ACTUALIZACION DEL ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE LAS PROTECCIONES DEL SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NACIONAL AÑO 2014 ANEXO N 6

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1 ACTUALIZACION DEL ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE LAS PROTECCIONES DEL SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NACIONAL AÑO 2014 ANEXO N 6 Estudio de Cortocircuito Fecha Rev. Descripción Elaboró Revisó Aprobó 23/04/10 00 Estudio de Cortocircuito EDP S.A.C. COES COES 15/07/14 01 Estudio de cortocircuito EDP S.A.C. COES COES

2 ÍNDICE 1. INTRODUCCION OBJETIVO ALCANCE CRITERIOS Y METODOLOGÍA DE CÁLCULO CONCEPTOS GENERALES TIPOS DE FALLAS DEFINICIONES DE LAS DIFERENTES CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO FUENTES QUE CONTRIBUYEN A LA FALLA APLICACIÓN ESCENARIOS Y TIPOS DE FALLAS SIMULADAS ANALISIS DE LOS RESULTADOS RESUMEN DE LOS RESULTADOS AÑO CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES APENDICES Apéndice A: Resultados gráficos cortocircuito trifásico - Año 2014 Apéndice B: Resultados gráficos cortocircuito monofásico - Año 2014 Página 2 de 12

3 1. INTRODUCCION La planificación, el diseño y la operación de los sistemas eléctricos de potencia, requiere diversos estudios para evaluar su comportamiento, confiabilidad y seguridad. Un buen diseño debe estar basado en un cuidadoso estudio en que se incluye la selección de tensión, adecuado tamaño del equipamiento y selección apropiada de las protecciones. El incremento del número de instalaciones eléctricas en el Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) está asociado con la instalación de nueva generación, nuevas líneas de transmisión, nuevos centros de transformación y ampliaciones de las instalaciones existentes. Bajo este contexto, el COES tiene previsto revisar periódicamente las condiciones de operación del sistema con el fin de evaluar el impacto sobre el comportamiento en estado estacionario del SEIN. Mediante la realización del estudio de cortocircuito, se determinan las corrientes que circulan por cada uno de los elementos que conforman el sistema eléctrico y las tensiones en todas las barras del sistema eléctrico cuando se presenta una falla. A efectos de satisfacer los requerimientos de la Actualización del Estudio de Coordinación de Protecciones del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional - Año 2014, se llevaron a cabo las tareas necesarias para calcular los niveles de corriente de cortocircuito en las instalaciones del SEIN comprendidas dentro de los alcances de la presente actualización y en los escenarios previamente establecidos. 2. OBJETIVO El objetivo de este análisis es brindar toda la información necesaria, con respecto a los máximos niveles de corriente de cortocircuito en las subestaciones que son parte del alcance de la presente actualización del estudio de coordinación de protecciones, que sirvan como referencia para la verificación de la capacidad de ruptura de los equipos de maniobra y seccionamiento, saturación y límite térmico de los transformadores de corriente existentes, verificación de las tensiones de toque y paso así como el diseño de mallas de puesta a tierra de las subestaciones o para especificar cualquier otro equipo electromecánico de proyectos de conexión al SEIN en el corto plazo. Igualmente los resultados de las tensiones y corrientes de falla simétricas y asimétricas, máximas y mínimas, en operación normal y en contingencia de la red del SEIN, sirvieron de base para la verificación de la coordinación de las protecciones, específicamente los relés de distancia y de sobrecorriente. 3. ALCANCE Determinar los niveles de corriente de cortocircuito en las subestaciones que son parte del alcance de la actualización del estudio de coordinación de protecciones, considerando los principales proyectos de generación y transmisión a ejecutarse en el SEIN en el corto plazo, en los escenarios base de avenida y estiaje en condiciones de máxima, media y mínima demanda. Página 3 de 12

4 4. CRITERIOS Y METODOLOGÍA DE CÁLCULO 4.1 CONCEPTOS GENERALES El análisis de cortocircuito se fundamenta en el cálculo o determinación de las magnitudes de las corrientes de falla y los aportes de cada uno de los elementos a esta falla, características que permiten el diseño de los equipos de seccionamiento y ajustes de los sistemas de protección, por lo que es necesario realizar el cálculo para cada uno de los niveles de tensión del sistema. Entre las causas más frecuentes de cortocircuitos a nivel de instalaciones comerciales e industriales podemos mencionar las debidas a la ruptura y debilitamiento del aislamiento de conductores y/o equipos y los producidos por agentes ambientales (descargas atmosféricas). Los efectos de las corrientes de cortocircuitos son muy variados, pero entre los más importantes son los debidos al efecto Joule (calentamiento de los equipos eléctricos debido a la gran circulación de corriente), esfuerzos electromecánicos en las máquinas eléctricas y destrucción física del lugar de la falla cuando se producen grandes arcos eléctricos. De los efectos de las fallas por cortocircuito, el más notorio es la interrupción del suministro eléctrico debido a la necesaria apertura del circuito eléctrico por parte de los dispositivos de protección para despejar la falla y evitar mayores daños en el sistema. 4.2 TIPOS DE FALLAS En los sistemas eléctricos se pueden producir distintos tipos de fallas, las cuales son: Cada una de estas fallas genera una corriente de amplitud definida y características específicas. De los 4 tipos de fallas, solo el trifásico produce un sistema de intensidades simétricas en las 3 fases. A fin de calcularse las corrientes circulantes por las fases en cortocircuitos bifásicos, bifásicos a tierra y monofásicos se usa el método de las componentes simétricas. La razón de llamarse fallas asimétricas es debido a que las corrientes post-falla son diferentes en magnitudes y no están desfasadas en 120 grados. Página 4 de 12

5 En general la falla trifásica es la que impone las condiciones más severas a los componentes del sistema y por lo tanto, los estudios de cortocircuitos enfocan con más atención este tipo de fallas. Las fallas monofásicas a tierra pueden generar corrientes de falla cuya magnitud puede superar a la corriente de falla trifásica. Sin embargo, esto es más frecuente que ocurra en sistemas de transmisión o de distribución, sobre todo cuando la falla se ubica cerca de la subestación donde se tiene la presencia de un número importante de transformadores (aterramiento múltiple). Porcentajes promedios de ocurrencia de cada tipo de falla en un sistema: CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO Es una falla que consiste en el contacto de las tres fases directamente o a través de una impedancia de valor bajo. Una falla trifásica que se prolongue en el tiempo puede producir daños físicos en el equipamiento de la red (transformadores, generadores, etc), que impidan reestablecer el suministro de electricidad en un corto plazo. Este tipo de falla deber ser detectado y eliminado en el menor tiempo posible. Cuando se produce un cortocircuito, los equipos del sistema tienden a comportarse en una forma distinta a cuando están en operación normal. Desde el punto de vista del análisis, es el más simple de ser calculado, porque al estar involucradas las 3 fases en la misma forma la corriente de falla son iguales en las 3 fases, siendo representado por un sistema de corrientes simétrico. Es una de las fallas más severas para el sistema y de cálculo obligado. CORTOCIRCUITO BIFÁSICO Las fallas bifásicas consisten en el contacto de 2 fases entre sí. Como por ejemplo: roce de 2 fases en líneas aéreas o la falla del aislamiento puntual en cables aislados. Este tipo de falla produce un sistema desequilibrado de corrientes, con valores diferentes en las 3 fases, obligando en su cálculo a la utilización tanto de la red de secuencia positiva como a la red de secuencia negativa. En un principio las corrientes iniciales simétricas de falla son menores que las de la falla trifásica, aunque si la falla se produce en las inmediaciones de máquinas sincrónicas o asíncronas de cierta potencia, las corrientes de esta falla pueden llegar a presentar valores incluso mayores que las de cortocircuito trifásico. CORTOCIRCUITO BIFÁSICO CON CONTACTO A TIERRA En este tipo de fallas, 2 de las fases toman contacto entre sí y con la tierra en el punto de falla. Es este tipo de falla con menor probabilidad de ocurrencia. Página 5 de 12

6 CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO ENTRE UNA FASE Y TIERRA Esta falla es el tipo de cortocircuito más frecuente en un sistema eléctrico (en líneas aéreas, el 80% son de esta naturaleza). Las corrientes de falla que provoca dependen de la impedancia de la falla y de las conexiones a tierra de los transformadores en la línea. Este es el cortocircuito más frecuente y severo, produciéndose con mayor frecuencia en redes rígidamente puestas a tierra o mediante impedancias de bajo valor. Su cálculo es importante, tanto por lo elevado de sus corrientes como por su conexión a tierra, lo que permite determinar las fugas a tierra, las tensiones de contacto o de paso, o valorar las interferencias que estas corrientes puedan provocar. Para su cálculo, al ser desequilibrado y con pérdida de energía, son necesarias las 3 redes de secuencia (positiva, negativa y cero). 4.3 DEFINICIONES DE LAS DIFERENTES CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO Corriente de Cortocircuito Simétrica Inicial (Ik ) Es el valor eficaz de la componente simétrica alterna de la corriente de falla prevista en el instante de la aparición del cortocircuito. Valor Cresta de la Corriente de Cortocircuito (Ip) Valor instantáneo máximo posible de la corriente de falla prevista. Para el cálculo de esta corriente se considera la máxima asimetría posible de la corriente debido a la componente de continua, esta asimetría dependen de la relación R/X del circuito en falla y del valor de la tensión en el instante del cortocircuito. Corriente de Cortocircuito Simétrica de Corte (Ib) El cálculo de la corriente de cortocircuito de corte sólo es necesaria en el caso de una falla cercana a los generadores y cuando la protección queda asegurada por interruptores automáticos retardados. Esta corriente sirve para determinar el poder de corte de los interruptores de potencia. Corriente de Cortocircuito Permanente (Ik) Es el valor eficaz de la corriente de cortocircuito que se mantiene tras la extinción de los fenómenos transitorios. La amplitud de la corriente permanente Ik depende del estado de saturación del circuito magnético de los generadores, por lo tanto, su cálculo es menos preciso que el de la corriente simétrica inicial Ik. 4.4 FUENTES QUE CONTRIBUYEN A LA FALLA La magnitud de la corriente que fluirá a través de un cortocircuito depende principalmente de dos factores: Las características y el número de fuentes que alimentan al cortocircuito. La oposición o resistencia que presente el propio circuito de distribución. La oposición que presenta el propio circuito de distribución al flujo de corriente de cortocircuito se denomina impedancia en términos eléctricos y depende de la configuración del sistema eléctrico y se calcula a partir de la impedancia de cada uno de los componentes del sistema. Página 6 de 12

7 Otro de los factores que influyen sobre la magnitud de la corriente de cortocircuito son el momento, tipo y ubicación de la falla. Para evaluar la corriente de falla de un sistema de potencia es necesario identificar los diferentes equipos que van a contribuir a la corriente. Las fuentes principales de corrientes de cortocircuito entre fases sin contacto a tierra (trifásica y bifásica) son los generadores y compensadores síncronos existentes en el sistema de potencia local y la generación remota del sistema de transmisión del SEIN, sin embargo, los motores síncronos y de inducción que antes de la falla representaban una carga para el sistema, en condiciones de cortocircuito, se comportan como generadores durante un tiempo relativamente corto. En el caso de cortocircuitos con contacto a tierra (monofásica y bifásica a tierra), además de los generadores con neutro puesto a tierra, también son fuentes de corrientes de secuencia cero los puntos de conexión a tierra de los transformadores de potencia que cuentan con devanado delta. 4.5 APLICACIÓN Los análisis de cortocircuito se necesitan para el diseño de los sistemas de potencia. La selección de los equipos que conforman la red no sólo depende de los requerimientos en tensión y corriente en estado estacionario, sino de los requerimientos en tensión y corriente durante eventos de cortocircuito. La determinación de los niveles de corriente de cortocircuito nos permite: Dimensionar equipos de maniobra y seccionamiento. Calcular los ajustes de las protecciones Dimensionar la malla de puesta a tierra Dimensionamiento de conductores Determinar la energía incidente en arcos eléctricos. Especificar equipos especiales destinados a reducir los niveles de corriente de cortocircuito. Especificar la impedancia de cortocircuito de transformadores de potencia. Evaluar la capacidad de ruptura de los interruptores de potencia. Verificar la soportabilidad térmica de los transformadores de corriente. Igualmente en caso de que se conecten nuevas instalaciones al sistema eléctrico interconectado nacional (líneas de transmisión, subestaciones, centrales de generación, plantas industriales y mineras) uno de los objetivos es determinar los niveles de corriente de cortocircuito en las principales barras de las subestaciones adyacentes al proyecto, a fin de evaluar el incremento de la corriente de falla por el ingreso de las nuevas instalaciones. 5. ESCENARIOS Y TIPOS DE FALLAS SIMULADAS A continuación se listan los diferentes tipos de fallas simuladas en los diferentes escenarios de operación definidos para el año 2014: Fallas trifásicas y monofásicas francas en máxima demanda avenida Fallas trifásicas y monofásicas francas en media demanda avenida Fallas trifásicas y monofásicas francas en mínima demanda avenida Página 7 de 12

8 Fallas trifásicas y monofásicas francas en máxima demanda estiaje Fallas trifásicas y monofásicas francas en media demanda estiaje Fallas trifásicas y monofásicas francas en mínima demanda estiaje Para cada uno de los cortocircuitos determinados, en los apéndices del presente informe se muestran las salidas gráficas con resúmenes de fallas en barras que muestran la corriente total de falla en barras y la contribución que llega a cada barra a través de líneas, transformadores y generadores. Siendo las variables mostradas: Para cortocircuito trifásico se muestra - La corriente subtransitoria: I k = Ia = Ib = Ic - La corriente pico: Ip Para cortocircuito monofásico se muestra - La corriente subtransitoria en la fase fallada: I ka = Ia - La corriente homopolar: 3Io Igualmente con el objetivo de verificar la coordinación de protecciones se realizaron fallas en los siguientes puntos de interés: Se realizó cortocircuitos para las condiciones iniciales de todos los escenarios de flujos de potencia definidos como casos base (año 2014), así como para las contingencias n-1. Se efectuaron cortocircuitos en todas las barras principales de la red. Para las líneas de transmisión, se efectuaron cortocircuitos adicionales a lo largo de la línea, con ubicaciones al 0%, 20%, 40%, 60%, 80% y 100% de la longitud de cada línea. Para el caso de los transformadores de potencia se efectuaron cortocircuitos en los pasatapas (bushing) de los mismos. Los tipos de cortocircuitos y resistencia de fallas considerados para cada tipo de falla son los siguientes: Cortocircuitos monofásicos franco (0 Ohm) y para dos valores de resistencia de falla a tierra: 20 Ohmios y 50 Ohmios. Cortocircuitos bifásicos para tres valores de resistencia de falla entre fases: 0 ohm, 5 ohmios y 10 ohmios en el nivel de 138 kv. Cortocircuitos bifásicos para tres valores de resistencia de falla entre fases: 0 ohm, 3 ohmios y 6 ohmios en el nivel de 220 kv y 500 kv. Cortocircuito trifásico para 0 ohm de resistencia de falla. 6. ANALISIS DE LOS RESULTADOS 6.1 RESUMEN DE LOS RESULTADOS AÑO 2014 En los Apéndices A y B del presente informe se muestra en forma gráfica los niveles de corriente de cortocircuito para el año 2014 para cada área definida del SEIN. A continuación se presentan las barras del SEIN donde la corriente de cortocircuito es mayor a 16 ka, es decir se ha filtrado, de todas las barras de transmisión del SEIN, aquellas donde se producen las mayores corrientes de cortocircuito, siendo el sistema de transmisión de Lima donde se presentan los mayores niveles de corriente de Página 8 de 12

9 cortocircuito, tal como se muestra en el siguiente cuadro resumen y los gráficos respectivos: MAXIMAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO - AÑO 2014 SUBESTACION Cortocircuito Trifásico Cortocircuito Monofásico MXAVE14 MXEST14 MXAVE14 MXEST14 Ik", 3ø (ka) Ik", 3ø (ka) IkA, 1ø (ka) IkA, 1ø (ka) BALNEARIOS 220kV BALNEARIOS 60kV_A BALNEARIOS 60kV_B BARSI 220kV BARSI 60kV CARABAYLLO 220kV_A CARABAYLLO 220kV_B CHAVARRIA 220kV_A CHAVARRIA 220kV_B CHAVARRIA 60kV_A CHAVARRIA 60kV_B CHILLON 220kV CHILLON 60kV CHILCAREP 220kV_A CHILCAREP 220kV_B CHILCA 60kV CHILCANUEVA 220kV_A CHILCANUEVA 220kV_B INDUSTRIALES 220kV_A INDUSTRIALES 220kV_B INDUSTRIALES 60kV_A INDUSTRIALES 60kV_B PLANICIE 220kV_A PLANICIE 220kV_B SANTA ROSA 220kV_A SANTA ROSA 220kV_B SANTA ROSA-LDS 60kV_A SANTA ROSA-LDS 60kV_B SANTA ROSA-EDN 60kV_A SANTA ROSA-EDN 60kV_B SAN JUAN 220kV_A SAN JUAN 220kV_B SAN JUAN 60kV_A SANJUAN 60kV_B ZAPALLAL 220kV_A ZAPALLAL 220kV_B ZAPALLAL-EDN 60kV Página 9 de 12

10 BAL220 BAL60_A BAL60_B BARSI220 BARSI60 CARAB220_A CARAB220_B CHAV220_A CHAV220_B CHAV60_A CHAV60_B CHILLON220 CHILLON60 CHILCAREP220_A CHILCAREP220_B CHILCA60 CHILCAN220_A CHILCAN220_B INDUS_220A INDUS_220B INDUS_60A INDUS_60B PLANICIE220_A PLANICIE220_B SROSA220A SROSA220B SROSAN60A SROSAN60B SROSAV60A SROSAV60B SJUAN220_A SJUAN220_B SJUAN60_A SJUAN60_B ZAPA220_A ZAPA220_B ZAPA-EDN60 Estudio de Coordinación de las Protecciones ka Cortocircuito Trifásico MXAVE14 MXEST BARRA Página 10 de 12

11 BAL220 BAL60_A BAL60_B BARSI220 BARSI60 CARAB220_A CARAB220_B CHAV220_A CHAV220_B CHAV60_A CHAV60_B CHILLON220 CHILLON60 CHILCAREP220_A CHILCAREP220_B CHILCA60 CHILCAN220_A CHILCAN220_B INDUS_220A INDUS_220B INDUS_60A INDUS_60B PLANICIE220_A PLANICIE220_B SROSA220A SROSA220B SROSAN60A SROSAN60B SROSAV60A SROSAV60B SJUAN220_A SJUAN220_B SJUAN60_A SJUAN60_B ZAPA220_A ZAPA220_B ZAPA-EDN60 Estudio de Coordinación de las Protecciones ka Cortocircuito Monofásico MXAVE14 MXEST BARRA Página 11 de 12

12 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Aun cuando se diseñe muy cuidadosamente un sistema de potencia, este estará siempre expuesto al daño que puedan causar flujos de corriente en condiciones de cortocircuito tales como sobrecalentamientos y arcos eléctricos destructivos. Para asegurar que los equipos de protección puedan aislar fallas rápidamente y minimizar el daño de cada uno de los componentes del sistema de potencia y el riesgo del personal, el estudio de corrientes de cortocircuito debe ser incluido en el diseño de los sistemas de potencia y también cuando se efectúen modificaciones a los sistemas en el área adyacente a estas. Teniendo en cuenta que el objetivo principal del presente informe es obtener los valores máximos de corrientes de cortocircuito, los resultados permitirán que las empresas que operan las subestaciones y que pertenecen al COES-SINAC puedan utilizar esta información y verifiquen lo siguiente: - La capacidad de ruptura de sus interruptores de potencia existentes. - Capacidad del sistema de barras colectoras en 500 kv, 220 kv, 138 kv y 60 kv. - La saturación y límite térmico de sus transformadores de corriente existentes. Para el año 2014 la máxima corriente trifásica calculada en 220 kv se presenta en la subestación Chavarría con un valor de ka en el escenario de máxima demanda estiaje. Para el año 2014 la máxima corriente monofásica calculada en 220 kv se presenta en la subestación Chavarría con un valor de ka en el escenario de máxima demanda estiaje. Para el año 2014 la máxima corriente trifásica calculada en 60 kv se presenta en la subestación Santa Rosa-LDS (Barra B), con un valor de ka en el escenario de máxima demanda estiaje. Para el año 2014 la máxima corriente monofásica calculada en 60 kv se presenta en la subestación Santa Rosa-LDS (Barra B), con un valor de ka en el escenario de máxima demanda estiaje. Dada la limitación de capacidad de cortocircuito en un determinado nivel de tensión se recomienda tomar en cuenta en el planeamiento del sistema de transmisión de Lima los niveles de corriente de cortocircuito a fin de plantear una solución óptima de expansión a largo plazo, principalmente en los grandes centros de transformación (Chavarría, Santa Rosa, San Juan y Balnearios). Si bien es cierto que con el crecimiento del sistema eléctrico interconectado nacional en los últimos 4 años los niveles de corriente de cortocircuito en el sistema de transmisión de la Zona Norte, Zona Este y Zona sur del SEIN no han experimentado incrementos significativos, sin embargo en el sistema de distribución de media tensión (tensiones menores a 22.9 kv) si se ha experimentado un incremento significativo principalmente en aquellas instalaciones adyacentes a los grandes proyectos de transmisión, por lo tanto se recomienda a los usuarios libres y empresas distribuidoras tomar en cuenta las recomendaciones vertidas en el presente informe a fin de garantizar la seguridad y continuidad de servicio de sus instalaciones. Página 12 de 12