Cálculo de Fallas Eléctricas | Impedancia de Secuencia Positiva Negativa Cero

Antes de aplicar un sistema de protección eléctrica adecuado, es necesario tener un conocimiento exhaustivo de las condiciones del sistema de energía eléctrica durante los fallos. El conocimiento de la condición de fallos eléctricos es necesario para desplegar diferentes relés protectores en diferentes ubicaciones del sistema de energía eléctrica.

Se debe recopilar información sobre los valores máximos y mínimos de corrientes de fallo, voltajes bajo esos fallos en magnitud y relación de fase con respecto a las corrientes en diferentes partes del sistema de potencia, para una aplicación adecuada del sistema de relés de protección en esas diferentes partes del sistema de energía eléctrica. La recolección de información de diferentes parámetros del sistema se conoce generalmente como cálculo de fallos eléctricos.

El cálculo de fallos, en sentido amplio, significa el cálculo de la corriente de fallo en cualquier sistema de energía eléctrica. Hay principalmente tres pasos para calcular los fallos en un sistema.

1. Elección de rotaciones de impedancias.

2. Reducción de la red complicada del sistema de energía eléctrica a una impedancia equivalente única.

3. Cálculo de corrientes y voltajes de fallo eléctrico utilizando la teoría de componentes simétricos.

Notación de impedancia del sistema de energía eléctrica

Si observamos cualquier sistema de energía eléctrica, veremos que existen varios niveles de voltaje. Por ejemplo, supongamos un sistema de potencia típico donde la energía eléctrica se genera a 6,6 kV, luego esa potencia de 132 kV se transmite a la subestación terminal donde se reduce a niveles de 33 kV y 11 kV, y este nivel de 11 kV puede reducirse aún más a 0,4 kV.

Por lo tanto, a partir de este ejemplo, queda claro que una misma red de sistemas de potencia puede tener diferentes niveles de voltaje. Por lo tanto, el cálculo de un fallo en cualquier ubicación del sistema mencionado se vuelve mucho más difícil y complicado si se intenta calcular la impedancia de las diferentes partes del sistema según su nivel de voltaje.

Esta dificultad se puede evitar si calculamos la impedancia de las diferentes partes del sistema en referencia a un solo valor base. Esta técnica se llama notación de impedancia del sistema de potencia. En otras palabras, antes del cálculo de fallos eléctricos, los parámetros del sistema, deben referirse a cantidades base y representarse como un sistema uniforme de impedancias en ohmios, porcentajes o valores en unidades per unit.

La potencia eléctrica y el voltaje se toman generalmente como cantidades base. En un sistema trifásico, la potencia trifásica en MVA o KVA se toma como potencia base y el voltaje línea a línea en KV se toma como voltaje base. La impedancia base del sistema se puede calcular a partir de estas potencias y voltajes base, de la siguiente manera,

Unidad per unit es un valor de impedancia de cualquier sistema que no es más que la razón entre la impedancia real del sistema y el valor base de impedancia.

Impedancia porcentual se puede calcular multiplicando 100 por el valor per unit.

A veces, es necesario convertir los valores per unit referidos a nuevos valores base para simplificar diferentes cálculos de fallos eléctricos. En ese caso,

La elección de la notación de impedancia depende de la complejidad del sistema. Generalmente, el voltaje base de un sistema se elige de tal manera que requiera el menor número de transferencias.
Supongamos, un sistema con un gran número de líneas aéreas de 132 KV, algunas líneas de 33 KV y muy pocas líneas de 11 KV. El voltaje base del sistema se puede elegir como 132 KV, 33 KV o 11 KV, pero aquí el mejor voltaje base es 132 KV, porque requiere el menor número de transferencias durante el cálculo de fallos.

Reducción de la red

Después de elegir la notación de impedancia correcta, el siguiente paso es reducir la red a una sola impedancia. Para esto, primero debemos convertir la impedancia de todos los generadores, líneas, cables, transformadores a un valor base común. Luego, preparamos un diagrama esquemático del sistema de energía eléctrica mostrando la impedancia referida al mismo valor base de todos esos generadores, líneas, cables y transformadores.

Luego, la red se reduce a una impedancia equivalente única común mediante la utilización de transformaciones estrella/triángulo. Se deben preparar diagramas de impedancia separados para las redes de secuencia positiva, negativa y cero.

Los fallos trifásicos son únicos ya que están equilibrados, es decir, simétricos en tres fases, y se pueden calcular a partir del diagrama de impedancia de secuencia positiva de una sola fase. Por lo tanto, la corriente de fallo trifásico se obtiene por,

Donde, I f es la corriente total de fallo trifásico, v es el voltaje fase a neutro, z 1 es la impedancia total de secuencia positiva del sistema; asumiendo que en el cálculo, las impedancias se representan en ohmios sobre una base de voltaje.

Análisis de componentes simétricos

El cálculo de fallos anterior se realiza bajo la suposición de un sistema trifásico equilibrado. El cálculo se hace para una sola fase, ya que las condiciones de corriente y voltaje son las mismas en todas las tres fases.

Cuando ocurren fallos reales en el sistema de energía eléctrica, como fallos fase a tierra, fase a fase y doble fase a tierra, el sistema se vuelve desequilibrado, es decir, las condiciones de voltaje y corriente en todas las fases ya no son simétricas. Tales fallos se resuelven mediante el análisis de componentes simétricos.

Generalmente, el diagrama vectorial trifásico puede reemplazarse por tres conjuntos de vectores equilibrados. Uno tiene una rotación de fase opuesta o negativa, el segundo tiene una rotación de fase positiva y el último es cofásico. Esto significa que estos conjuntos de vectores se describen como secuencia negativa, positiva y cero, respectivamente.

La ecuación entre las cantidades de fase y secuencia es,

Por lo tanto,

Donde todas las cantidades se refieren a la fase de referencia r.
Igualmente, se pueden escribir un conjunto de ecuaciones para las corrientes de secuencia también. A partir de las ecuaciones de voltaje y corriente, se puede determinar fácilmente la impedancia de secuencia del sistema.

El desarrollo del análisis de componentes simétricos depende del hecho de que, en un sistema equilibrado de impedancias, las corrientes de secuencia solo pueden dar lugar a caídas de tensión de la misma secuencia. Una vez que están disponibles las redes de secuencia, estas pueden convertirse en una impedancia equivalente única.

Consideremos Z1, Z2 y Z0 son las impedancias del sistema para el flujo de corrientes de secuencia positiva, negativa y cero, respectivamente.
Para fallos a tierra

Fallos fase a fase


Fallos dobles fase a tierra

Fallos trifásicos

Si se requiere la corriente de fallo en alguna rama particular de la red, la misma puede calcularse después de combinar los componentes de secuencia que fluyen en esa rama. Esto implica la distribución de las corrientes de componentes de secuencia, como se determina resolviendo las ecuaciones anteriores, en sus respectivas redes según sus impedancias relativas. Las tensiones en cualquier punto de la red también pueden determinarse una vez que se conocen las corrientes de componentes de secuencia y la impedancia de secuencia de cada rama.