Normas para Estudios de Cortocircuito

ESTUDIOS DE CORTOCIRCUITO BAJO NORMAS IEC - ANSI 10 Agosto 2020

ESTUDIOS DE CORTOCIRCUITO BAJO NORMAS IEC - ANSI • Normas ANSI – IEC • Las DER (Distributed Energy Resources) y las normas • Estudios sin normas • Uso de los resultados

Temario • Usos • Conceptos Básicos.

• Diferencias Fundamentales – Voltaje

– – – – – – – – –

Corriente Pico Generadores Transformadores Capacitancias Unidades de Transformación-Generación Motores y VFD Renovables Demanda Máx – Mín Varios

• Las DER • Corrientes de cortocircuito

Cortocircuito Usos:

 Selección de equipos. Especificaciones.  Mallas de tierra.  Estudio de coordinación de protecciones  Análisis de armónicos.  Calidad de Potencia (sags) y cálculo Is/Ir  Dimensionamiento de conductores  “Arc Flash” – Arco Eléctrico

Normas ANSI Cortocircuito Normas ANSI a ser usadas en sistemas de Alto (>1000 V) y bajo voltaje (< 1000 V): • • • •

C37.05.

Alto Voltaje. Previa 1964. Obsoleta C37.010 Alto Voltaje. Posterior 1964.

C37.010 2016 C37.13 Bajo voltaje

La norma C37.13 fue integrada a las normas de Alto voltaje, por la IEEE, conforme a reglas expresadas en el Red Book.

El libro Violet Book, introduce precisiones adicionales de modelado y cálculo de corrientes pico.

Normas IEC • IEC 909 - 1988. Obsoleta • IEC 60909 - 2001 Vigente • IEC 60909 – 2016 Vigente - DER

40

Corrientes de Corto Circuito

I (pu)

Componente AC Componente DC Suma Ip

30

Ik"

Ip

Ib I(1/2) 20 I(1/2)

10

0 0.000

Ib

Ik "

0.020

0.040

0.060

-10

-20

Tiempo (Seg)

0.080

0.100

0.120

Definiciones básicas • short circuit (IEC) Accidental or intentional conductive path between two or more conductive parts forcing the electric potential differences between these conductive parts to be equal or close to zero • initial symmetrical short-circuit current I”k (IEC) r.m.s. value of the a.c. symmetrical component of a prospective (available) short-circuit current, applicable at the instant of short circuit if the impedance remains at zero-time value • initial symmetrical short-circuit power S”k (IEC) Fictitious value determined as a product of the initial symmetrical short-circuit current Ik”, the nominal system voltage U, and the factor √3, S”k = √3 U I”k The maximum rms value of calculated short-circuit current…during the first cycle with any applicable multipliers for fault current X/R ratio. Often the … Calculation is simplified by applying a 1.6 factor to the calculated …first cycle symmetrical ac rms short-circuit current.

Also called first cycle duty (ANSI)

Diferencias entre Normas • • • • • • • • • •

Voltaje de Prefalla Corriente Pico Generadores Transformadores Capacitancias Unidades de Transformación-Generación Motores y VFD Renovables Demanda Máx – Mín Sin normas

Voltaje de Prefalla (Prefault Voltage) 3F

Voltaje de Prefalla • ANSI 1.0 - 1.1 pu • IEC. Tabla 1, normalmente c = 1.05 - 1.1

Voltaje de Prefalla (Prefault Voltage) 3F

ANSI

IEC

Diferencias entre Normas â&#x20AC;˘ â&#x20AC;˘

Voltaje de Prefalla Corriente Pico

Corriente Pico Ip • ANSI. Inicialmente era la corriente RMS simétrica de cortocircuito (I”k)* 2.7 • ANSI. El libro Violeta (Violet Book) introduce precisiones sobre dicho cálculo ∗ ∗ / ∗ ∗ /

Donde:

Violet Book /

X y R: equivalentes de reactancia y resistencia en el punto de falla

Corriente Pico IEC. Se calcula con la siguiente expresiĂłn â&#x2C6;&#x2014;

/

X y R: equivalentes de reactancia y resistencia en el punto de falla

Para que sirve la Ipeak?

Diferencias entre Normas • Voltaje de Prefalla • Corriente Pico • Generadores

Generadores • Ambas normas hacen uso de X”d: Reactancia subtransitoria saturada • Norma ANSI • La norma IEC en ocasiones la afecta por un valor menor a 1.

• IEC. Tiene influencia el Sistema excitación - regulador de voltaje y saturación • Tanto en IEC como en ANSI, la generación previa no tiene importancia • La resistencia en IEC y ANSI la define el fabricante. Para IEC el cálculo de la relación R/X la define la norma

Generadores

IEC

ANSI

Diferencias entre Normas

• • • •

Voltaje de Prefalla Corriente Pico Generadores Transformadores

Transformadores ANSI. R y X del transformador IEC. R y X del transformador, afectada por un valor (KT) menor, pero muy cercano, a uno (1)

Diferencias entre Normas • • • • •

Voltaje de Prefalla Corriente Pico Generadores Transformadores Capacitancias

Capacitancias Se debe recordar que la capacitancia tiene un valor de reactancia negativa: -10j, -6600j, -5j En forma indirecta esto significa que la capacitancia paralelo (no la serie) disminuye (en vez de aumentar) el nivel de corto.

Bancos de capacitores Norma ANSI. Debido a que la reactancia es negativa el nivel de corto disminuye. NO aumenta.

CER13.8 13.2 kV

CER13.8 13.2 kV

Ik"(L1)=0.000 kA

Ik"(L1)=0.000 kA

CER115 115 kV Ik"(L1)=1.240 kA TRIDEV

TRIDEV

CER115 115 kV Ik"(L1)=1.489 kA Ik"(L1)=0.778 kA

Ik"(L1)=0.778 kA

Ik"(L1)=1.489 kA

Ik"(L1)=1.489 kA

El usuario decide si incluir o no (apagar) los bancos.

BC1 Ik"(L1)=0.251 kA

Bancos de capacitores Norma IEC. Permanece igual, debido a que la norma IEC automáticamente elimina todas las capacitancias del modelo, incluyendo las capacitancias de las líneas.

CER13.8 13.2 kV

Ik"(L1)=0.000 kA

CER115 115 kV Ik"(L1)=1.703 kA

CER13.8 13.2 kV

Ik"(L1)=0.000 kA

CER115 115 kV Ik"(L1)=1.703 kA

TRIDEV

TRIDEV Ik"(L1)=0.890 kA

Ik"(L1)=1.703 kA

Ik"(L1)=0.890 kA

“Line capacitances shall be neglected in the positive- and negative-sequence system.”

Ik"(L1)=1.703 kA BC1 Ik"(L1)=0.000 kA

Ejemplo ANSI. LINEA CON CAPACITANCIAS

IEC. LINEA CON CAPACITANCIAS

Voltaje de Prefalla = 1.1 pu

Ejemplo Voltaje de Prefalla = 1.1 pu ANSI. LINEA SIN CAPACITANCIAS

IEC. LINEA SIN CAPACITANCIAS

Diferencias entre Normas

• • • • • •

Voltaje de Prefalla Corriente Pico Generadores Transformadores Capacitancias Unidades de Transformación-Generación

Unidades de TransformaciรณnGeneraciรณn ANSI. No hay nada especial. Se simula el transformador y el generador en forma independiente. pu ฮฉ tr relaciรณn nominal de transformaciรณn

En IEC se introduce un factor y la formula queda:

Unidades de TransformaciรณnGeneraciรณn En IEC se introduce un factor y la formula queda: ฮฉ

"

"

KS menor, pero muy cercano, a uno (1)

Diferencias entre Normas • • • • • • •

Voltaje de Prefalla Corriente Pico Generadores Transformadores Capacitancias Unidades de Transformación-Generación Motores

Motores ANSI e IEC consideran que los motores aportan al cortocircuito. En ambas normas lo hacen diferente ANSI. Clasifica los motores en cuatro categorĂ­as y propone valores por defecto.

Distingue el primer ciclo del momento de la interrupciĂłn

IEEE Std 141

Motores IEC Distingue el primer ciclo del momento de la interrupciรณn

ANSI C37.010

IEC 60909

Motores Variador de Velocidad (Static Regenerative Drive-VFD) Solo es necesario para el primer ciclo (nunca para la corriente de interrupciĂłn (Ib o Iint ) â&#x20AC;˘ No regenerativo. No contribuye al nivel de corto â&#x20AC;˘ Regenerativo. Si contribuye al nivel de corto Tanto IEC como IEEE (Violet Book) recomiendan simularlo (para el primer ciclo) con los siguientes datos I = 3 * Inominal X/R = 10

VFD - Drive • VFD Regenerativo Ip: Ia/Ir = 3, X/R=10 Ib = 0 • VFD NO Regenerativo Ip = 0 Ib = 0

DER Actualmente (2020-08) la norma mas representativa para las DER es la IEC 60909 2016 Las DER son fuentes de corriente y no de voltaje Los generadores sincrรณnicos tradicionales son fuentes de voltaje

Fuentes de corriente Fuente de Voltaje Fuente de Corriente Fuente de Voltaje

IEC 60909 2016

F. de Corr.

Demanda MIN-MAX Demanda Mínima

Demanda Máxima

Lo que importa es el número de generadores prendidos Todas las normas y métodos de calculo, se basan en la X”d (Reactancia subtransitoria saturada) y no en la generación previa 8000 -84 + 300 30 = 7883 -82

Estudios sin Normas Las normas no calculan voltajes durante falla. Los métodos de libros, si lo hacen.

Dependiendo de las consideraciones, los niveles de corto pueden dar mayores o menores a los de norma Diferencias: muchas. Las mas relevantes: • Generalmente la carga se modela como un elemento en Y puesto a tierra y tiene influencia en los niveles de corto. Eso es impreciso • Voltajes de Prefalla • Capacitancias

Estudios sin Normas IEC 60909 2016

Sin Normas

Normas y NO Normas • Si se requiere calcular voltajes (p.e. protección de distancia y protección de sobrecorriente direccional) no se debe hacer uso de Normas • Todos los demás casos como evaluar equipos (barrajes, interruptores,,,), estudios de armónicos, sobrecorriente bidireccional: Normas

Usos de las corrientes IEC 60909 2016

ANSI C37.010 2016

40

Corrientes de Corto Circuito

I (pu)

Componente AC Componente DC Suma Ip

30

Ik"

Ip

Ib I(1/2) 20 I(1/2)

10

0 0.000

Ib

Ik "

0.020

0.040

0.060

-10

-20

Tiempo (Seg)

0.080

0.100

0.120

Usos de las Corrientes • Ipico (Ip) e Iinterrupción (Ib): evaluar interruptores de alto voltaje (>1000 V) • Ipico (Ip): evaluar barrajes • S”k : Potencia de Cortocircuito. Se basa en I”k • I”k : Coordinación protecciones, saturación de CT´s • Ith : Evaluación térmica cables aislados y equipos • Ik : Coordinación de Protecciones-corrientes mínima (ANSI steady-state 30 cycles) • Relación X/R ANSI

Varios • Normas: impedancia de falla = 0 • Ciertos países o lugares utilizan para los generadores la X´d y no la X”d • Los programas de computador acostumbran calcular I”k • Porque existen Normas para corto y no para flujo?

• Flujo de carga previo al cálculo del corto? Normas NO • Motores: Electrificadoras NO. Fábricas SI • Carga o generación previa al corto 8000 -84 + 300 30 = 7883 -82 • La corriente (Ib) calculada con la norma ANSI incorpora una asimetría para una relación X/R=17

Varios • IEC 2001 vs IEC 2016: DER • ANSI C37.010 (1999) vs C37.010 2016 (Interruptores) Se fue mas preciso en muchos aspectos como contaminación, altitud, Temperatura ambiente, operación emergencia,,,, Claridad • Fallas cercanas y lejanas (Far – Near) de generadores. Normas ANSI e IEC.

Corriente transitoria inicial (Ip) con impedancia constante R y L equivalente red nacional en un barraje

2E * seno(wt   )  L

di  R * i(t) dt

Ipico, Ipeak (Ip)

40

I (pu)

C o m po n…

30 20

Z  ( R2   2 L2 ) L   tan   R 1

10 0 0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

-10 -20

Tiempo (Seg)

0.100

0.120

GRACIAS César Augusto Gallego Sánchez cagallegos@gmail.com 302 307 1111