PAPER FERRORESONANCIA EN UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN RURAL REPORTE DE CASO

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1 PAPER Title FERRORESONANCIA EN UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN RURAL REPORTE DE CASO Registration Nº: (Abstract) Sesión 5: CALIDAD DE SERVICIO Y DEL PRODUCTO TÉCNICO Perturbaciones no típicas Authors of the paper Name Institution Country di Mauro, Guillermo Fabián Universidad Nac. Mar del Plata Argentina gdimauro@fi.mdp.edu.ar Ferreyra, Rubén Universidad Nac. Mar del Plata Argentina roferrey@fi.mdp.edu.ar Suarez, Juan Antonio Universidad Nac. Mar del Plata Argentina jsuarez@fi.mdp.edu.ar Jurado, Alejandro Diego Universidad Nac. Buenos Aires Argentina ajurado@fi.uba.ar Key words Ferroresonancia. Sobretensiones. Distribución Rural. Apertura de Fusibles. Transformadores ABSTRACT En este trabajo se presenta y analiza un caso de ferroresonancia ocurrido en un sistema de distribución de energía eléctrica rural. En base a los parámetros de los componentes del circuito se realiza un modelo en el entorno del programa computacional Electromagnetic Transients Program con el fin de evaluar el comportamiento de la red ante distintas maniobras y estados de carga. El análisis de la simulación demuestra que, en ciertas situaciones de operación, se conjugan las condiciones para la existencia del fenómeno, ocasionando las sobretensiones advertidas por el personal técnico y los usuarios del sistema. Considerando los resultados del estudio, se brindan pautas a tener en cuenta para la prevención de la ocurrencia de la ferroresonancia. 1

2 1. INTRODUCCIÓN La normativa que regula la distribución de energía eléctrica en el ámbito de la Pcia. de Buenos Aires, República Argentina (Ley 11769/96), impone condiciones de calidad al suministro bajo el concepto Calidad de Producto Eléctrico evaluando, entre otros parámetros, la magnitud de la tensión entregada. Las prestadoras del servicio de distribución son sancionadas de acuerdo al apartamiento de las magnitudes de tensión respecto a los valores de referencia. Distintas circunstancias en la operación de un sistema de distribución pueden ocasionar magnitudes de tensiones indeseables que, aunque de corta duración, es factible que lleguen a ser perjudiciales tanto para el usuario como para el propio equipamiento de la red. La ferroresonancia, como origen de una sobretensión, se presenta en un sistema de distribución por interacción de las capacidades e inductancias presentes en el circuito. Si bien su aparición está condicionada por las características de la red y simultaneidad de factores, sus consecuencias pueden tener un alto grado de severidad [1]. En este marco, en el presente trabajo se reporta un caso de ferroresonancia ocurrido en una línea de distribución rural en media tensión perteneciente a una Cooperativa de Electricidad del sudeste de la Pcia. de Buenos Aires, Rep. Argentina. En el entorno del Electromagnetic Transients Program (EMTP-ATPDraw) se modela el circuito mencionado y se analizan las condiciones que pudieron ocasionar el fenómeno. Los resultados indican la factibilidad de la aparición de sobretensiones, en coincidencia con los reportes de los operadores de la red y relatos de contingencia de los usuarios. 2. FERRORESONANCIA EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN Dada la presencia de capacidades e inductancias no lineales en un sistema de distribución y la gran variedad de configuraciones de explotación, las condiciones propicias a la ferroresonancia son innumerables. En la bibliografía [2-3-4] se identifican los diferentes casos en los que el fenómeno se presenta en redes reales. En la Figura 1 se presenta una configuración de circuito propicia para la ferroresonancia. El mismo consta de un tramo de línea de media tensión que alimenta a un transformador MT/BT- Triángulo/Estrella con neutro rígido a tierra. El fenómeno aparece cuando el transformador, en vacío o con muy poca carga, es alimentado de la red con una o dos fases. Estas circunstancias pueden presentarse después de una falla u operación de algún dispositivo de corte: fusión de uno o dos fusibles, operación de reconectadores en forma unipolar, corte de conductores. Las capacidades involucradas se deben en general a las de las líneas aéreas o cables subterráneos que alimentan al transformador y cuyos arrollamientos primarios están conectados en triángulo, en estrella con neutro aislado o con neutro a tierra. Para el esquema de las Figura 1, el circuito ferroresonante se presenta al encontrarse en serie las capacidades a tierra de las fases abiertas, pertenecientes al tramo de línea entre el punto de apertura y el transformador y la inductancia magnetizante de éste último. La reactancia magnetizante del transformador (X T ) y la reactancia capacitiva (X C ) forman parte de trayectorias circuladas por una misma corriente. Cuando los valores de las reactancias series resultantes (capacitivas e inductivas) alcanza valores similares, la ferrorresonancia ocurre y pueden aparecer sobretensiones tanto en los bobinados de los transfromadores como en las líneas de alimentación, respecto a tierra. 3. REPORTE DE CASO El área de concesión para la distribución de energía eléctrica de la Cooperativa de Electricidad sobre la cual se reporta el caso está mayormente comprendida por zonas rurales. U U a U b U c x c Fig. 1. Circuito con alimentación de una línea con riesgo de ferroresonancia. x c x T x c x T x T 2

3 El sistema de distribución primario en 13,2 kv se realiza a partir de una estación transformadora de 33/13,2 kv mediante líneas trocales trifilares, que pueden alcanzar los 50 km. Los conductores típicos utilizados son de aleación de aluminio 25 a 95 mm2 y son transportados en forma aérea en disposición coplanar horizontal. Las cargas son transformadores unipolares, bipolares y trifásicos en conexión triánguloestrella. Sus potencias van desde los 5 kva (monofásicos) hasta los 160 kva (trifásicos), con tensión simple secundaria de 220V. También es común encontrar líneas monofásicas con retorno por tierra (LMRT) que, tras algunos kilómetros de recorrido, alimentan a algún transformador de 5 kva con tensión secundaria similar a la anterior. En la Figura 2 se muestra un distribuidor troncal trifásico que alimenta directamente a tres transformadores de 100 kva del cual parten sendas líneas MRT de las fases b y c, similar al sistema donde se han reportado las fallas. Los reportes sobre los hechos sucedidos indican sobretensiones con daños en equipos de baja tensión alimentados por los transformadores de 5 kva (T4 y T5) pertenecientes a las líneas MRT. Al mismo tiempo personal técnico de la Cooperativa detectó la actuación de los fusibles (F) de las fases b y c de la línea troncal de 13,2 kv. Bajo estas circunstancias la Cooperativa decide realizar un estudio del circuito de distribución involucrado, a los efectos de encontrar las causas posibles. 4. ANÁLISIS DE CASO La simulación y estudio de fenómenos transitorios y de ferroresonancia ocurridos en sistemas eléctricos de potencia requiere de programas computacionales especializados. El Electromagnetic Transients Program ofrece, en su entorno gráfico (ATPDraw), un medio apropiado y probado para el análisis de aquellos fenómenos [5]. a) Apertura de dos fusibles Con la asistencia del programa mencionado, se efectuó la simulación de la apertura de los fusibles (F) de las fases b y c suponiendo que los transformadores se encontraban sin carga. Los resultados se exponen en las figuras siguientes. La Figura 3 muestra las tensiones respecto a tierra alcanzadas por los conductores a, b y c del distribuidor troncal luego de la apertura de los fusibles. Como es de esperar, la fase a permanece con los mismos valores que antes de la apertura, mientras que las fases b y c alcanzan valores picos máximos de hasta 28,1 kv en el transitorio (2,62 p.u. respecto a la tensión de fase pico del sistema) y de 21,5 kv (2 p.u.) en la fase b. Estas tensiones son las que quedan aplicadas a los transformadores monofásicos T4 y T5. En la misma simulación pudo observarse que los valores picos de las tensiones desarrolladas entre fases de los arrollamientos primarios de los transformadores trifásicos alcanzaron, en régimen estable, valores de 14 kv (fase b ) lo que representa 0,76 p.u. expresado en valor relativo al pico de la tensión compuesta del sistema. Esta situación implica un régimen de no saturación de los núcleos de los transformadores. La Figura 4 muestra las formas de onda de tensión del lado de baja tensión de los transformadores monofásicos T4 y T5 alimentados de las fases c y b respectivamente. Siendo prácticamente iguales, el pico máximo de tensión en el transitorio, se alcanza en el T5 con un valor de 855 V (2,6 p.u.). En régimen estable se obtiene un valor 650 V (2 p.u. respecto a la T1 100kVA T3 100kVA F T4 5kVA LMRT T2 100kVA T5 5kVA LMRT Fig. 2. Esquema unifilar del distribuidor rural radial en estudio 3

4 transformador monofásico (T4) y 1% para uno trifásico (T1). Realizada la simulación en el escenario planteado, se pudo observar la aparición de una sobretensión de 1,5 p.u. en la tensión a tierra de la fase b y que se ve reflejada en el secundario del transformador monofásico alimentado por la misma fase, con un valor de 1.51 p.u. (Figura 5). Figura 3. Tensiones a tierra de los conductores a, b y c del distribuidor. Múltiples son las variantes de cargas que pueden simularse. En particular, una de aquellas en la cual el fenómeno de sobretensión se mitiga en casi su totalidad para este circuito, se plantea para una carga del 12% para un transformador trifásico (T1) y un 5% para un monofásico (T4). La Figura 6 muestra las tensiones de fase del lado MT con un valor máximo de 1,05 p.u. en la b. b) Apertura monofásica Para las mismas condiciones de carga que en el apartado anterior, se simuló la apertura de un fusible sobre la fase c. Fig. 4. Tensiones del lado de baja tensión de los transformadores monofásicos. tensión de fase pico del lado de baja tensión). Los resultados de la simulación coinciden con los fenómenos descriptos por algunos usuarios del sistema, en referencia a daños en instalaciones de baja tensión de los transformadores monofásicos y la ausencia de éstos síntomas en los trifásicos. Según [4], el fenómeno de ferroresonancia se manifiesta en mayor magnitud cuando la carga aplicada a los secundarios de los transformadores es de bajo valor. Para el caso particular de carga cero, el comportamiento se analizó en los párrafos anteriores. Un escenario posible de poca carga para la red de distribución en estudio puede corresponderse con época de lluvias, dado que las principales cargas de los transformadores trifásicos son bombas de riego. En estas circunstancias y considerando un mínimo de consumo tipo domiciliario en los puestos de estancias, puede resultar una carga del 5% para un En ninguno de los casos planteados, con los transformadores en vacío (Figura 7) se observa efectos de sobretensión. Por el contrario, la tensión en la fase abierta del lado de media tensión presentó valores inferiores a los nominales en estado estacionario. 5. PAUTAS DE MITIGACION Antes de pensar en medidas de mitigación del fenómeno de ferroresonancia es conveniente prever estas situaciones desde el diseño de la red de distribución. Para ello hay que tener en cuenta, entre otros, parámetros y longitudes de las líneas; Fig. 5. Tensiones lado BT del transformador T5 con carga del 5% en T4 y 1% en T1. 4

5 involucrada tome valores que puedan provocar la resonancia del circuito junto con los transformadores que alimenta. La cantidad y ubicación de elementos de maniobra sobre líneas troncales y derivaciones merecen ser evaluada. Fig. 6. Tensiones en las fases (lado MT) con carga del 5% en T4 y 12% en T1. Es conveniente una adecuada coordinación entre los elementos de protección de los transformadores y aquellos ubicados aguas arriba en la línea de suministro. Ante fallas propias o en el secundario del transformador, la apertura de uno o dos fusibles de su protección, no creará situación susceptible a la ferroresonancia, mientras que sí puede ocurrir si la apertura se produce en la protección superior como ya se ha analizado. Sobre una red ejecutada, en la cual pueden conjugarse las condiciones para la existencia de la ferroresonancia, algunas acciones de mitigación son factibles de considerar. Fig. 7. Tensiones a tierra de los conductores a, b y c del distribuidor. Apertura de un fusible. características y conexión de transformadores; tipo y ubicación de elementos de maniobra; condiciones de carga de los usuarios. La selección de las características apropiadas y la topología de la red podrán ayudar a identificar configuraciones de riesgo. Teniendo en cuenta los casos analizados anteriormente y en función de los parámetros de los componentes de la red eléctrica intervinientes, una solución radical es la utilización de aparatos de maniobra de corte tripolar. Desafortunadamente esta solución no siempre resulta técnica y/o económicamente conveniente. La longitud de líneas de alimentación aguas abajo de un puesto de maniobra (y/o protección) con apertura unipolar, resulta ser un parámetro relevante. De dicha longitud depende que la capacidad a tierra Contando sobre la red con elementos de corte unipolar, la aparición de condiciones de ferroresonancia pueden evitarse con una adecuada secuencia de maniobras al momento de su operación, en particular cuando se operan transformadores en vacío o con poca carga. En la Figura 8 se grafica un transformador con elementos de protección local (T), alimentado desde una línea con sus seccionadores fusibles colocados aguas arriba (S). Al operar el sistema, se trata de utilizar una secuencia adecuada para evitar que queden en serie la capacidad a tierra del alimentador y la inductancia del bobinado primario del transformador. Para la energización del circuito, involucra en primera instancia el cierre de los seccionadores S y luego la protección T. La secuencia inversa es apropiada para la desenergización. En este procedimiento, la única capacidad que se encuentra involucrada con el transformador es la propia entre bobinados y entre éstos y tierra, lo cual usualmente es baja como para causar una condición de ferroresonancia. 5

6 S T circuito fue abierto. Estos efectos fueron coincidentes con lo observado por operarios y clientes de la empresa. Fig. 8. Esquema para maniobra de energización/desenergización. En [6] se demuestra la existencia de una correlación entre las pérdidas en el núcleo de transformadores y la capacitancia necesaria para mantener una condición de ferroresonancia. Del mismo surge que transformadores con mayores pérdidas en el núcleo son candidatos a colocar en aquellos puestos en que las condiciones de la red sean propicias para el fenómeno. Como fue analizado anteriormente, cuando los transformadores poseen cierta carga en el secundario, los efectos de la ferroresonancia se atenúan considerablemente. En base a ello, es deseable que al efectuar alguna maniobra con elementos de corte unipolar, se realicen con cargas conectadas a los transformadores y con la menor demora posible entre los elementos de corte. 5. CONCLUSIONES En este trabajo se analizó parte de un sistema real de distribución rural constituido por líneas aéreas. Se demostró que bajo ciertas condiciones de operación y en función de las características de sus componentes el fenómeno de ferroresonancia puede presentarse. Los resultados de la simulación de distintos eventos de maniobra, mediante el programa ATP, arrojaron que la ferroresonancia se manifiesta con valores de sobretensiones que pueden ser perjudiciales para los transformadores monofásicos con retorno por tierra conectados a las fases en las que el El programa ATP resulta una herramienta útil para el análisis de un sistema de distribución ya sea en etapa de proyecto o de explotación de la red. Mediante el mismo, puede preverse la correcta elección de equipamiento o establecer prácticas operativas tendientes a evitar o morigerar el fenómeno de ferroresonancia. 6. BIBLIOGRAFÍA [1] J. B. Wareing and F. Perrot. "Ferroresonance Overvoltages in Distribution Networks. Warning! Ferroresonance Can Damage Your Plant (Digest No: 1997/349), IEE Colloquium on Ferroresonance, Glasgow, Scotland, pp. 5/1-5/ [2] Ferraci P. Cuaderno Técnico nº 190. La Ferroresonancia. Schneider Electric. Francia [3] D. A. N. Jacobson. "Examples of Ferroresonance in a High Voltage Power System". Power Engineering Society General Meeting 2003 IEEE. Vol. 2. pp July [4] E.G. Vinson, A. Jurado, N. Lemozy. Ferroresonancia en Transformadores de Distribución. Influencia de sus Características, Secuencia de Maniobra y Carga Secundaria. VII CLAGTEE. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. (ISBN ) Valparaíso, Chile. Octrubre [5] S. Santoso, Dugan, R. C., Grebe, T. E., Nedwick, P. Modeling Ferroresonance Phenomena in an Underground Distribution System. IEEE IPST 01 International Conference on Power Systems Transients. Rio de Janeiro, Brazil, June 24-28, [6] R. A. Walling. Ferroresonance in Low- Loss Distribution Transformers. Power Engineering Society General Meeting, 2003, IEEE. Vol July