Estudios de Norma Técnica para los Sistemas Medianos de Magallanes

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1 Estudios de Norma Técnica para los Sistemas Medianos de Magallanes Estudio de Restricciones en Instalaciones de Transmisión Preparado para:

2 VERSIÓN Y CONTROL DE REVISIÓN SYSTEP Ingeniería y Diseños S.A. Versión Fecha Redactó Revisó Aprobó Comentarios 1 03/09/2015 CSL MNS ALE Para comentarios de cliente 2 25/01/2016 CSL ALE PMD Versión final 2

3 Índice 1 Introducción Objetivos del estudio 4 2 Antecedentes Información técnica de los Sistemas Medianos de EDELMAG Definición de los Sistemas Medianos de EDELMAG Unilineales de los Sistemas Medianos de EDELMAG Instalaciones de transmisión Normativa Aplicable 8 3 Restricciones del Sistema de Transmisión Límites por Capacidad Térmica Límites por Regulación de Tensión Límites por Contingencias 13 4 Conclusiones 14 3

4 1 Introducción La Empresa Eléctrica de Magallanes S.A, en adelante EDELMAG, es una Concesionaria de Distribución Eléctrica que opera en la Región de Magallanes cuatro Sistemas Medianos. En conformidad con lo estipulado en el Articulo 6-3 de la Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Servicio para los Sistemas Medianos, en adelante NTSSMM, EDELMAG debe desarrollar diversos estudios técnicos para cada uno de los Sistemas Medianos de su propiedad con una periodicidad de cuatro años. En consideración de lo indicado en el párrafo anterior, EDELMAG encomendó a SYSTEP Ingeniería y Diseños, en adelante SYSTEP o el Consultor, la realización de la actualización de cada uno de los siguientes estudios técnicos para los cuatro Sistemas Medianos de EDELMAG, a saber: Punta Arenas, Puerto Natales, Porvenir y Puerto Williams: Estudio de Restricciones en Instalaciones de Transmisión. Estudio de Verificación de Coordinación de Protecciones. Estudio de Control de Tensión y Requerimientos de Potencia Reactiva. Estudios de Control de Frecuencia y Determinación de Reservas. Estudio de Desconexión Automática de Carga (EDAC). Estudio de Planes de Recuperación de Servicio (PRS). El presente informe comprende el Estudio de Restricciones en Instalaciones de Transmisión, que tiene por objetivo determinar bajo diversas condiciones las capacidades máximas de transmisión en las instalaciones de los Sistemas Medianos de EDELMAG. 1.1 Objetivos del estudio En el presente estudio se presenta un análisis de las restricciones de las instalaciones de transmisión de los Sistemas Medianos de EDELMAG, considerando lo siguiente: Calcular los límites de capacidad térmica de los elementos serie. Verificar las restricciones de las instalaciones de transmisión a través del impacto en la regulación de tensión de las barras del sistema. Evaluar los límites de capacidad de los distintos elementos del sistema debido a contingencias de severidad 1, 2, 3, y 4. 4

5 2 Antecedentes El DFL Nº 4 de febrero del 2007, que fija texto refundido, coordinado y sistematizado del Decreto con Fuerza de Ley Nº 1, de Minería, de 1982, Ley General de Servicios Eléctricos, en materia de energía eléctrica, define en su Artículo Nº 173 a aquellos sistemas eléctricos de capacidad instalada de generación inferior a 200 MW y superior a kw como Sistemas Medianos o SSMM, estableciendo características especiales en su tarificación y operación respecto a los Sistemas Interconectados. EDELMAG posee cuatro Sistemas Medianos en el extremo sur del país, específicamente en la Región de Magallanes, los cuales se describen a continuación: Sistema Punta Arenas: Ubicado en la Región de Magallanes, comuna de Punta Arenas. Se compone por dos subsistemas, central Tres Puentes y central Punta Arenas. Central Tres Puentes cuenta con dos barras de media tensión conectadas entre sí a través de un transformador de 20 MVA 13,2/11,5 kv, donde principalmente en el lado de 11,5 kv se inyecta la generación y el lado de 13,2 kv alimenta las cargas. Por otro lado, central Punta Arenas posee una barra en 13,2 kv, en la que se conectan tanto generación como consumo. Los subsistemas mencionados se interconectan mediante una línea de transmisión de 8,15 km en 66 kv. Sistema Puerto Natales: Ubicado en la Región de Magallanes, comuna de Natales. Sistema constituido por una única barra principal en 13,2 kv donde se conectan generación y consumos. Sistema Porvenir: Ubicado en la Región de Magallanes, comuna de Porvenir. Similar al sistema de Puerto Natales, se compone de una única barra de 13,8 kv en la cual se inyecta generación y se conectan los alimentadores que abastecen los consumos. Sistema Puerto Williams: Ubicado en la Región de Magallanes, comuna de Cabo de Hornos. El sistema se compone de una barra de 13,2 kv en la cual se inyecta la generación y se alimenta las cargas. A continuación se detallan características técnicas y normativas respecto a los Sistemas Medianos de EDELMAG, en relación a las Restricciones de las Instalaciones de Transmisión. 2.1 Información técnica de los Sistemas Medianos de EDELMAG La información técnica relevante para el desarrollo del presente estudio, corresponde a las características técnicas de los equipos serie de transmisión de los Sistemas Medianos de EDELMAG Definición de los Sistemas Medianos de EDELMAG EDELMAG se compone de cuatro Sistemas Medianos ubicados en Punta Arenas, Puerto Natales, Porvenir y Puerto Williams. Si bien gran parte de la organización y administración de la empresa funciona de manera centralizada, es importante indicar que cada sistema cuenta con un sistema de administración propio, el que incluye centros de control locales que se encargan de la operación de la distribución y de los despachos diarios y horarios de las centrales de generación, junto con la toma de medidas en caso de eventos particulares. Cada una de estas administraciones propias de cada Sistema Mediano se guía por las directrices dadas por la administración general, pero a su vez posee la capacidad de poder operar diariamente en forma autónoma, y de superar las diversas dificultades eventuales que surjan en la operación diaria. 5

6 Alim. 5 Alim. 13 Alim. 11 Alim. 7 Alim. 4 52C6 52C5 52C13 52C11 52C7 52C4 Estudios de Norma Técnica para Sistemas Unilineales de los Sistemas Medianos de EDELMAG A continuación se presentan los unilineales de los Sistemas Medianos de EDELMAG. 66 kv 23 kv 13,2 kv 11,5 kv 6 kv Alim. 6 I.A. PE Cabo Negro 52C1 Alim. 1 U. 3 52C2 Alim. 2 52G3 52C3 Alim. 3 U. 1 U. 4 52G1 52DS1 52G4 52DT2 52DT1 52E1 Ingesur 52G2 U. 2 52G5 U. 5 Des. 52BT4 52C10 52CS5 52C8 52CT1 52C12 52C9 52CT3 52C14 Alim. 10 Alim. 8 Alim. 12 Alim. 9 Alim DT3 52BT1 52B1 52BT3 52CT2 U. 7 U. 8 52DS2 52G7 52G8 52CS2 52CS4 52CS3 U. 9 52DS3 52DT4 52BT2 Sistema Mediano de Puerto Natales 52G9 52DS4 U. 3 U. 2 U. 1 52G3 52G2 52G1 52CT2 Figura 2-1: Unilineal del Sistema Mediano de Punta Arenas U. 5 52G5 U. 11 U. 6 13,2 kv 6 kv 52G11 52G6 Alim. 5 Alim. 4 Alim. 3 Alim. 2 Alim. 1 52C5 52C4 52C3 52C2 52C1 52G5 52G4 52G12 52G10 52G9 52G8 52G3 52G2 U. 12 U. 10 U. 9 U. 8 U. 5 U. 4 U. 3 U. 2 Figura 2-2: Unilineal del Sistema Mediano de Puerto Natales 6

7 U. 10 U. 7 U. 6 U. 4 52G10 52G7 52G6 52G4 Alim. 3 Alim. 2 52C3 52C2 52C1 52C4 52G9 52G8 52G5 Alim. 1 Alim. 4 U. 9 U. 8 U. 5 13,8 kv 6 kv Figura 2-3: Unilineal del Sistema Mediano de Porvenir U. 6 13,2 kv 6 kv 52G6 Alim. 2 Alim. 1 52C2 52C1 52C3 52G1 52G2 52G3 Alim. 3 Figura 2-4: Unilineal del Sistema Mediano de Puerto Williams Instalaciones de transmisión Debido a las características topológicas de los Sistemas Medianos de EDELMAG ya presentadas, se tiene que el único sistema que posee instalaciones de transmisión es el de Punta Arenas. A continuación se listarán los equipos a ser evaluados en el presente estudio Líneas de transmisión U. 1 U. 2 U. 3 En la Tabla 2-1 se presentan las características técnicas principales de las líneas de transmisión a ser estudiadas. Tabla 2-1 Información técnica de las líneas de transmisión estudiadas Línea Tres Puentes - Punta Arenas 66 kv Tres Puentes - Punta Arenas 23 kv Tensión [kv] Tipo Conductor Cu #3/0 AWG Cu #3/0 AWG Longitud [km] Resistencia [Ω] Impedancia [Ω] Susceptancia [µs] 8,15 1,934 2,862 26,800 8,75 2,076 3,073 28,773 7

8 Transformadores En la Tabla 2-2 se presentan las características técnicas principales de los transformadores de poder a ser estudiados. Tabla 2-2 Información técnica de los transformadores estudiados Transformador Potencia Nominal [MVA] Tensión [kv] Transformador Línea 66 kv - Punta Arenas 33 69/13,8 Transformador Línea 66 kv - Tres Puentes 33 69/12 Transformador Línea 23 kv - Punta Arenas 10/12* 23/13,2 Transformador Línea 23 kv - Tres Puentes 10/12* 23/11,5 Transformador 11,5 a 13,2 kv - Tres Puentes 20 13,8/12 *Nota: La potencia nominal corresponde a ONAN/ONAF Interruptores y transformadores de corriente En la Tabla 2-3 se presentan las características técnicas principales de los interruptores y transformadores de corriente a ser estudiados. Tabla 2-3 Información técnica de los interruptores y transformadores de corriente estudiados Interruptor Marca Modelo Corriente Nominal [A] Tensión nominal [kv] Capacidad de Ruptura [ka] Transformador de Corriente 52CT1 MITSUBISHI 20VPR /5 A 52CT2 ABB VD /5 A 52CT3 ABB VD /5 A 52BT3 SIEMENS 8DN , /5A 52BT4 SIEMENS 8DN , /5A 52B1 SIEMENS 8DN , /5A 52BT1 GEC ALSTOM FXT , /5A 52BT2 GEC ALSTOM FXT , /5A 52DT3 ABB SACE HA , /5 A 52DT4 ABB VD , /5 A 52DT1 ABB VD /5 A 52DT2 ABB VD /5 A 2.2 Normativa Aplicable Las Restricciones de las Instalaciones de Transmisión se definen en base a la capacidad de potencia máxima que se puede transmitir por cada una de las instalaciones de transmisión del Sistema Mediano (en adelante SM) que la empresa identifique como críticas para garantizar, frente a la ocurrencia de las contingencias que se establecen en los Artículos 5-29, 5-30 y 5-36 de la NTSSMM: Artículo 5-29 El SM deberá operar en Estado Normal con todos los elementos e instalaciones disponibles, y adecuados márgenes y reserva de potencia reactiva en las unidades generadoras, para controlar que la magnitud de la tensión en régimen permanente en las barras del SM esté comprendida entre 0,94 y 1,06 por unidad. 8

9 Artículo 5-30 En Estado de Alerta, la Empresa deberá controlar que la magnitud de la tensión en régimen permanente en las barras del SM esté comprendida entre 0,92 y 1,08 por unidad. En cuanto a las condiciones en estado normal de operación, se debe cumplir con lo establecido en el Artículo Artículo 5-36 En Estado de Alerta, las Contingencias Simples de severidad creciente que deberán ser consideradas y superadas, alcanzando al final del transitorio de falla el cumplimiento de los estándares definidos en el Artículo 5-30 de la presente NT, serán las siguientes: a) Severidad 1, b) Severidad 2, c) Severidad 3, y d) Severidad 4. La definición de las severidades de las contingencias a las que se refiere el Artículo 5-36 son las siguientes: Severidad 1: Cortocircuito monofásico sin impedancia de falla aplicado sobre uno de los circuitos de las líneas de transmisión de doble circuito o sobre una línea de simple circuito con o sin Redundancia de Vínculo, seguido de la desconexión en tiempo normal del circuito fallado por acción de la protección primaria, admitiendo la actuación limitada del EDAC y/o EDAG. Severidad 2: Cortocircuito bifásico a tierra sin impedancia de falla aplicado sobre uno de los circuitos de las líneas de transmisión de doble circuito o sobre una línea de simple circuito con Redundancia de Vínculo, seguido de la desconexión en tiempo normal del circuito fallado por acción de la protección primaria, admitiendo la actuación limitada del EDAC y/o EDAG. Severidad 3: Cortocircuito bifásico a tierra sin impedancia de falla aplicado sobre líneas de transmisión de simple circuito, sin Redundancia de Vínculo, seguido de la desconexión de la línea en tiempo normal por acción de la protección primaria, admitiendo la actuación del EDAC y/o EDAG requerido para balancear la potencia y estabilizar la frecuencia en cada uno de los SSMM. Severidad 4: Desconexión intempestiva de la unidad generadora de mayor tamaño admitiendo desconexión automática limitada de carga, y/o pérdida del mayor módulo de carga admitiendo la actuación limitada del EDAG. 9

10 3 Restricciones del Sistema de Transmisión A continuación se presentarán los resultados de los límites de transmisión del sistema, tomando en consideración la capacidad térmica, la regulación de tensión, la estabilidad del sistema, y las contingencias a las que el sistema se podría enfrentar. 3.1 Límites por Capacidad Térmica En esta sección se entregan las capacidades máximas de transferencia para las instalaciones de transmisión de los Sistemas Mediano de EDELMAG. Tal como ya se ha indicado, este estudio sólo será realizado para el Sistema Mediano de Punta Arenas. La capacidad térmica de los elementos serie estudiados, corresponde a un parámetro definido por las características físicas de estos, y la magnitud a la cual pueden ser explotados sin observarse deterioro de las propiedades inherentes de sus materiales constituyentes, y por ende, reducción de su vida útil. Las capacidades térmicas para los conductores de las líneas de 23 y 66 kv del Sistema Mediano de Punta Arenas, determinadas para una temperatura ambiente de 20 C, temperatura del conductor de 75ºC, en condición con sol, se presentan en la Tabla 3-1. Tabla 3-1 Límites por capacidad térmica para los conductores de las líneas del Sistema Mediano de Punta Arenas Línea Tensión [kv] Conductor Longitud [km] Límite Térmico [A] Tres Puentes - Punta Arenas 66 kv 66 Cu #3/0 AWG 8,15 335,7 Tres Puentes - Punta Arenas 23 kv 23 Cu #3/0 AWG 8,75 335,7 Así, la línea de 66 kv tiene una capacidad máxima de 38,37 MVA, y la línea de 23 kv, 13,37 MVA. En el caso de los transformadores, el límite térmico para operación en régimen permanente corresponde a su capacidad nominal sin sobrecarga, valores que se muestran en la Tabla 3-2. Tabla 3-2 Límites por capacidad térmica para los transformadores del Sistema Mediano de Punta Arenas Potencia Corriente Corriente Tensión Transformador Nominal nominal BT nominal AT [kv] [MVA] [A] [A] Transformador Línea 66 kv - Punta Arenas 33 69/13, Transformador Línea 66 kv - Tres Puentes 33 69/ Transformador Línea 23 kv - Punta Arenas 10/12* 23/13, Transformador Línea 23 kv - Tres Puentes 10/12* 23/11, Transformador 11,5 a 13,2 kv - Tres Puentes 20 13,8/ *Nota: La potencia nominal corresponde a ONAN/ONAF, y la corriente nominal se calcula para la potencia ONAN. En el caso de los interruptores, el límite térmico para operación en régimen permanente corresponde a su capacidad nominal sin sobrecarga, y para los transformadores de 10

11 corriente (TC) asociados, con una sobrecarga del 20%, valores que se muestran en la Tabla 3-3. Tabla 3-3 Límites por capacidad térmica para los interruptores y transformadores de corriente asociados del Sistema Mediano de Punta Arenas Interruptor Transformador de Corriente TAG Límite de corriente [A] Tensión nominal [kv] Límite de corriente [A] 52CT CT CT BT , BT , B , BT , BT , DT , DT , DT DT De esta manera, considerando la totalidad de los elementos serie de la línea de 66 kv (los conductores, los transformadores, los interruptores y sus transformadores de corriente asociados), se tiene que el límite de capacidad térmica total es de 33 MVA. Asimismo, la línea de 23 kv tiene una capacidad térmica total de 10 MVA, la cual queda limitada por los transformadores. Es importante notar que la línea de 66 kv tiene la posibilidad de operar con sus dos transformadores de CPA en paralelo. Sin embargo, en CTP esta modalidad no se encuentra habilitada, por lo que la capacidad total de la línea queda limitada a 33 MVA. 3.2 Límites por Regulación de Tensión El límite por regulación de tensión aplica a la líneas y corresponde a aquella máxima transferencia que se pueda tener debido a la carga conectada en uno de los extremos de la línea de transmisión tal que se logre la menor tensión en este extremo sin sobrepasar su mínimo normativo y teniendo en el extremo opuesto (donde se encuentra la generación), la tensión máxima normativa. De esta forma, el análisis descrito en el párrafo anterior se realizó sólo para la línea de 66 kv ubicada en el Sistema Mediano de Punta Arenas. Así, se fijó la tensión de CTP en 1,06 pu, y se aumentó la carga en CPA, con tal de alcanzar la tensión mínima normativa en CPA, o bien el límite de capacidad térmica de alguno de los elementos serie de la línea de 66 kv. Los resultados del análisis de límites por regulación de tensión, entregan que la máxima carga que se puede tener en CPA corresponde a 27,7 MW, con factor de potencia 0,96 inductivo, lo cual se encuentra al límite de capacidad del transformador 11,5/ 66 kv ubicado en CTP. Sin embargo, si bien esta demanda provoca restricciones de transmisión por causa del transformador de la línea de 66 kv ya mencionado, la tensión en CPA se 11

12 encuentra dentro de los rangos normativos, específicamente en 13,52 kv (1,02 pu). Esto último se debe a que el transformador de 66/13,2 kv ubicado en CPA posee cambiador automático de tap bajo carga, cuyo consigna de tensión es 13,5 kv. Adicionalmente, se obtuvo la curva PV para la línea de 66 kv que une CTP y CPA para una tensión de 1,03 pu en CTP, que se puede observar en la Figura 3-1, donde en rojo se muestra la tensión en CTP, mientras que en verde, la tensión en CPA DIgSILENT [p.u.] x-axis: PV Curves: Total Load of selected loads C.T.P.\Celdas 11.5 RHONA: Voltage, Magnitude Celdas G.E kv: Voltage, Magnitude Figura 3-1: Curva PV línea 66 kv entre CTP (rojo), y CPA (verde) En la Figura 3-1 se puede apreciar que la tensión en CPA se conserva dentro de los límites normativos, gracias a la actuación del CTBC 1. Por otro lado, si bien la máxima carga que puede haber en CPA, sin que se sobrecarguen los elementos serie de la línea de 66 kv, es 27,7 MW, con factor de potencia 0,96 inductivo, se tiene que el CTBC aún puede actuar hasta un nivel de demanda de 30,77 MW en CPA (con el mismo factor de potencia), donde alcanza su máximo nivel de actuación, por lo que la tensión de esta barra disminuye a medida que aumenta la potencia. Como resultado de la curva PV, el punto de colapso de tensión ocurre para una transferencia del orden de 38 MW. 1 Cambiador de Tap Bajo Carga 12

13 3.3 Límites por Contingencias La operación del Sistema Mediano de Punta Arenas, involucra el funcionamiento de las unidades de la Central Tres Puentes para abastecer la demanda completa, utilizando únicamente las unidades de la Central Punta Arenas para los Planes de Emergencia. Debido a que la línea de 66 kv que interconecta CTP con CPA es de simple circuito, y se opera como único medio de transferencia de potencia entre ambas centrales, las contingencias de severidades 1, 2, y 3 (que involucran la salida de la línea de transmisión), no producen sobrecargas sobre las instalaciones de transmisión, y por ende no son factor influyente para los límites de capacidad de transferencia estudiados en el presente estudio. Dicho de otro modo, las contingencias de severidad 1, 2, y 3 implican una desconexión de carga, correspondiente a aquella de CPA, junto con la salida de la línea de 66 kv que interconecta CTP con CPA, y por ende no produciendo sobrecargas en ésta. A su vez, tampoco se producen sobrecargas en la línea de 23 kv, debido a que la utilización de esta es sólo durante los Planes de Emergencia. Asimismo, tampoco se sobrecarga el transformador entre las barras de 11,5 kv y 13,2 kv de CTP, ya que la demanda de esta central no aumenta, debido a las contingencias evaluadas. Una contingencia de severidad 4 implica la desconexión de la mayor unidad generadora del sistema, que se encuentra en CTP. De esta manera, una contingencia de severidad 4, implicaría reducciones de generación que en el peor caso provocarían desconexiones de carga en CTP y CPA, reduciendo la carga de las instalaciones de transmisión, particularmente de la línea de 66 kv, junto con sus transformadores asociados, y del transformador entre las barras de 11,5 kv y 13,2 kv de CTP. Es así como las sobrecargas de las instalaciones de transmisión, líneas de 23 kv y 66 kv, junto con sus transformadores asociados en CTP y CPA, y el transformador entre las barras de 11,5 kv y 13,2 kv de CTP, producto de contingencias de severidades 1, 2, 3, y 4, no son existentes. 13

14 4 Conclusiones De los cuatro Sistemas Medianos de EDELMAG, sólo en Punta Arenas se tienen instalaciones de transmisión, por lo que el presente estudio se realiza sólo para este sistema. Las instalaciones de transmisión incluyen la línea de 66 kv entre CTP y CPA, junto con sus elementos en serie, tales como los transformadores ubicados en CTP y CPA, y los interruptores y transformadores de corriente. Además se tiene la línea de 23 kv, que a su vez involucra los mismos elementos mencionados anteriormente, asociados a ésta. El último elemento de las instalaciones de transmisión consideradas en este estudio corresponde al transformador de 11,5/13,2 kv de CTP. Así, se determinó que el límite de capacidad de la línea de 66 kv es de 33 MVA, que corresponde a la restricción dada por la capacidad térmica de los transformadores de ésta ubicados en CTP y CPA. Para la línea de 23 kv se tiene que el límite de capacidad corresponde a 10 MVA, que también se debe a la capacidad térmica de los transformadores asociados a ésta ubicados en CTP y CPA. Por último, para el transformador de 11,5/13,2 kv de CTP, el límite de capacidad es de 20 MVA. Finalmente es importante notar que las restricciones de las instalaciones de transmisión del Sistema Mediano de Punta Arenas se deben a las capacidades térmicas de sus equipos, y no se dan por límites de regulación y estabilidad de la tensión, o por contingencias que puedan ocurrir en el sistema. 14