS ++= Ec(5.4) La expresión (5.4) es entonces la suma de las potencias aparentes por fase de cada secuencia. El factor 3, es una consecuencia de la separación de la asimetría en componentes simétricas, donde cada sistema simétrico (homopolar, directo e inverso) posee tres circuitos monofásicos iguales, uno por cada fase. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 16 6-Aplicaciones del método - Casos de estudio: Abordaremos la aplicación más importante del método de las Componentes Simétricas que es la evaluación de fallas en los sistemas eléctricos trifásicos. Estudiaremos los diversos casos de falla comenzando por los cortocircuitos. Naturalmente, el estudio del cortocircuito trifásico o trifásico a tierra queda fuera de este estudio por ser una falla simétrica. 6.1- Cortocircuito monofásico a tierra: Dentro de las fallas asimétricas, el cortocircuito monofásico (vinculación de una de las fases con tierra), es la falla más frecuente. Para la presentación de la falla, supondremos que se pone en contacto la fase R del generador con tierra, luego, el razonamiento seguido puede expandirse para una falla en cualquier otra fase. El objetivo perseguido es encontrar una expresión que permita hallar el valor de la corriente de falla. Las ecuaciones que plantearemos, referirán todas las secuencias a la fase R. Figura 6.1.1 - Circuito de falla monofásica a tierra De acuerdo a la figura 6.1.1 podemos escribir las siguientes ecuaciones 0 0 == = TS R II U Ec(6.1) La tensión de la fase R será cero ya que es la fase que entra en contacto con tierra, las corrientes de las fases S y T pueden entonces despreciarse frente a las corrientes que circularán por la fase R. fallaR R IIIII UUUU =++= =++= 210 210 0 Ec (6.2) 0 0 2 2 10 21 2 0 =++= =++= IaaIII aIIaII T S Ec (6.3) Las ecuaciones (6.2) y (6.3) fueron escritas tomando a la fase R como referencia. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 17 Restando las corrientes de la ecuación (6.3) podemos escribir: )()( )()( 0)()( 0)( 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 1021 2 0 aaIaaI aaIaaI aaIaaIII IaaIIaIIaIII TS TS −=−⇒ −−=−⇒ =−+−=− =++−++=− De esta ecuación se concluye que 21 II = Por otra parte planteamos que 021 2 0 =++= aIIaII S Esto puede re escribirse de acuerdo a la igualdad obtenida como 011 2 0 =++= aIIaIIS Ec(6.4) Como puede verse en la (6.4) 0 2 1 011 2 )( IaaI IaIIa −=+ −=+ Ec(6.5) Pero como 12 −=+ aa , la (6.5) puede escribirse como sigue 01 II −=− o 01 II = Podemos decir entonces que durante la falla monofásica todas las corrientes de secuencia tendrán el mismo valor modular. 201 III == Ec(6.6) A continuación se dibujan los circuitos monofásicos para cada secuencia. Figura 6.1.2 -Circuitos monofásicos de secuencias De los circuitos de la figura 6.1.2 se obtienen estas ecuaciones 000 222 1111 UZI UZI UZIE f =− =− =− Ec(6.7) Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 18 Incorporando los resultados expresados en (6.7) en la ecuación (6.2), obtendremos la siguiente expresión. 2211100210 ZIZIEZIUUUU fR −−+−=++= Ec(6.8) La (6.8) puede reescribirse considerando lo expuesto por la (6.6) 0)( 02111 =++−= ZZZIEU fR y de esta expresión, podemos dar paso a la determinación del valor de la corriente de secuencia positiva como: )( 02111 ZZZIE f ++= 021 1 ZZZ E I f ++ = Ec(6.9) Luego, por la Ec (6.2) de corriente de la fase R y por la igualdad presentada en la (6.6) surgirá que: 021 1210 .3 .3 ZZZ E IIIII f R ++ ==++= Ec (6.10) Si el centro de estrella del generador se encontrara conectado a tierra mediante una impedancia de neutro, la expresión (6.10) debería modificarse de acuerdo a lo que se muestra en la (6.11) n f R ZZZZ E I 3 .3 021 +++ = Ec(6.11) Esto encuentra explicación en el circuito equivalente de la falla, ya que las corrientes homopolares circulan en fase, todas juntas por la impedancia de puesta a tierra del generador, esto crea una caída de tensión en esta impedancia que será nn ZIU .3 0= , el 3, es debido a que las corrientes homopolares de las tres fases circulan por la impedancia de puesta a tierra. Esa caída de tensión, debe quedar plasmada en el circuito monofásico de la falla, pero como por este circuito sólo circula una corriente homopolar y no la de todas las fases (ya que se resuelve el circuito monofásico) se subsana la diferencia multiplicando por 3 a la impedancia. La figura 6.1.3, muestra los circuitos monofásicos equivalentes para la falla monofásica a tierra, en las dos condiciones, con el centro de estrella del generador conectado rígido a tierra o mediante impedancia de neutro. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 19 Figura 6.1.3 -Circuitos monofásicos equivalente del cortocircuito monofásico Como se muestra, los circuitos equivalentes son circuitos serie entre las secuencias positiva, negativa y homopolar, esto queda justificado ya que las corrientes de las tres secuencias son iguales. 6.2- Cortocircuito bifásico aislado de tierra: En la falla bifásica aislada de tierra, las corrientes entre las fases que hacen contacto, serán iguales en módulo y opuestas en sentido. Las ecuaciones del sistema pueden escribirse como : 2 2 10 21 2 0 210 AAAC AAAB AAAA IaaIII aIIaII IIII ++= ++= ++= Asumimos que la corriente de la fase A es nula o despreciable frente a las corrientes de falla resultando que: Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 20 Figura 6.2.1 -Circuitos de cortocircuito bifásico CB A II I −= = 0 Ec(6.12) Esto resultará en que: 2 2 1 2 0 2 2 10 21 2 0 210 3 3 00 ACBA ACBA ACBA AAAC AAAB AAAA IaIIaI IIaaII IIII IaaIII aIIaII IIII =++ =++ =⇒=++ ++= ++= ++= Ec(6.13) De la (6.13) se concluye que esta falla no tendrá componente homopolar de corrientes. La siguiente figura muestra el diagrama fasorial para esta falla, quedando en evidencia que la corriente de secuencia positiva estará adelantada 90º de la corriente de falla (corriente de la fase B), mientras que la corriente de secuencia negativa estará en retraso de 90º de la corriente de la fase B. . Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 21 Figura 6.2.2 -Diagrama fasorial de corrientes En este fasorial, se ve que: 11 1 1 2 1 2 3 3 3 3 2 3 .23 30 3 III III IIaaI IIaaII B BB BB CBA ==⇒ == =−+ =++ Ec(6.14) La misma metodología puede seguirse para la determinación de la corriente en función de la corriente de secuencia negativa, en este caso llegaremos a que: 22 3 3 3 III B ==⇒ Ec(6.15) Como las corrientes de secuencia positiva y negativa poseen el mismo módulo, resultará que el circuito equivalente de la falla es: Figura 6.2.3 -Circuito equivalente monofásico de la falla Bifásica Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 22 De este circuito se puede determinar que: 21 1 21 1 21 3 ZZ E II ZZ E II fase fallaB + ==⇒ + == − Ec(6.16) 6.3- Cortocircuito bifásico con contacto a tierra: Para esta falla podemos plantear las condiciones de corrientes y tensiones según la expresión (6.17). Se evidencia que la corriente por la fase A será nula o podrá despreciarse frente a la corrientede falla. Figura 6.3.1 -Circuito de falla bifásica a tierra Además, debido a que las dos fase en falla, hacen contacto con tierra, ambas fase tendrán potencial 0V. Ec(6.17) I U U O U U U U U U U U U a U aU U U U U U aU a U R O S T R R R R S S S S R R R T T T T R R O R = = = = + + = + + = + + = + + = + + 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 2 2 Sumando miembro a miembro y multiplicando por a según corresponda se obteiene: U a U aU U a a U a a U U U U R S T R R R R R R + + = + + + + + + + + = = 2 2 4 2 20 1 2 2 1 1 1 1 1 3 3 ( ) ( ) ( ) 1 1210 0 021 3 3)1()111()1( 3 3)1()1()111( 4222 22 0. RR RRRRTSR RR RRRTSR UU UaaUUaaUUaaUU UU UaaUaaUUUUU = =++++++++=++ = =++++++++=++ Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 23 Esto implica que se tienen las mismas tensiones de secuencia por lo que el circuito equivalente debe ser un circuito paralelo entre las tres redes de secuencia. Luego 021 210102102 0 1 2 1 1 1 021 0 1 0 0 0 2 1 2 2 2 1 1 1 )( 0 ZZZ ZZZZZZUZEZ Z U Z U Z UE I IIII Z U Z U I Z U Z U I Z UE I R R ++−=−−−= ++== −=−= −=−= −= Llamando 212102 ZZZZZZZ ++= ∗ (Notar que Z* tiene unidad de 2Ω ) Ec(6.18) Como la corriente de la fase R es nula, el numerador de la fracción que representa a esta corriente debe ser nulo tambien. * 02 11020 Z ZEZ UZUZEZIR =→=→= ∗ Ec(6.19) Luego: 2 1 1 12 0 1 21 2 0 Z U a Z UE a Z U aIIaIIS − −+−=++= * 1 )( 2 02 1 * 022 * 0 02 ZZ ZEZ a ZZ ZEZ Ea ZZ ZEZ IS −−+−= Ec(6.20) SIaaZ EZ a Z EZ Z EZ a Z EZ a Z EZ a Z EZ Z Z aE ZZ ZZZZZZZZE a Z EZ =−++= =−++−= =−−+++−= ).()1( )( 2 * 02 * 2 * 0 * 02 * 22 * 2 * 0 * 1 020210212 * 2 Ec(6.21) 6.4- Pérdida de una fase de alimentación La figura 6.4.1 da una idea de la condición de falla, de la misma se puede rápidamente determinar las condiciones a las de la corriente. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 24 Figura 6.4.1 -Esquema trifilar de la falla de pérdida de fase En este escenario, las variables eléctricas quedarán como se indica a continuación. Se aprecia que para las corrientes se cumplen las condiciones de una falla bifásica aislada de tierra. TS R II I −= = 0 Ec(6.22) Suponemos para este desarrollo que la carga alimentada es un motor, el centro de estrella no está puesto a tierra. Refiriendo todas las ecuaciones de corriente a la fase R quedará la expresión (6.23) 0 2 10 21 2 0 2100 IaaIII aIIaII IIII T S R ++= ++= ++== Ec(6.23) Sumando las expresiones según se muestra a continuación se obtienen las expresiones de I1 e I2. La componente homopolar de la corriente será nula ya que no hay camino de retorno al generador o alimentación. 030 IIII TSR ==++ Ec (6.24) SSTSR IaaIIIaaII 2 1 2 3 −==++ Ec(6.25) Donde 3 )( 2 1 aaI I S − = Ec(6.26) Luego, del diagrama fasorial de la figura 6.4.2 o de la operación con los vectores de la (6.26) quedará: 33 3 1 SS Ij I jI == Ec(6.27) Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 25 Figura 6.4.2 -Diagrama fasorial de la ecuación (6.25) Trabajando, con igual procedimiento se obtendrá la corriente de secuencia negativa. SSTSR aIIaIaIIaI −==++ 2 2 2 3 Ec(6.28) Figura 6.4.3 -Diagrama fasorial de la ecuación (6.28) Donde 3 )( 2 2 aaI I S − = Ec(6.29) Del diagrama fasorial de la figura 6.4.3 o de la operación con los vectores de la (6.29) quedará: 33 3 2 SS Ij I jI −=−= Ec(6.30) Como los módulos de ambas corrientes de secuencia son iguales, y al igual que en el caso de la falla bifásica, el circuito equivalente de la falla, constará en una serie del circuito de secuencia positiva con el circuito de secuencia negativa. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 26 Figura 6.4.4 -Circuito equivalente monofásico de la falla Donde Z1 y Z2 son las sumas de las impedancias de cada secuencia (en este caso, generador y carga) 21 11 .3 3 3 3 ZZ E III fase S + = ===⇒ Ec(6.31) En este caso, la fem a usar para calcular la corriente de falla IS es la fem de fase. Hay que observar que la única secuencia que tiene fem es la secuencia positiva o directa. 6.5- Falla monofásica a tierra en régimen de carga Para desarrollar este apartado nos valdremos de lo estudiado en el apartado 6.1. Las condiciones generales de la falla se mantienen, siendo necesario introducir el efecto de la carga en el estudio de la falla o sea que será necesario adaptar las expresiones matemáticas para el nuevo modelo circuital. Para esto, tomamos las ecuaciones que se plantearon como solución de la falla monofásica. Figura 6.5.1 -Falla monofásica con carga La expresión de la corriente de falla monofásica venía dada por las ecuaciones (6.10) o (6.11), esta última en el caso que el generador se conectara a tierra mediante una resistencia de puesta a tierra. En el caso de la figura 6.5.1 se tiene un resistor de neutro por lo que la solución del vendrá dada por la (6.11), pudiendo expandir los resultados a un sistema con el generador rígido a tierra haciendo cero este valor. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 27 n f R ZZZZ E I 3 .3 021 +++ = Ec (6.11) En la conformación de los tres circuitos monofásicos para cada componente simétrica, la impedancia de la carga queda en paralelo con la falla, de modo que la tensión aplicada a la falla ya no será la fem del generador y habrá que hallar la tensión de Thevenin. En tanto, la impedancia "vista" desde la posición de la falla, resulta para este caso, el paralelo entre la impedancia del generador y la resistencia de la carga. Figura 6.5.2 -Circuito de secuencia positiva 1ZR xRE U fth + = Ec(6.12) 1 1 1 . ZR RZ Zth + = Ec(6.13) Figura 6.5.3 -Circuito de secuencia con sus equivalencias Para la secuencia negativa, puede plantearse de forma similar el circuito equivalente. Figura 6.5.4 -Circuito de secuencia negativa Para esta secuencia la impedancia presente en el punto de falla es el paralelo entre la impedancia de carga y la impedancia de secuencia negativa del generador. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 28 2 2 2 . ZR RZ Zth + = Ec(6.14) Para la secuencia homopolar, el circuito y las impedancias dependerán de la conexión a tierra del generador y la carga. Para el circuito de la figura 6.5.1, se puede apreciar que el circuito monofásico para le secuencia homopolar quedará representado como sigue. Figura 6.5.5 -Circuito de secuencia homopolar La impedancia para esta secuencia queda comprendida por la serie entre la impedancia homopolar del generador y la resistencia de puesta a tierra del generador. Nte RZZ .300 += Ec(6.15) Notar que el circuito equivalente para esta secuencia se ha dibujado abierto en el extremo de la carga, esto es debido a que el centro de estrella de la misma se encuentra aislado de tierra. Queda como trabajo para el alumno determinar la impedancia de secuencia homopolar para el caso en que el centro de estrella de la carga se encuentre conectado a tierra. Una consideración importante a realizar, es que si la carga no es una carga resistiva y posee acoplamientos magnéticos, es posible que tenga impedancias de secuencias distintas, esto debe reflejarse en cada uno de los circuitos de secuencias planteados. Por otro lado, si la carga está dada en triángulo, necesariamente hay que plantear su equivalente a estrella. Estáclaro que en este caso, la estrella equivalente tendría el centro de estrella aislado de tierra. 7-Medición de las diferentes secuencias de tensión y corriente En lo que sigue se tratará un aspecto interesante de las componentes simétricas que es la medición de las diferentes secuencias de corriente y tensión. 7.1- Medición de la componente de secuencia positiva y negativa de corriente En el caso que se estudiará a continuación, se propone un circuito para la medición de corriente de secuencia positiva y negativa de un sistema. Para que este circuito mida adecuadamente, es necesario que el sistema no posea conexión a tierra o neutro cableado de forma de asegurar que la componente de secuencia negativa sea nula. La siguiente figura muestra el circuito Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 29 Figura 7.1.1 -Circuito de medición de corrientes de secuencia positiva y negativa En este circuito, se debe cumplir que Z = Rej60. Las deducciones de las expresiones de la medición se escriben a continuación y se comenta el circuito de forma detallada. Las relaciones de transformación de los TIs (transformadores de corriente) no son importantes, éstas podrán ser 1:1. Para el análisis que sigue se tomarán de esta forma. Aplicando el principio de superposición, podemos reordenar el circuito de medición y suponer que la corriente en los secundarios de los TIs son iguales a las corrientes en los primarios. Figura 7.1.2 -Circuito de medición con separación de corrientes Rápidamente se puede deducir que para cada uno de los circuitos, y estando circuladas por una corriente, IB o IC, la caída de tensión en el circuito será: RZ RZ IU RZ RZ IU C B + = + = . . Ec (7.1) En el caso de que supongamos que el circuito está siendo circulado por la corriente de la fase B podemos ver en la figura 7 que la corriente que atraviesa al amperímetro A1 es: RZ R IA BB + =1 Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 30 En el caso que el circuito sea atravesado por la corriente de la fase C, la corriente que atraviesa al amperímetro A1 será: RZ Z IA CC + =1 Estas corrientes se obtienen dividiendo la caída de tensión producida en el paralelo de impedancias, por la impedancia de la rama del amperímerto A1 que encuentra cada corriente asumiendo que los amperímetros poseen impedancia interna despreciable. Luego, aplicando superposición, se suman las dos corrientes que atraviesan al amperímetro A1 quedando la siguiente expresión. RZ Z I RZ R IAAA CBCB + + + =+= 111 Ec (7.2) De acuerdo a la relación entre los valores establecidos para la impedancia y resistencia, se deduce que: º30 3 1 )11( º60 −∠= + = + ∠R R RZ R Ec (7.3) º30 3 1 )11( º60 º60 ∠= + = + ∠ ∠ R R RZ Z Ec (7.4) Podemos ver que el resultado de (7.3) puede obtenerse de la suma vectorial planteada a continuación. Figura 7.1.3 -Diagrama fasorial de (1-a) Podemos entonces reemplazar RZ R + por )1( 3 1 a− , un razonamiento análogo podrá hacerse con RZ Z + concluyendo que )1( 3 1 2a RZ Z −= + . Reemplazando ambos resultados en la (7.2) quedará: )1( 3 1 )1( 3 1 111 2aIaIAAA CBCB −+−=+= = Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 31 )( 3 1 )1( 3 1 )1( 3 1 1 22 CBCBCB IaaIIIaIaIA −−+=−+−= Ec (7.5) Trabajando con la (7.5) se obtiene 12 4 10 2 2 2 10210 2 )( 3 1 )( 3 1 1 IIaIIaIaIaIIIIIaaIIA CBA −=−−−−−−−−−=−−−= Ec(7.6) La ecuación (7.6) muestra que la medición obtenida por el amperímetro A1 es la componente de secuencia positiva con signo invertido. Operando análogamente con la rama del amperímetro A2 se obtiene que la medición en este amperímetro será -I2. Habiendo demostrado de esta forma que los amperímetros A1 y A2 miden las corrientes de secuencia positiva y negativa respectivamente. 7.2- Medición de la componente de secuencia homopolar de corriente En el circuito que se muestra en la siguiente figura, se puede ver un sistema para la medición de la secuencia homopolar de corriente. Para que este sistema mida adecuadamente la secuencia homopolar de corriente, es necesario que el sistema al cual se conecte, posea caminos por los cuales puedan circular la corriente de secuencia homopolar. Figura 7.2.1 -Circuito de medición de la corriente homopolar Basado en la ecuación (2.5), la suma de las corrientes de fase es el triple de la corriente homopolar 03 ACBA IIII =++ Ec (2.5) De esta misma expresión surge que se puede medir la corriente homopolar en una conexión aditiva de las corrientes de fase de un sistema, claro que para esto es necesario que el sistema tenga un camino conductivo por el cual puedan cerrarse las corrientes homopolares. Cuando el sistema medido sea simétrico, el amperímetro conectado no tendrá deflexión. Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 32 7.3- Medición de la componente de secuencia homopolar de tensión El circuito de medición que se muestra a continuación, se utiliza para la determinación de la componente homopolar de la tensión. El resultado medido, es la suma de las tensiones de fase de las tres fases. En consecuencia, si existe asimetría en la tensión, podrá medirse en el secundario de los transformadores de medición la tensión suma. La conexión usada para los transformadores de tensión es primario en estrella y secundario en triángulo abierto. Figura 7.3.1 -Circuito de medición de la tensión homopolar La medición resultará 00 33 UUUUU ACBA ==++ en el caso que la relación de los transformadores de tensión sean 1:1. Para otras relaciones de TVs, cada tensión de fase del secundario debe afectarse por la relación. Naturalmente, el voltímetro estará graduado en escala adecuada para ese caso. 8-Trabajo matricial con el método. Partimos de un conjunto de fasores y los expresamos de acuerdo al método de las componentes simétricas. 2 2 10 21 2 0 210 RaaRRT aRRaRS RRRR ++= ++= ++= Ec (8.1) En la Ec (8.2) aparece la expresión de la (8.1) en forma matricial. 2 1 0 2 2 R R aa1 aa1 111 T S R R ⋅= Ec (8.2) En forma abreviada podrá escribirse Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 33 2 1 0 T S R R RR ⋅= Α donde 2 2 aa1 aa1 111 =A Para dar solución a este juego de ecuaciones formado por tres ecuaciones y tres incógnitas, se opera por ejemplo con la regla de Cramer. ∆ Ta1 Sa1 R11 R ∆ aT1 aS1 1R1 ∆ aaT aaS 11R 2 2 2 1 2 2 0 === RR )a(a)a(aa)(a)a(a aa1 aa1 111 ∆donde 22224 2 2 −=−+−−−== .3 Resolviendo cada una de las expresiones quedará: 3)a3.(a )aT(aa)S(a)aR(a R 2 2224 0 TSR ++= − −+−−−= Ec(8.3) )a3.(a a)T(11)S(a)a-R(a )a3.(a S)RaT)(RaaTSa R 2 22 2 22 1 − −+−+= − −+−−−= Trabajando con esta expresión quedará: a a a 0 a1a a- 1a 1)-a(a- 1)1)(a(a )a(a 1)(a 22 2 2 = − −++=+=+−= − − 48476 2 2 a a 1 aa a)(1 == − − Resultando 3 TaaSR R 2 1 ++= Ec (8.4) Luego, la última ecuación a plantear resulta: )a3(a 1)T(aa)-S((1)a-R(a )a3.(a RaSaR)(TSaTa R 2 22 2 22 2 − −++= − −+−−−= Operando, resulta 3 aTaR R S 2 2 ++= Ec (8.5) Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 34 Las expresiones (8.3) a la (8.5) pueden expresarse en forma matricial como se presentan en la 8.6. T S aa1 aa1 111 3 1 R R 2 2 2 1 0 RR ⋅= Ec (8.6) En forma abreviada, podemos escribir la (8.6) como sigue: T S R R R R 1- 2 1 0 ⋅= A Ec (8.7) Siendo aa1 aa1 111 3 1 2 21 =Α−Ec (8.8) Universidad Tecnológica Nacional FRRo Cátedra: Electrotécnia II - Método de las Componentes Simétricas 35 9-ANEXOS ANEXO 1 - TABLA DE DATOS GENERADOR 6000 kVA - 6,3 kV
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