Análisis de fallas en los equipos de potencia en sistemas eléctricos industriales de tipo radial

Transcripción

1 Análisis de fallas en los equipos de potencia en sistemas eléctricos industriales de tipo radial Ing. Job arcía Paredes M.C. Inocente Rosales Sedano M.C. Arturo arcía Tevillo Instituto de Investigaciones Eléctricas erencia de Equipos Eléctricos Av. Reforma 113, Col. Palmira, C.P Introducción. Existen plantas industriales donde los procesos de producción requieren un suministro continuo de energía. Un período de interrupción, puede generar pérdidas económicas considerables. Por lo tanto, estos centros cuentan con un sistema propio de generación eléctrica. Este sistema está integrado por más de un generador, para que en casos de falla o salida a mantenimiento de un generador, siempre cuenten con generación eléctrica. Además, tienen un enlace de respaldo conectado permanentemente a la red pública. En este artículo, se analizaron tres problemas que se pueden presentar en dichos sistemas: Problemas de regulación de voltaje. Riesgo de falla por sobre voltajes transitorios en un sistema que genera, transmite y consume la energía eléctrica en un mismo nivel de voltaje. Efecto de la conexión de los neutros. 2. Problemas de regulación de voltaje. Variaciones de voltaje en la red pública En la Fig. 2.1 se muestra un enlace típico entre un sistema de potencia radial con generación propia y la red pública. En este caso, los generadores cubren la demanda local de energía del sistema. Sin embargo, es necesario que el enlace se mantenga permanentemente conectado, para casos de emergencia. En estas condiciones, los generadores tienen que tener un voltaje de generación ligeramente mayor que el voltaje de suministro de la red, para que se presente un flujo de potencia del orden de unos cuantos MW hacia la red pública. En este arreglo, se pueden presentar problemas de regulación de voltaje, ocasionados por variaciones en la tensión de suministro de la red. Si el transformador de enlace no cuenta con cambiador de derivaciones bajo carga, la regulación de voltaje en el BUS, tiene que ser mantenida por los generadores. Automáticamente, se atrasa el factor de potencia de los generadores, incrementando su corriente de excitación. 1

2 RED PUBLICA 115/13.8 kv BUS EN 13.8 kv Fig. 2.1 Diagrama eléctrico de un sistema radial con generación, transmisión y consumo de carga en 13.8 kv. Caída de tensión en reactores Al tener varias fuentes de voltaje, se tiene una mayor aportación de corriente de corto circuito en el sistema. Al incrementarse la corriente de corto circuito, se tiene que incrementar la dimensión de los conductores y consecuentemente el costo de la instalación. Por otro lado, mientras mayor es la corriente de corto circuito, mayor es el peligro generado por la potencia disipada en una falla. Por esta razón, la tendencia es reducir la corriente de corto circuito. Existen dos técnicas comunes para la reducción de la corriente de corto circuito. Una de ellas es incrementando la impedancia del transformador de enlace y otra es instalando reactores en serie con las fuentes de voltaje. De acuerdo con los estudios de corto circuito, es posible que en algún transformador de enlace, se requiera una impedancia mayor del 16%. Este valor supera al valor máximo que tienen los fabricantes disponible comercialmente (del orden de 15%). En la Fig. 2.2 se muestra un sistema de potencia con un bus de sincronización, en el que se conectan las fuentes de voltaje a través de reactores limitadores de corriente. 2

3 RED PUBLICA 115/13.8 kv ENERACION 13.8 kv BUS DE SINCRONIZACION M EN 13.8 kv LINEA AEREA REACTORES LIMITADORES DE CORRIENTE Fig. 2.2 Diagrama eléctrico de un sistema radial con generación, transmisión y consumo de carga en 13.8 kv con reactores limitadores de corriente de corto circuito. En la Fig. 2.3 se observa que los reactores producen una caída de tensión del orden del 2.3%, de tal manera que los generadores tienen que operar sobreexcitados para suministrar un voltaje del orden de 14.4 kv, para mantener el voltaje en el bus de enlace en 14.0 kv. Al sobrexcitar los generadores, se incrementa la concentración de flujo magnético axial en los extremos del núcleo del estator de cada generador, ocasionando una elevación en la temperatura de los extremos del núcleo. Esto puede ocasionar el envejecimiento acelerado del sistema aislante de las bobinas y de las laminaciones del estator. Otra técnica para reducir la corriente de corto circuito, es incrementar la impedancia del transformador de enlace entre el sistema de potencia y la red pública. De acuerdo con estudios de corto circuito, la impedancia requerida puede ser mayor del 15%, que es el valor máximo que los fabricantes tienen disponible comercialmente. Esto implica que un sistema que requiera el cambio de un transformador con una impedancia mayor del 15%, tiene que solicitar una fabricación especial, que técnicamente es posible, pero económicamente puede representar un costo alto. 3

4 Para mantener la regulación de voltaje en los niveles permitidos, es recomendable la instalación de transformadores con cambiador de derivaciones bajo carga [1]. RED PUBLICA 3.0 MW 115/13.8 kv 22 MW 14 MW 14.0 kv 2.0% VD 14.3 kv 3.7% VD 14.4 kv 4.3% VD 14.4 kv 4.3% VD 0.25 Ohms 0.25 Ohms M EN 13.8 kv LINEA AEREA Fig. 2.3 Efecto de la conexión de reactores limitadores de corriente de corto circuito en la transferencia de potencia hacia la red pública, en un sistema eléctrico radial. 3. Riesgo de falla por transitorios en sistemas que generan, distribuyen y consumen la energía eléctrica a un mismo nivel de voltaje. En los sistemas de potencia tipo radial que generan, distribuyen y consumen la energía eléctrica a un mismo nivel de tensión, se pueden presentar sobre tensiones transitorias. Por ejemplo, en la Fig. 2.2 se muestra un sistema de potencia con generación, distribución y consumo de la energía eléctrica a 13.8 kv. La fortaleza o debilidad de este tipo de esquemas, se puede cuantificar en función de la probabilidad de generar o incidir disturbios eléctricos, la cantidad de elementos que pueden representar puntos débiles para un sobrevoltaje y la confiabilidad de sus protecciones para suprimir los transitorios. En la Fig. 2.2 se observa que el sistema de potencia incluye una línea aérea de distribución. Este elemento representa una zona sensible para captar descargas 4

5 atmosféricas. Por otro lado, se pueden generar sobre voltajes transitorios por maniobra en combinación con la capacitancia de cables de energía, debido a la apertura y cierre de interruptores. La ocurrencia de sobre voltajes por maniobra se incrementa si se efectúa la apertura y cierre de bancos de capacitores, arranque de motores a tensión plena y si el neutro del sistema puede encontrarse eléctricamente flotado durante una falla. Como todos los circuitos del sistema se encuentran acoplados (circuitos de generación, distribución y consumo), los disturbios electromagnéticos se pueden propagar hacia cualquier punto de la instalación. Pueden llegar a empalmes, terminales, transformadores de instrumento en los tableros de distribución, devanados de los motores e inclusive a los devanados de los generadores. Esto incrementa la probabilidad de que ocurra una falla dieléctrica. Si se analiza ahora un esquema de potencia como el que se muestra en la Fig. 3.1, donde se tiene un voltaje de generación diferente a los niveles de tensión de distribución y consumo, se observa que los transformadores actúan como un filtro de disturbios. La inductancia de los transformadores representa una impedancia alta para las señales de alta frecuencia, por lo que una descarga atmosférica que incida en la línea aérea de distribución o un transitorio por maniobra en los cables de energía, ya no se propaga hacia los generadores y motores. En su defecto, un disturbio generado por el arranque de motores ya no se propaga hacia los circuitos de distribución. RED PUBLICA 115/34 kv ENERACION 13.8 kv 13.8/34.5 kv 13.8/34.5 kv BUS DE SINCRONIZACION 34.5/13.8 kv 34.5/13.8 kv M EN 13.8 kv LINEA AEREA Fig. 3.1 Diagrama eléctrico de un sistema de distribución radial con el sistema de generación aislado. 5

6 De acuerdo con lo anterior, un sistema que mantiene sus subsistemas de generación, distribución y consumo aislados con transformadores, tiene menos probabilidades de falla por sobre voltajes transitorios que un esquema que genera, distribuye y consume al mismo nivel de tensión. 4. Conexión del neutro de la fuente a tierra. Para limitar la corriente de corto circuito de fase a tierra, se utilizan varios métodos entre los cuales son: aterrizamiento con baja resistencia, aterrizamiento con alta resistencia y a través de un transformador en conexión zig-zag. El más común utilizado en una planta industrial, donde las cargas son conectadas directamente al Bus de distribución es el aterrizamiento con baja resistencia. La resistencia de puesta a tierra para tensiones de operación hasta 13.8 kv es del orden de 13Ω. La corriente de falla a tierra es limitada prácticamente por la resistencia a tierra, por lo que para este valor de resistencia la corriente de falla será de 615 A. Cuando se tienen varias fuentes de potencia, por ejemplo dos o más generadores y una acometida externa con transformadores en paralelo, se presentan dificultades de coordinación y selectividad de las protecciones cuando se tienen más de dos neutros conectados a tierra. Es una práctica común en algunas plantas industriales, utilizar un Bus de puesta a tierra y aterrizando un solo neutro de las fuentes. Los otros neutros permanecen flotados. En teoría el método es adecuado ya que la coordinación de protecciones es más simple, efectuándose en forma radial. Uno de los graves problemas que puede presentarse utilizando el método de aterrizar una sola fuente, es debido a que en caso de alguna falla la fuente aterrizada puede salir de servicio por la operación del interruptor principal. En estas condiciones el sistema queda flotado momentáneamente, lo que puede provocar sobre tensiones transitorias de gran magnitud del orden de hasta seis veces la tensión a tierra. Para evitar este tipo de riesgos de operación, se deben mantener como mínimo dos puntos aterrizados de las fuentes. Los transformadores de potencia de la acometida externa, pueden aterrizarse con una resistencia a tierra común a los dos neutros. Los neutros de los generadores se pueden conectar en la misma forma. Esta configuración permite mejorar la selectividad de las protecciones a tierra. Se pueden utilizar protecciones a tierra direccionales para evitar operar incorrectamente los interruptores. La literatura especializada [2, 3 y 4], indica que cuando se tienen dos fuentes de alimentación conectadas a un solo sistema, las dos fuentes se deben operar con su neutro aterrizado, que para este caso se utiliza el aterrizamiento con baja resistencia. 6

7 5. Conclusiones. La configuración de la distribución del sistema eléctrico repercute en gran manera en la confiabilidad de la operación de los equipos. Por lo anterior se observa que para contar con una mejor regulación de voltaje es necesario contar con un cambiador de derivaciones bajo carga en los transformadores de enlace con la red pública y evitar en lo posible el uso de reactores limitadores de corriente de corto circuito, manejando esta situación con un valor apropiado de la impedancia del transformador. enerar transmitir y consumir carga en el mismo nivel de generación trae como consecuencia sobretenciones que incrementan el deterioro de los equipos de potencia. Por lo que es necesario mantener el sistema de generación a otro nivel de voltaje diferente al de distribución y consumo. Para evitar sobretenciones transitorias debido a que el sistema eléctrico de potencia quede flotado, se deben mantener como mínimo dos puntos aterrizados de las fuentes de generación o transformadores de enlace con la red pública. Los transformadores de potencia de la acometida externa, pueden aterrizarse con una resistencia a tierra común a los dos neutros. Los neutros de los generadores se pueden conectar en la misma forma. Referencias: [1] I. Rosales, J. J. López, J. arcía, E. Robles, D. arcía, B. uzmán, Interconexión de los centros industriales con la red eléctrica del servicio público. Boletín IIE; Vol. 24, No. 1, [2] I. Rosales, J. J. López, J. arcía, Aterrizamiento de los equipos de potencia en sistemas industriales. Decimatercera Reunión de Verano de Potencia, IEEE Sección México, 9 al 14 de julio del 2000, Acapulco, ro. [3] L. J. Powell, The impact of system grounding practices on generator fault damage, IEEE Transactions on industry Applications, Vol. 34, No. 5, pp , Sep./Oct [4] D. D. Ship and F. J. Angelini, Characteristics of Different Power Systems rounding Techniques: Fact and Fiction, Westinghouse Electric Corporation, Pittsburgh, Pa. Autores: M.C. Inocente Rosales Sedano. Ingeniero Electricista (1977) egresado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), y maestro en ciencias (1994) por la Universidad de Salford, Inglaterra. Ingresó al IIE en 1979, en donde actualmente es investigador de la erencia de Equipos Eléctricos. Ing. Job arcía Paredes. Ingeniero Electricista (1996) por la Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma de Morelos (UAEM). Ingresó al IIE en 1996, en donde es investigador de la erencia de Equipos Eléctricos. M.C. Arturo arcía Tevillo. Ingeniero Electricista (1987) egresado de la Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma de Morelos (UAEM)), y maestro en ciencias (1994) por la Universidad de Salford, Inglaterra. Ingresó al IIE en 1988, en donde actualmente es investigador de la erencia de Equipos Eléctricos. 7