Modelado de Transformador en ATP/EMTP y Capítulo... · PDF fileATP/EMTP y...

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  • Modelado de transformador en ATP/EMTP y aplicaciones 175

    Captulo 7 Modelado de Transformador en

    ATP/EMTP y aplicaciones. 7.1 Introduccin.

    La liberalizacin delmercado elctrico comenz en Europa en los aos 90, con elobjetivo de introducir nuevas empresas al mercado de la energa y obtener precios mscompetitivos.Ahoralasempresasylosclientesparticularessoncapacesdeelegirlibrementeasus proveedores en un mercado ms competitivo. Para permitir la entrada de nuevosproveedores al mercado, las actividades de produccin y distribucin tienen que estargestionadas de forma independiente al funcionamiento de la red. Bajo esta situacin, lamejoradelaeficiencia,lagestindecostesylareduccindelainversinsonlasherramientasnecesariasparaconseguirsermscompetitivo.Almismotiempo,esnecesariounsuministrofiabledeenergaparaloqueesindispensableunfuncionamientodelsistemasinfallos.

    Este escenario es muy difcil desde el punto de vista de la operacin y de laplanificacin de la red. El fallo de los equipos debido a sobrecargas, sobretensiones,envejecimientodelequipooaundisparoerrneodeloselementosdeproteccinesunatareaque cada vez se hace ms complicada de evitar. La implantacin de sistemas de redesinteligentesconcapacidaddealmacenamientodeenergaylageneracinprivada,hacenqueelcomerciode laenergaelctricatengaqueserexplotadodeunaformamsdinmica.Porello,elnmerodetransitorioselctricosenelsistemadedistribucindepotenciasevemuyincrementado.

    Los transformadoresactualesenusoestnentrandoenuna fase crtica.Muchosdeellosestnsometidosacondicionesdesobrecargayenvejecimientoacelerado,ypodranestarcercadelfinaldesuciclodevida.Untransformadordepotenciaesunequipobastantegrandey caro, por lo tanto, en unmercado competitivo y con unmargen bastante bajo, se hacenecesario alargar tanto como sea posible su sustitucin. Esto reduce considerablemente lafiabilidaddelared.Unaaveradeuntransformadorpodratenerconsecuenciassobreelrestodelsistemadepotenciay,adems,eltiempodereparacindeuntransformadores largo.Eltiempodeentregadealgunostransformadoresdepotenciapuedellegaraserdelordendeunao.

  • 176 Modelado de ncleo ferromagntico segn la teora de Jiles-Atherton

    Secreequeelnmerodetransitoriosdelaredvaenaumento.Unparqueelicoestexpuesto tanto a conmutaciones como a sobretensiones tipo rayo. El gran nmero degeneradoresycablesdeconexindedichasplantastambinaumentaelriesgodefenmenosderesonancia.Lacomprensinylaprediccindeestassituacionespuedendarlugaramejorasen losesquemasdeproteccinyen la integracinde los transformadoresdepotenciaen lared.Apesardenopodereliminarseporcompleto, s esposible reducirloshastaunestadoinofensivotantoparaelequipocomoparaelsistema.

    Las corrientes de conexin (inrush) elevadas pueden provocar cadas de tensin ydisparode los relsdiferenciales,por loque se ve reducida la calidaddel serviciode red.Algunos proveedores de red han instalado interruptores sincronizados para eliminar lascorrientesdeconexinmselevadas,peroestaprcticageneralmentesetraduceenmayoressobretensionesyaumentodelriesgoderesonancias.Latendenciadelaumentodelapotenciade cortocircuito y la disminucin de las prdidas de energa del sistema elctrico hacenaumentarelproblemadecorrientesdeconexin(inrush)yhacemscomplicadoelajustedelosrelsdeproteccin.

    7.2 Alcance del trabajo.

    El objetivo de este apartado es representar unmodelo de transformador para serutilizado en los estudios de simulacin de transitorios. Un transformador es unamquinaelctricasofisticadaysumodeladodependedelasituacinquesequiereanalizar.

    La corriente de conexin (inrush) que se produce en la energizacin de untransformador se puede considerar como uno de los transitorios de baja frecuencia msdifcilesdemodelar.Lascorrientesdeinrushsoncausadasporlosefectosdesaturacinenelncleo de hierro cuando se energiza un transformador. Hacemos unmayor nfasis en elmodeladodelacorrientedeinrushyaquesecreequesiunmodelodetransformadorpuedepredecirconexactitudlostransitoriosdecorrientedeconexin,sepuedenpredecirlamayoradelostransitoriosdeconmutacin.

    Elprincipaldesafoenelmodeladodeltransformadores larepresentacinadecuadadelncleono lineal.Serequiereunmodelodetopologacorrectaparapredecirelefectodesaturacin en cada parte del ncleo. Otra caracterstica importante para elmodelo es lacapacidaddeflujodeinicializacin.Porestaraznserequiereunmodelonolinealdelinductoravanzado.

    Engeneral,unmodelodebaja frecuencia sermejorparaestimar lascorrientesdeinrush y los transitoriosde conmutacin.Unmejor conocimientode los transitoriosde redpuedeproducirunamejoradelacalidaddeenergayreducirelriesgodefallo.Losbeneficiosglobalesdeesteproyectotienenlossiguientespuntosdeinters:

    Ladisponibilidaddelasherramientasdesimulacionesprecisasyfiables.

  • Modelado de transformador en ATP/EMTP y aplicaciones 177

    Elajustede losrelsdeproteccinparaevitar ladesconexinen laenergizacindeltransformadorparalairrupcinmnimaymximacalidaddelaenerga.

    Una manera de definir mejor las reglas de conmutacin sincronizada de los

    transformadores. La identificacin de las situaciones que pueden dar lugar a sobretensiones

    transitorias. Lainvestigacindelascausasdefallosylasformasdeevitarsurepeticin. Lareduccindesituacionesdeestrsdeltransformador.

    7.3 Estado del arte.

    Elmodeladodeuntransformadoresuntemamuyamplioyseusanparalasimulacinde transitorios. Una representacin particular de cada transitorio requiere de un modelovlidoparaundeterminadorangodefrecuencia,desdeDCavariosMHz.Estopuede llegaraser una tarea complicada, y en la mayora de los casos no factible. Un modelo detransformadorsepuededesarrollarparaserexactoenundeterminadorangodefrecuencias.Vamos a realizar una clasificacin de los rangos de frecuencia de los transitorios, deconformidadconloestablecipoporelCIGREWG33.02:

    Pegueostransitorios:de5Hza1kHz.

    Transitorios de conmutacin: desde el armnico fundamental de la seal hastamsde10kHz.

    Transitoriosrpidos:de10kHzhasta1MHz. Transitoriosmuyrpidos.De100kHzhasta50MHz.

    Cadarangodefrecuenciascorrespondeaunosfenmenosdetransitoriosparticulares.Sepuedendesarrollarmodelosdetransformadorconunniveldiferentededetallessegnseaelrangodefrecuenciadelostransitoriosdeinters.

    Ejemplos de transitorios lentos son las oscilaciones de torsin y de par torsionaltransitoria, las vibraciones de labes de turbina, las transferencias rpidas de lneas, lasinteraccionesdelcontrolador,lasinteraccionesarmnicasylasresonancias.Sepuedenutilizarlosmodelos clsicos de transformador de baja frecuencia para hacer simulaciones de bajafrecuencia,valgalaredundancia,similaresalosquesemuestranenlasFigura(7.1)y(7.2).Losmodelosdetransformadorestrifsicossedesarrollanapartirdeestarepresentacinconunaconexinadecuadadelosdevanadosprimariosysecundarios.

  • 178

    los cocoordde laelimiparmasegulacardespr

    Figura

    Figu

    Los transomponentesdinacindeas tensionesnacin demetros concuranlarespuractersticanreciallaresp

    a(7.1).Mode

    ra(7.2).Mod

    sitoriosdecos del sistemaislamiento,s de transittransitorios.centrados deuestadefrecno linealdelpuestadinm

    Modelad

    elodebajafr

    delodebaja

    onmutacina. El estudio, ladeterminorios de re. El transfoe cada arrolcuenciaaproncleo,ypmicadelncl

    do de ncleo f

    recuenciade

    frecuenciad

    soncausadoo de los fennacinde laecuperacin,ormador sellamiento.Uopiadadecupara lostransleo.

    ferromagntico

    untransform

    deuntransfo

    ospor laactnmenos descaractersty el estabsuele repr

    Un nmero sualquiermodsitoriospor

    o segn la teor

    madormono

    ormadortrif

    tivaciny la conmutaciticasdeparalecimiento dresentar posuficiente dedelo.Generadebajode3

    ra de Jiles-At

    ofsico.

    sico.

    adesactivacin es til parrayos,elcde solucionor el modee elementosalmentesein35kHz, sep

    therton

    ndeara lalculoes delo des RLCncluyepuede

  • Modelado de transformador en ATP/EMTP y aplicaciones 179

    Uno de los principales causantes de los transitorios rpidos son las descargasatmosfricasen lneasareasde transmisinysubestaciones.Losestudiosestndirigidosaldiseode lneasdetransmisinysubestaciones,ypara laproteccinde losequipos.Aqu,eltransformador est representado por su capacidad parsita a tierra. Elmodelo clsico sepuede mejorar mediante la adicin de las capacitancias relevantes entre devanados. Lainfluenciadelncleomagnticoestgeneralmentedescuidadaenelestudiodelostransitoriosdealtafrecuencia.

    Los transitoriosmuy rpidos ocurren tpicamente en las subestaciones GIS de altatensin. Para tales transitorios de alta frecuencia, en los que es comn modelar untransformador como un condensador. Las capacidades entre devanados se representancuando se tieneque calcular la tensinde transferencia.Amuy alta frecuencia, sepuedendespreciarlasprdidasylasimpedanciasdemagnetizacin.

    El alcance de este proyecto es representar un modelo de transformador para elestudiode lostransitoriosdeconmutacindebajafrecuencia, con laprincipalpreocupacinde modelar los efectos de saturacin y no linealidades del ncleo. En este apartado sepresentaelestadodelartedeltemacentraldelproyecto.

    7.4 Modelo de transformador monofsico.

    Elmodelo usado corresponde a un esquema tpicomonofsico de baja frecuencia,representadoen laFigura7.1.Paramodelar lahistresis sehausadoelmodeloestticodeJilesAthertondesarrolladoenelapartado5.

    Losparmetrosdeentradason:

    :Resistenciadedevanadoprimarioreferidaaprimario.

    :Resistenciadedevanadoprimarioreferidaaprimario. :Resistenciadedevanadoprimarioreferidaasecundario.

    :Resistenciadedevanadoprimarioreferidaasecundario. :Relacindetransformacindeltrafo.

    :Ndeespirasdeldevanadosecundario. :Seccintransversaldelncleo. :longitudpromedioderecorridodelflujomagntico. :Condicininicialdedensidaddecampomagntico.

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    / :Magnetizacindesat