Fallas en Sistemas Eléctricos: Análisis y Componentes Simétricas

Fallas en Circuitos Eléctricos

Una falla en un circuito es cualquier evento que interfiere con el flujo normal de corriente.

La mayoría de las fallas en líneas de transmisión de 115 kV o mayores son originadas por las descargas atmosféricas (rayos), que dan como resultado el flameo de aisladores.

Las fallas de línea a línea que no involucran a la tierra son menos comunes.

La apertura de los interruptores, para aislar la porción de la línea que ha fallado del resto del sistema, interrumpe el flujo de corriente en la trayectoria ionizada y permite que se presente la desionización.

Transitorios en Circuitos Inductivos

Cuando se aplica un voltaje de CA a un circuito que contiene valores constantes de resistencia e inductancia, donde t es cero al tiempo de aplicar el voltaje, α determina la magnitud de voltaje cuando se cierra el circuito.

Si el voltaje instantáneo es cero y va creciendo en la dirección positiva cuando se aplica al cerrar un interruptor, entonces α es cero.

Comportamiento de Máquinas Síncronas ante Cortocircuitos

Una manera de observar el comportamiento de una máquina síncrona ante un cortocircuito trifásico es mediante una prueba física.

Lo anterior se explica por el flujo magnético causado por las corrientes de armadura de cortocircuito, el cual es forzado a fluir por las trayectorias de reluctancia alta que no unen el devanado de excitación o los circuitos de amortiguamiento de la máquina.

Esto es resultado del teorema de enlaces de flujo constante, el cual establece que el flujo de enlace de un devanado cerrado no puede cambiar en forma instantánea.

Por consiguiente, la inductancia de armadura, que es inversamente proporcional a la reluctancia, es inicialmente baja.

A medida que el flujo se mueve hacia las trayectorias de menor reluctancia, se incrementa la inductancia de armadura, lo cual da como resultado una corriente de estado estacionario, debida a la falla, menor que al inicio de la prueba.

Reactancias de Secuencia

Los circuitos de secuencia de la máquina síncrona muestran que las reactancias de secuencia positiva y negativa son iguales, mientras que la de secuencia cero es diferente. Sin embargo, en general, las impedancias que presentan las máquinas rotatorias serán diferentes para cada secuencia.

Por lo anterior, las reactancias de secuencia negativa y positiva se toman, frecuentemente, como iguales a la reactancia subtransitoria y transitoria, respectivamente.

Selección de Interruptores

Hay muchos estudios acerca de las capacidades de los interruptores y sus aplicaciones. Dos factores por considerar en la selección de interruptores, desde el punto de vista de la corriente, son:

• La corriente instantánea máxima que el interruptor debe soportar.
• La corriente total cuando los contactos del interruptor se separan para interrumpir el circuito.

Esta corriente de interrupción es menor que la corriente momentánea y depende de la velocidad del interruptor (8, 5, 3 o 2 ciclos), que es una medida del tiempo que transcurre desde que ocurre la falla hasta la extinción del arco.

Los interruptores se identifican por la clase de su voltaje nominal, tal como 69 kV, por ejemplo. Dentro de otros factores que se especifican están la corriente continua nominal, el voltaje máximo nominal, el factor de rango de voltaje K y la corriente de cortocircuito nominal a los kilovolts máximos nominales.

El voltaje máximo nominal de un interruptor es el voltaje RMS más alto para el que está diseñado el interruptor.

El factor de rango de voltaje K es la relación dada por el (voltaje máximo nominal / límite inferior del rango de voltaje de operación).

El valor K determina el rango de voltaje sobre el que el producto (corriente de cortocircuito nominal x voltaje de operación) es constante.

Componentes Simétricas en Sistemas Trifásicos

Síntesis de Fasores Asimétricos

Una de las herramientas más poderosas para tratar con circuitos polifásicos desbalanceados es el método de las componentes simétricas desarrollado por Fortescue.

Su trabajo prueba que un sistema desbalanceado de n fasores relacionados se puede resolver con n sistemas de fasores balanceados llamados componentes simétricas de los fasores originales. Los n fasores adyacentes de un conjunto son iguales. Aunque el método se aplica a cualquier sistema polifásico desbalanceado, el estudio se limitará a los sistemas trifásicos.

De acuerdo con el teorema de Fortescue, tres fasores desbalanceados de un sistema trifásico se pueden descomponer en tres sistemas balanceados de fasores. Los conjuntos balanceados de componentes son:

1. Componentes de secuencia positiva: consisten en tres fasores de igual magnitud desplazados uno del otro por 120° y que tienen la misma secuencia de fase que los fasores originales.
2. Componentes de secuencia negativa: consisten en tres fasores iguales en magnitud, desplazados en fase uno del otro 120° y que tienen una secuencia de fases opuesta a la de los fasores originales.
3. Componentes de secuencia cero: consisten en tres fasores iguales en magnitud y con un desplazamiento de fase igual a cero uno de otro.