Banco móvil de capacitores ajustable a 20 o 30 MVAr en 115 kv

Transcripción

1 El banco móvil de capacitores fue diseñado para operar en un sistema de 115 kv y proporcionar una potencia reactiva trifásica ajustable a 20 o 30 MVAr. Banco móvil de capacitores ajustable a 20 o 30 MVAr en 115 kv Marco A. Ponce Vélez, Juan José López Velázquez, Alfredo López Tagle y Héctor Aragón García Resumen E l empleo de bancos de capacitores fijos en los sistemas de distribución y transmisión es una herramienta útil para compensar la demanda de reactivos y la caída de tensión de las líneas. Sin embargo, se pueden originar imprevistos que descompensan la confiabilidad del sistema. Debido a lo anterior, la Coordinadora de Transmisión y Transformación (CTT) de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) solicitó el diseño y la construcción de un banco móvil de capacitores para una compensación emergente de potencia reactiva. En este artículo se presenta lo más relevante del diseño, la construcción y la operación del banco móvil de capacitores desarrollado en el IIE. Introducción Las necesidades de compensación de la potencia reactiva demandada por una red eléctrica nacional cada vez más compleja han obligado a la Comisión Federal de Electricidad a buscar alternativas de solución que permitan enfrentar estos requerimientos. Al satisfacer tales demandas de reactivos se podrá disponer de un sistema eléctrico más confiable en su operación, así como de una mejor calidad en el suministro de energía. A fin de cubrir adecuadamente la demanda de compensación de reactivos en el sistema eléctrico nacional (la cual se estima del orden de MVAr o más), la CFE y Luz y Fuerza del Centro (LyFC) han implementado la instalación de una serie de bancos fijos de capacitores en subestaciones y líneas de la red nacional. La determinación de los sitios apropiados para llevar a cabo dicha instalación 84

2 obedece a la identificación de aquellos puntos del sistema eléctrico donde la demanda de compensación de potencia reactiva lo requiere en un grado primordial. Sin embargo, y como consecuencia de la operación normal del sistema eléctrico, la posible ocurrencia de contingencias en la red permite que un medio de compensación flexible en su operación y con características adecuadas para ser usado en casos de emergencia brinde otros beneficios, además de los que se tienen con las instalaciones fijas, y cuyo objetivo es similar: la operación confiable del sistema eléctrico. Los bancos móviles de capacitores para la compensación emergente de potencia reactiva demandada por el sistema o requerida por la red son un medio flexible para este propósito. Con la intención de hacer factible la realización de un proyecto con estas características, la Gerencia de Equipos Eléctricos del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) planteó a la Coordinadora de Transmisión y Transformación de la CFE el desarrollo de un programa de trabajo cuyo objetivo final consistía en la construcción de un banco móvil de capacitores para ser utilizado en un nivel de tensión de 115 kv y con una capacidad ajustable de 20 o de 30 MVAr. El proyecto inició el 14 de enero de Diseño del banco móvil Principales características del banco El banco móvil de capacitores fue diseñado para operar en un sistema de 115 kv y proporcionar una potencia reactiva trifásica ajustable a 20 o 30 MVAr. El banco móvil de capacitores es energizado desde la bahía de la subestación a través de cuchillas seccionadoras de apertura vertical y su operación se controla mediante un interruptor de tanque muerto en SF 6. Asimismo, está protegido con fusibles individuales en cada celda capacitiva, apartarrayos tipo subestación y reactores de amortiguamiento para el rechazo de la 5ª armónica. El diagrama eléctrico del banco de capacitores se muestra en la figura 1. El banco móvil de capacitores diseñado y construido en el IIE es el primero en su género (tanto por su capacidad como por el nivel de tensión), por lo que uno de los mayores retos fue la optimación del espacio (3.30 m de ancho, m de largo, 4.15 m de alto) en donde se distribuiría todo el equipo que lo conforma. Así, se tuvieron que elegir los equipos más compactos y optimar las distancias dieléctricas (se cuenta con un permiso especial para circulación y se cumple con los horarios establecidos para el tránsito de unidades sobredimensionadas, norma NOM-040-SCT2-1995). Diseño eléctrico Una de las restricciones más importantes para el diseño fue la de no exceder un 10% adicional del voltaje nominal de las unidades capacitoras cuando una unidad falla, tanto para la conexión en 30 MVAr como en la de 20 MVAr. Para cumplir con esta restricción y proporcionar la capacidad estipulada (20 o 30 MVAr) se utilizaron unidades capacitoras de 200 kvar con un voltaje de operación suficiente para soportar dicha contingencia. Para una potencia de 30 MVAr: cinco series de diez unidades capacitoras en paralelo (figura 2); para 20 MVAr: cinco series de ocho unidades capacitoras en paralelo (figura 3). Asimismo, se solicitó la incorporación de una protección contra la 5ª armónica, pero que a su vez no representara problema alguno en lo referente a la resonancia en paralelo en la subestación en donde se instalara, para lo cual fue necesario calcular los reactores de amortiguamiento (uno por fase), que proporcionaran dicha protección. Así, el diseño eléctrico final del banco móvil de capacitores dio como resultado una potencia reactiva teórica de 29.1 MVAr para la conexión de 30 MVA y 23.0 MVAr para la conexión de 20 MVA. Diseño mecánico Los equipos se distribuyeron y se montaron en dos plataformas de tráiler con una capacidad de carga útil de 28 toneladas cada una. En esta etapa se diseñaron las placas soporte para fijar todos los elementos a las plataformas, los contenedores para alojar las unidades capacitoras y los tensores mecánicos (transportación) y dieléctricos (transportación y operación). Con la finalidad de evitar la transmisión de vibraciones a los equipos eléctricos (capacitores, reactores, apartarrayos, interruptor) durante la transportación, se insertaron placas de material antivibratorio. Todos los componentes mecánicos se calcularon (elemento finito) para soportar en forma estática y dinámica las fuerzas originadas por las diferentes contingencias que pudieran ocurrir en el transporte y en la operación (frenado brusco, curvas con peralte pronunciado, baches, sismos, vientos fuertes, etcétera). En la figura 4 se muestran algunos resultados del modelo de sobreesfuerzos mecánicos en los contenedores de los capacitores. La distribución final del equipo quedó de la siguiente forma: Plataforma de interrupción: esta plataforma aloja los apartarrayos tipo subestación, las cuchillas seccionadoras, el interruptor y una fase de capacitores 85

3 FIGURA 1 Diagrama eléctrico del banco móvil de capacitores FIGURA 2 Arreglo de las unidades capacitoras para una potencia de 30 MVAr (10 MVAr por fase). 115 kv a través de cuchillas seccionadoras con accionamiento manual y se opera mediante un interruptor de tanque muerto en SF 6. Como protección de la 5ª armónica cuenta con un reactor de amortiguamiento por fase, protegido, a su vez, por un apartarrayo colocado en una de las boquillas del interruptor. Cada fase de capacitores cuenta con su cuchilla puesta a tierra, un apartarrayo tipo subestación y fusibles individuales para cada celda capacitiva. Debido a que el banco móvil de capacitores es conectado eléctricamente en una estrella flotada, cuenta con protección contra desplazamiento del neutro mediante un transformador de potencial resistivo y un relevador para dicha función. Para la protección contra sobrecorriente y cortocircuito emplea los transformadores de corriente integrados en las boquillas del interruptor y su respectivo relevador. Los elementos de protección (relevadores), de control (botones) y de señalización (alarmas) se encuentran alojados en un tablero tipo simplex alojado en un gabinete para exteriores. Además, el esquema de protección del banco cuenta con bloqueos en las cuchillas puestas a tierra y en la cuchilla principal, así como un retardo de tiempo para el recierre del interruptor. con su respectivo reactor, apartarrayos y cuchilla puesta a tierra. Plataforma de control: esta plataforma aloja dos fases de capacitores en los extremos y en la parte central, el gabinete de control del banco. Para la operación, las plataformas se deben colocar en forma de T, en donde la plataforma de control es la parte alta y la plataforma de interrupción es la base. La distribución del equipo y la colocación para operación se muestran en las figuras 5 y 6. Control y protección El banco móvil de capacitores está protegido por un juego de apartarrayos tipo subestación en su entrada; posteriormente, el banco es energizado al bus de la bahía de la subestación en Transporte y operación Para la transportación, el banco móvil de capacitores cuenta con una serie de mamparas colocadas alrededor de ambas plataformas como medio de protección del equipo. Estas mismas mamparas se abaten y se colocan en forma horizontal durante la puesta en servicio para proporcionar la distancia de seguridad durante la operación del banco. Asimismo, cada plataforma cuenta con una serie de tensores mecánicos y dieléctricos para asegurar todo el equipo. Los tensores mecánicos deben 86

4 FIGURA 3 Arreglo de las unidades capacitoras para una potencia de 20 MVAr (8 MVAr por fases) Reactor 115kV colocarse durante la transportación y ser retirados durante la puesta en servicio, para lo cual están pintados de color rojo, con el fin de que sea fácil identificarlos. Los tensores dieléctricos deberán estar permanentemente instalados y sólo se deberá verificar su tensión antes de la transportación, así como durante la puesta en servicio. FIGURA 4 Deformación del modelo para el caso más crítico de un contenedor de capacitores. FIGURA 5 Planta del Banco Móvil de Capacitores. DISPLACED-SHAPE MX DEF = 1.21E+00 MODE NO. = 432 SCALE = 1.0 (MAPPED SCALING) EMRC-NISA/DISPLAY MAY/29/97 19:83:44 ROTX ROTY 8.8 ROTZ 8.8 Puesta en servicio Transporte El transporte de las dos plataformas se realiza con tractores estándares, los cuales pueden circular por autopistas y caminos vecinales. Se recomienda que se transporte a una velocidad promedio de 40 km/h, sin exceder la velocidad máxima permitida por la SCT para este tipo de transporte que es de 70 km/h en carreteras tipo A. Requerimientos mínimos Para llevar a cabo el acceso, la maniobra y la ubicación de las plataformas dentro de la subestación es necesario contar con una superficie libre y nivelada (grava o tezontle) mínima de 25 m x 25 m, aproximadamente. Se debe contar con la preparación previa de la conexión a la bahía de la subestación, así como del cableado de la protección, la medición y el control. Procedimiento básico de energización Una vez que se instaló el banco móvil de capacitores en la subestación se deberá restringir el acceso al área. El abatimiento de las redilas de protección deberá completarse antes de cualquier maniobra de energización. Se recomienda realizar pruebas de verificación del estado físico y eléctrico de los equipos asociados con el banco después de que se haya transportado. Antes de la conexión del banco a la subestación se deberán verificar las conexiones 87

5 FIGURA 6 Elevación del Banco Móvil de Capacitores. ELEVACIÓN A-A eléctricas de todos los equipos y que las cuchillas seccionadoras y el interruptor se encuentren abiertos. Una vez hecho esto, se procede a conectar el banco, cerrar las cuchillas seccionadoras y cerrar el interruptor. Experiencia en campo Antes de concluir con la construcción del banco móvil de capacitores, la Gerencia de Subestaciones y Líneas de Transmisión de la CTT decidió que el banco sería instalado en la subestación Los Amates, localizada en el puerto de Acapulco. Para la puesta en servicio, se realizaron las pruebas de aceptación de todos y cada uno de los equipos que conforman el banco móvil de capacitores en las instalaciones del IIE. Posteriormente, personal del IIE asesoró el transporte sin tener problema alguno (fotos 1 y 2). Expertos del IIE asesoraron la puesta en servicio del banco móvil de capacitores en la subestación, en donde se realizaron las siguientes actividades: acomodo de las plataformas; pruebas eléctricas a los equipos; reapriete general de la tornillería; tendido de cables de medición, control y protección; conexión de la bahía al banco móvil; pruebas y ajustes a las protecciones; pruebas al control, indicaciones, alarmas y medición y, por último, la energización del banco de capacitores (foto 3). El traslado y la energización del banco se hicieron en cinco días. El banco móvil de capacitores quedó energizado en la subestación Los Amates el día 12 de diciembre de 1998 a las 14:11 horas, tomando 29.7 MVAr y 149 amperes, con lo que el voltaje de la subestación se incrementó en 4.5 kv. Quedó en observación para evaluar su comportamiento durante 24 horas. Al FOTO 1 Transporte de la plataforma de interrupción. no haber ningún problema, el domingo 13 de diciembre de 1998, a las 18:00 horas, se entregó oficialmente a la Subárea de Control Guerrero para su operación comercial. El banco ha estado operando entre 12 y 14 horas diarias desde su puesta en operación sin presentar problema alguno. La incursión del banco móvil de capacitores en el sistema de 115 kv de la Subárea de Transmisión y Transformación Guerrero ha permitido mejorar la calidad de la energía eléctrica mediante una regulación de voltaje más estrecha, aumentar la transmisión de energía y que disminuyan las pérdidas al liberar los reactivos transmitidos desde plantas generadoras, así como reconfigurar el sistema para transmitir los reactivos generados a zonas en donde se requieran. FOTO 2 Plataforma de control. FOTO 3 Banco Móvil de Capacitores instalado en la subestación Los Amates en Acapulco, Guerrero. 88

6 Conclusiones El diseño y la construcción del banco móvil de capacitores ha cumplido con sus objetivos, ya que permite contar con un medio flexible de compensación reactiva que puede ser trasladado a donde sea requerido en poco tiempo y ser puesto en operación en unos cuantos días. Agradecimientos Los autores quieren agradecer a todo el personal que hizo posible la realización de este proyecto: ingeniero Sergio Flores y personal de Diseño y del Taller Mecánico; doctor Jorge Aguirre y personal de la Gerencia de Ingeniería Civil que participó en el modelado mecánico de los elementos del banco; doctor Héctor Sarmiento por su apoyo en el cálculo eléctrico; ingeniero Trinidad Fuentes Pinzón y personal de la Subárea de Transmisión y Transformación Guerrero, quienes hicieron posible la puesta en operación del banco, y al ingeniero Humberto Pineda, jefe de la Subárea de Control Guerrero, por la confianza depositada en el proyecto. Referencias Beuning, Stephen J., 69-kV mobile capacitor banks offer flexibility and reduce transmission line loss, en Transmision and Distribution, vol. 42, núm. 6, junio de CFE-V , Bancos de capacitores para subestaciones de distribución de 69 a 115 kv, Subdirección Técnica, mayo de NOM-040-SCT2-1995, Para el transporte de objetos indivisibles de gran peso y/o volumen, peso y dimensiones de las combinaciones vehiculares y de las grúas industriales y su tránsito por caminos y puentes de jurisdicción federal, Comité Consultivo Nacional de Normalización de Transporte Terrestre (SCT2), marzo de MARCO ANTONIO PONCE VÉLEZ Ingeniero y maestro en química por la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Se incorporó al Instituto de Investigaciones Eléctricas en Actualmente es investigador en la Gerencia de Equipos Eléctricos de la División de Sistemas Eléctricos. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores (SNI) desde JUAN JOSÉ LÓPEZ VELÁZQUEZ Ingeniero electricista por la Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Guanajuato. Se incorporó al Instituto de Investigaciones Eléctricas en 1995 y actualmente es investigador en la Gerencia de Equipos Eléctricos de la División de Sistemas Eléctricos. ALFREDO LÓPEZ TAGLE Ver su currículum en la página 53. HÉCTOR ARAGÓN GARCÍA Ingeniero mecánico electricista por la Universidad Autónoma de México ( ), ingresó a la CFE en 1977, donde ha desempeñado diversos puestos como: ingeniero sustituto en el Área de Transmisión y Transformación Norte, superintendente de Protecciones en la Subárea de Transmisión y Transformación Chihuahua, supervisor de Transmisión en la Gerencia de Generación y Transmisión, jefe de Departamento de Mantenimiento de Líneas y jefe de Departamento de Análisis Técnicos en la Gerencia de Subestaciones y Líneas. Tiene el diplomado de alta tensión otorgado por la Universidad de Guanajuato y participó en el diseño y puesta en servicio de los esquemas de disparo y recierre monopolar de la troncal de 230 kv en el ATT Norte, puesta en servicio de las unidades 4 y 5 en la central termoeléctrica Francisco Villa y en la instrumentación del empleo de estructuras de emergencia. Pertenece a la AMIME, en donde actualmente es miembro del Comité Ejecutivo de la Sección Metropolitana. 89