ce 23.01

IV SEMINARIO DEL SECTOR ELECTRICO PARAGUAYO - SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA.

30 de Noviembre al 02 de Diciembre de 2000 CIGRE - PARAGUAY

Comit de Estudio: 23 NIV SESEP: CE 23.01

Miguel Santacruz Martnez Itaipu Binacional

Miguel Santacruz Martnez Usina Hidroelctrica de Itaipu, Telfono 061 5993457, [email protected]

RESUMEN Con la entrada en operacin de las SEs a Gas SF6 en Sistemas de Alta Tensin, inicialmente en la dcada del sesenta y su difusin en la dcada del setenta, aparece una nueva forma de Sobre-tensin en los mismos, conocida actualmente como Transitorio Rpidos o VFTs - Very Fast Transient. De acuerdo a la experiencia de la Itaipu, este fenmeno elctrico trajo consigo verdaderos estragos a equipos propios y adyacentes a las SEs a Gas SF6, esto probablemente debido al Estado del Arte del momento de los equipos instalados sin la comprobada performance frente a este fenmeno. El objetivo del trabajo consiste en la caracterizacin del fenmeno en s, definiendo sus orgenes y comportamientos en los sistemas elctricos, luego, de forma resumida mostrar los daos ocasionados por el fenmeno en los equipos y equipos adyacentes de las SEs SF6 de la Itaipu Binacional, principalmente en los Transformadores de Potencial y Aisladores Aceite/SF6 de los Transformadores Elevadores, siendo que estos equipos fueron modificados o estn siendo modificados como consecuencias de los efectos de esta sobre-tensin. Es tambin en funcin de los Transitorios Rpidos que fueron impuestas algunas restricciones operativas a los seccionadores de las SEs SF6. Por otro lado sobre la base de ciertas fundamentaciones el trabajo pretende demostrar la necesidad de realizacin de estudios de comportamiento del fenmeno VFTs dentro de las bobinas de los transformadores elevadores de 500 KV de la Usina de Itaipu, las mismas se basan en que ocurrieron fallas dielctricas en transformadores elevadores, sin que se

tenga comclusiones definitivas sobre la causa de las mismas y sumado a esto la situacin actual de la instalacin de 2 conjuntos nuevos de bancos de transformadores, que debern entrar en operacin con las 2 nuevas unidades, siendo que los mismos debern soportar necesariamente el fenmeno de Transitorios Rpidos. Palabras claves: GIS-Subestacin blindada aislada a gas SF6, Sobre-tensiones, VFT-transitorios rpidos, Aisladores Aceite/SF6 - transformadores. 1. INTRODUCCION La Sub-estacin aislada a Gas SF6 de la Itaipu Binacional est conformada por dos sectores independientes que corresponden a cada frecuencia de operacin 50 y 60 Hz, siendo que los equipos componentes son idnticos entre si, presentando cada sector la siguiente conformacin; Sistema de doble barras seccionadas, las salidas de generadores por sistema de interruptor y medio, y las salidas de lneas/servicios auxiliares por sistema de doble interruptor, vase FIGURA 1. Principales Caractersticas Tcnicas - Tensin Nominal / Frecuencia......... 500 kV / 50-60 Hz - Corriente Nominal.......................... 4000 A - Impulso Atmosfrico........................ 1550 kV - Impulso Maniobra........................... 1240 kV - Tensin Mxima Ens. Fab. .............. 740 kV - Tensin Mxima Ens. Campo........... 570 kV

SUBESTACIONES AISLADAS A GAS SF6 EFECTOS DE LOS TRANSITORIOS RAPIDOS (VFTs) SOBRE EQUIPOS Y EQUIPOS ADYACENTES DE LAS SEs

SF6 DE ITAIPU BINACIONAL.



- Aisladores:

- Salidas de Lneas............................ SF6 Aire - Acoplam. C/ Transf. ...................... SF6 aceite

- TPs.................................................. Inductivo - Seccionadores.................................... Lentos - Contactos.......................................... Tipo tulipa - Interruptores:

- Capacidad de interrup. ................... 63 KA - Tiempo de Abertura........................ 2 ciclos

- Pararrayos 50/60 Hz.......................... ZnO - Presin nominal del gas..................... 480 Kpa

FIGURA 1: DIAGRAMAS UNIFILARES 2. TRANSITORIO RAPIDOS 2.1 - ORIGEN, PROPAGACIN DE LOS TRANSITORIOS RAPIDOS Y ALGUNAS CONCIDERACIONES Los Transitorios Rpidos (VFT-Very Fast Transient) se originan en las SE`s a Gas SF6 de alta tensin como consecuencia directa de las operaciones de Maniobras de Seccionadores e Interruptores y tambin son originados por descargas dielctricas en el Gas SF6, o sea, son resultados de la disrupcin (abrupta) del Gas SF6 aislante bajo los efectos del arco elctrico.

La propagacin de los transitorios rpidos se realiza bajo los conceptos de la teora de propagacin de ondas viajeras en conductores elctricos, reflejando y refractndose en los puntos de discontinuidades elctricas de las SEs, por tanto, su comportamiento depende de la configuracin donde ocurre el evento. La FIGURA 2 muestra de forma resumida cmo los transitorios rpidos se originan y se propagan en la Subestacin y equipos adyacentes.

FIGURA 2: ORIGEN Y PROPAGACIN VFTS Disposicin simplificada ilustrando las ondas viajeras: 1 plano conductor; 2 conductor interno; 3 envoltorio; 4 lnea externa U onda viajera sobre el conductor H, E Campo electromagntico sobre el conductor Uk Voltaje transitorio del envoltorio Hk, Ek Campo electromagntico sobre el envoltorio Uf Onda viajera sobre la lnea Ef, Hf Campo electromagntico sobre la lnea externa Los parmetros que caracterizan los transitorios rpidos pueden ser resumidos de la manera siguiente(2): Tiempo de elevacin Frecuencia de oscilacin Velocidad de repeticin Magnitud. Valores tpicos de tiempos de elevacin de la tensin en su inicio son de 4 a 7 ns, este impulso de tensin viaja dentro de la SE y ser reflejada y refractada, conforme la teora de las ondas viajeras, provocando las oscilaciones observadas en los oscilogramas, tipo diente de sierra, de los mismos.



Por tanto la VFT interna posee una compleja configuracin de tensin, con elevado valor de elevacin seguidas de oscilaciones de mltiples frecuencias en la faja de algunos MHz y/o KHz. Las magnitudes observadas son de hasta 1.5 pu bajo maniobras capacitivas y de hasta 2.4 pu para casos de maniobras en oposicin de fases, por tanto dentro de lo esperado no alcanzan el valor BIL de las SEs.

Los valores obtenidos con clculos por medios computacionales y mediciones realizadas para las SEs SF6 de Itaipu han mostrados valores de hasta 2.0 p.u. (en simulaciones) y de hasta 1.7 p.u. (en mediciones) sin considerar maniobras en oposicin de fases. Una observacin importante es que la tensin no disruptiva de la SE SF6 sometida a VFTs es mayor o igual a la tensin no disruptiva por impulso atmosfrico. Para casos de irregularidades, la tensin no disruptiva para las VFT`s disminuye conforme el tamao de estas irregularidades(1). Todo indica que el efecto sobre los aislamientos (y sus irregularidades) es en funcin de la rapidez de la variacin y no del valor de pico de la sobre tensin. 2.2 - COMPORTAMIENTO DE LOS PARARRAYOS DE OXIDO DE ZINC ANTE LOS TRANSITORIOS RAPIDOS Pesquisas en laboratorio fueron realizadas sobre el comportamiento citado, estas consideraciones fueron obtenidas de (5) un "paper" realizado en conjunto por ABB (Suiza) y la universidad de Stuttgart (Alemania), publicada por la IEEE. Como conclusin; se obtiene que se observa una ultrapasada de la tensin residual en alrededor de los 30%, que puede ser relacionada con las caractersticas del material. Por otro lado, se puede decir que los valores usuales indicados, de hasta 1.5 p.u. para maniobras capacitivas y sin oposicin de fases, de transitorios rpidos en una SE SF6, de forma general, estn por debajo de los niveles de operacin de los pararrayos. Siendo que los valores obtenidos e indicados mas arriba para las SEs SF6 de Itaipu son valores prximos a niveles de operacin de los pararrayos existentes en las SEs. Esta colocacin sobre el comportamiento de pararrayos frente a los VFTs se debe a que podra pensarse en la posibilidad de instalacin de pararrayos en las salidas (en bornes del equipo) de alta tensin de los Transformadores Elevadores de las unidades generadoras, con el objetivo de disminuir los riesgos de fallas de los equipos citados, siendo que los actuales estn posicionados a unos 25 metros de los mismos. 3. EFECTOS DE LOS TRANSITORIOS RAPIDOS EN

ITAIPU 3.1 - AISLADORES ACEITE/SF6 DE LOS TRANSFORMADORES ELEVADORES La ms probable causa de las fallas de los aisladores pasantes Aceite/SF6, Tipo OKTG 1550/525-1600, conexin de la GIS SF6 con los Transformadores Elevadores, es por efectos de los transitorios rpidos generados por maniobras de operacin de seccionadores y fallas a tierra en las SEs SF6. 3.1.1 - RESUMEN HISTORICO Ya en operacin de los Aisladores Aceite/SF6 y a travs de cromatografia de gases del aceite aislante, fueron constatadas las siguientes fallas internas; 6 (seis) entre 1986 a 1991, con la principal caracterizacin de presencia de gas Acetileno en el aceite Aislante con valores dispares, variando de 1 ppm a 8 ppm, siendo que en uno de los casos fue detectado con valor de 12 260 ppm. En ese periodo de tiempo la posicin original del fabricante fue que la ms probable causa de las fallas sean los transitorios provocados por maniobras en la GIS SF6. Con posterioridad a estos eventos, fueron detectados mas fallas en operacin de los aisladores citados, siempre a travs de anlisis cromatogrfico del aceite aislante. 3.1.2 - ACCIONES TOMADAS Fueron tomadas las siguientes acciones para esclarecer la causa de las fallas de los Aisladores; - obtener a travs de simulaciones con programas digitales los valores de Sobre-tensines en los Aisladores, originarias de maniobras de seccionadores y fallas internas monofsicas en diversas configuraciones en la GIS, - Realizacin de ensayos (destructivos) de soportabilidad no normalizados en los Aisladores, en laboratorio de Alta Tensin de porte (los ensayos fueron realizados en CEPEL), con ondas representativas a las Sobre-tensiones originadas y propagadas en la GIS. 3.1.3 - RESULTADOS DE LAS PESQUISAS Despus de analizar los resultados de los estudios/ensayos realizados se lleg a la conclusin de que los aisladores citados en 2 versiones existentes en la Usina (50% butt y moving butt) no soportan las solicitaciones de Sobre-tensiones originadas en maniobras de seccionadores o en fallas monofasicas internas en la GIS, siendo constatados los siguientes defectos; descargas en el tubo de aluminio, en las rebarbas y deformaciones de componentes internos como las encontradas en las hojas de aluminio que conforman las capacitancias del Aislador.



Como resultado de los clculos sobre la base de simulaciones podemos resumir las siguientes conclusiones; las ocurrencias mas severas son las provocadas por las fallas internas en la GIS, siendo que los valores encontrados son compatibles para casos de fallas internas simultaneas a Sobre-tensiones temporaria (1.4/1.5 pu) o a sobre-tensiones de maniobras (1.6/1.7 pu), que tienen una cierta probabilidad de ocurrencias y para los casos de maniobras de seccionadores la severidad de las solicitaciones son menores a los de las fallas internas(6). 3.1.4 - SOLUCIN ADOPTADA Fueron introducidos, por el fabricante, modificaciones en los Aisladores existentes principalmente en el ncleo del equipo en la disposicin interna de los componentes como el papel aislante y las hojas de aluminio, as como en el punto de potencializacin del equipo, posteriormente estos aisladores modificados soportaron los ensayos no normalizados de onda cortada en el gas SF6, revelndose adecuadas para las condiciones operativas de la Usina de Itaipu. A travs de negociaciones y acuerdos entre Itaipu y Fabricante los Aisladores Aceite/ SF6, 54 en operacin y 6 reservas, estn siendo modificados en la fabrica actualizndolos con el proyecto modificado, el proceso de modificacin es realizado por etapas en lotes de 9 unidades, para el efecto fueron adquiridos por Itaipu 6 Aisladores nuevos que form parte de la negociacin realizada, manteniendo de esta forma 3 reservas en existencia en la Usina durante el proceso citado.

3.2 - TRANSFORMADORES DE POTENCIAL A GAS SF6 Los TPs inductivos, tipo ELK PT3 inductivo, 287,5 kV Primario, 115 y 115//3 V Secundario y 400 VA, instalados en las SEs SF6 fueron modificados en fabrica en funcin de transferencia de Transitorios Rpidos del primario al secundario, esta transferencia fue indicada y confirmada como causa de las fallas internas en los TPs y de descargas en aislamientos de los cabos secundarios y terminales en las salidas de los mismos. 3.2.1 - RESUMEN DE LOS HECHOS A partir de la entrada en operacin de los Transformadores de Potencial, presentaron fallas dielctricas internas y descargas en aislamientos de los cabos secundarios as como en los terminales individuales y en los terminales de los paneles de control, asocindose ya inicialmente estas descargas a las sobre-tensiones provenientes de maniobras de seccionadores en la GIS o sea a VFts. Durante ensayos en fabrica, despus de la recuperacin de uno de los TPs en falla en la fabrica, durante el ensayo especial de inyeccin de impulsos VFT de baja tensin, con

valores de 5V / 4.5 ns de tiempo de frente, fue constatada una transferencia de hasta 3,7 % entre primario y secundario, dando una expectativa de tensin de 23 kV pico en el secundario con un valor de 1,4 2 550/3 = 630 kV pico en el primario. 3.2.2 - SOLUCIONES TOMADAS La solucin adoptada fue la de instalar un segundo blindaje entre primario y secundario, siendo que los ensayos similares a los ya realizados mostraron resultados satisfactorios, presentando transferencia con valor mximo de 0,24 % entre primario y secundario, dando una expectativa de tensin en el secundario de 1,5 kV pico para la misma tensin de 630 kV. Implicando esto a una modificacin de proyecto de cierto porte a ser introducida en el equipo, como fue efectivamente realizada, en la fabrica en todos los 24 TPs que ya estaban en operacin y 2 reservas existentes en la Usina. 3.3 SECCIONADORES A GAS SF6 Observamos tambin que a los seccionadores tipo ELK PT3 de las SEs SF6 les fueron impuestas algunas restricciones operativas que citamos a sequir; a) los de salidas de generadores no operan con tensin b) ninguno de ellos opera en oposicin de fases y c) normalmente se procura evitar su operacin con tensin.

Todas estas condiciones / restricciones operativas, fueron introducidas tambin como consecuencia de la bsqueda de evitar o minimizar los efectos de los Transitorios Rpidos. 3.4 - TRANSFORMADORES ELEVADORES

Colocamos a seguir algunos fundamentos de la necesidad de realizacin de estudios de comportamiento de los VFTs dentro de las bobinas de alta tensin de los transformadores elevadores arriba citados, las mismas se basan en que ocurrieron fallas dielctricas en transformadores elevadores y la situacin actual de instalacin de 2 conjuntos nuevos de bancos de transformadores con las 2 nuevas unidades generadoras que debern soportar necesariamente el fenmeno de Transitorios Rpidos; - Las fallas dielctricas en transformadores elevadores son 3 en total, cuya(s) causa(s) no fueron plenamente definida(s) o determinada.

- La indicacin como una de las causas probable a los efectos de los transitorios rpidos en las bobinas de alta tensin, por parte de los fabricantes. 3.4.1 - CONCIDERACIONES GENERALES La Itaipu dispone de un conjunto de banco trifasicos de transformadores elevadores con aisladores aceite/SF6 en las de salidas de los generadores, siendo que el



comportamiento de los equipos frente a los fenmenos de transitorios rpidos no es conocido de forma completa o satisfactoria. Nuevos conjuntos de 2 bancos trifsicos de transformadores relacionados con las 2 nuevas unidades 9A/18A entraran en operacin a mediano plazo, por tanto esto coloca la necesidad actual de tener un conocimiento mejor acabado sobre esta cuestin y tener la plena seguridad de que los mismos soportaran sin inconvenientes este fenmeno elctrico. Caso de que se llegue a la conclusin de que este fenmeno puede producir fallas en los equipos citados, existe la posibilidad de obtener, a travs de trabajos de modificaciones en los seccionadores de las SEs SF6, generaciones de transitorios rpidos despreciables. Lgicamente esto implica en trabajos de pesquisa para la modificacin, la modificacin de los equipos y posterior dificultoso (por tratarse de equipos en operacin) trabajo de ejecucin de las modificaciones en el campo. Este trabajo, dificultoso por cierto, de ejecucin de modificaciones en el campo, con la entrada en operacin de las 2 maquinas se volvera ms asequible. El problema radicara principalmente en el hecho de manipular equipos muy susceptible de fallas dielctricas, como se han mostrados los equipos de las SEs de Itaipu, cuando realizados trabajos de mantenimiento de cierto porte, demostrndose siempre la conclusin conocida de extremamente crtico para pequeas contaminaciones, o sea, proyecto no conservativo. Mismo con esta modificacin, estaramos eliminando solo una de las fuentes de generacin de este fenmeno, quedando presente las otras fuentes como maniobras de interruptores y fallas a tierra, las cuales no son posibles de eliminar totalmente, siendo que para el caso de interruptores las mismas no son consideradas relevantes por la mnima cantidad de frentes de ondas originadas durante maniobras del equipo, sobre las fallas dielctricas se tiene que las mismas disminuyeron en el tiempo, siendo el ndice de falla actual bien menor de las iniciales conocidas. 3.4.2 - OTRAS CONCIDERACIONES Adems de las restricciones operativas ya citadas para el caso de los seccionadores de la GIS, estos presentan un histrico de fallas dielctricas a tierra no despreciable, en total ocurrieron 5 o 6 fallas internas y otras tantas en el entorno de los mismos, la(s) causa(s) de estas fallas, hasta el momento, no fueron esclarecida(s), adoptndose, la aptitud de convivencia / observancia del comportamiento en el tiempo con este equipo y esta modalidad de fallas. Todas estas condiciones / restricciones operativas existentes, podrn ser eliminadas para el caso de conseguir en la practica la modificacin de los seccionadores de las SEs SF6.

4. CONCLUSIONES La experiencia de la Itaipu Binacional a mostrado, que el fenmeno elctrico VFT produjo daos a equipos propios y adyacentes a las SEs a Gas SF6, no constatados con anterioridad a entradas en operacin de las mismas, esto probablemente debido al Estado del Arte del momento de los equipos instalados sin la comprobada performance frente a este fenmeno. Para el caso de Transformadores Elevadores, cabe la realizacin de estudios/ensayos especiales para un mejor conocimiento del comportamiento de los Transitorios Rpidos (VFT`s) dentro de las bobinas de alta tensin de los transformadores elevadores de la Usina de Itaipu, para caracterizarlo como causantes de Fallas dielctricas internas de los transformadores elevadores y en los aisladores pasantes aceite/SF6. Como resultado de este anlisis, partir para la modificacin de los seccionadores de las SEs SF6 con la intencin de eliminar una de las fuentes de este fenmeno. Y por otro lado, como consecuencia, obtener mejores condiciones y facilidades operativas para la GIS de Itaipu. Los estudios o trabajos de pesquisas necesarios en resumen son; simulaciones de comportamiento de las bobinas de alta tensin frente a los VFTs con programas digitales de clculos electromagnticos y realizacin de ensayos especiales asociados a los nuevos bancos de transformadores a ser adquiridos para las 2 nuevas unidades. 5. REFERENCIAS [1] Helvio J. A. Martin; Transitorio Rapidos y sus Efectos (CEPEl); Panel Sobre SIG en Itaipu; 1994. [2] J. Meppelink, K. Diederich, K. Feser, W. Pfaff; Very Fast Transients in GIS; IEEE; 1989. [3] S. A. Boggs, F. Y. Chu, A. Krenicky, A Plessl y otros; Disconnect Switch Induced Transients And Trapped Charge In Gas-Insulated Substatins; IEEE; 1982. [4] Walter Mller, Werner Stein; Behaviour of High-Voltage Transformer Windings on Steep-Fronted Input Waves of Nanosecond Duration; SIEMENS; 1983. [5] W. Schmidt, J. Meppelink, k. Feser, l. Kehl y otros; Behaviour of MO-Surge-Arrester Blocks to Fast Transients [6] F. M. M. Silva, J. R. Silvera, T. J. Sanchez, F. M. S. Carvalho, J. M. M. Silva; Avaliao dos Surtos de Manobra Producidos por seccionadoras no setor 60Hz da GIS de ITAIPU, usando-se o programa EMTP; IX SNPTEE; 1987. [7] F. M. M. Silva, E. L. Pedrassani, M. Santacruz, A. Avalos; Subestao Isolada a Gs SF6 de 500kV de Itaipu Comissionamento e Experiencia Operacional Relativa a Todas Etapas (50/60Hz); X SNPTEE; 1989.

Comit de Estudio: 23 N(IV SESEP: CE 23.01Miguel Santacruz MartnezMiguel Santacruz MartnezUsina Hidroelctrica de Itaipu, Telfono 061 5993457, [email protected] 1: DIAGRAMAS UNIFILARES

3.2 - TRANSFORMADORES DE POTENCIAL A GAS SF6

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