ESTUDIO DE SOBRETENSIONES ATMOSFÉRICAS EN PARQUES DE GENERACIÓN EÓLICA

Transcripción

1 ESTUDIO DE SOBRETENSIONES ATMOSFÉRICAS EN PARQUES DE GENERACIÓN EÓLICA Ing. Miguel Martínez Lozano, MSc, Dr. UNIVERSIDAD DE LA SALLE BAJIO, LEÓN, GTO Abril 2014

2 AGENDA: INTRODUCCIÓN JUSTIFICACION METODOLOGÍA CASO DE ESTUDIO RESULTADOS ANÁLISIS CONCLUSIONES

3 Crecimiento de la Potencia Instalada en el mundo, durante los últimos años. Fuente: Cuaderno de Aplicaciones Técnicas N 12. Plantas Eólicas. ABB.

4 La políticas energéticas actuales en México, indican desarrollo de fuentes renovables. Informe de CFE

5 Cuando el Tamaño sí importa Fuente: Cuaderno de Aplicaciones Técnicas N 12. Plantas Eólicas. ABB.

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7 Los aerogeneradores, poseen características que los hacen sensibles a ser impactados por rayos: Altura Localización Cantidad Entorno Equipos Internos Nivel de Aislamiento

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9 Algunas fotos Algún Reporte Fotográfico valida la ocurrencia de impactos

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11 Fuente: Norma Mexicana de Protección contra Rayos.

12 Fuente: Secretaría de Energía.

13 Fuente: Proyecto LIS - NASA

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15 Estadísticas De fallas. Según IEC (2005) Esta norma se actualizó en 2011 y eliminó las estadísticas de fallas y los puntos sensibles.

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17 PUNTOS CRÍTICOS: Los elementos Externos: Pala Gondola Torre Los elementos Internos: Lado de BT Lado de MT Control y Teleco Esfera Rodante

18 PUNTOS CRÍTICOS: Tecnológicamente Superado en la actualidad con la E.

19 El punto crítico se relaciona con las Zonas LPZ1 y LPZ2: GPR = Ir x Zpat Ir Zpat Backflow Surge: La S/T Ingresa al sistema desde tierra, como en el caso de los cables de Guarda en LT

20 GPR 2 GPR 1

21 Problema a Resolver: Minimizar las fallas y tiempos fuera de servicio de parques eólicos por culpa de rayos. El objetivo es desarrollar una metodología válida para las condiciones geográficas y atmosféricas tropicales, que permita evaluar los riesgos asociados al impacto de descargas atmosféricas en molinos de viento, tanto a nivel de infraestructura como de componentes y equipos involucrados. Objetivo General: Desarrollar una metodología, que permita simular y modelar el comportamiento individual de un aerogenerador, para determinar el riesgo de falla asociado a la actividad de rayos de la zona. De dicha metodología se obtendrán especificaciones de materiales y componentes que minimicen estos efectos.

22 ESTUDIO DE SOBRETENSIONES: Para poder conocer el efecto del fenómeno electromagnético del Rayo, sobre el AG, es necesario efectuar un estudio de Sobretensiones, empleando software especializado. Actividad Eléctrica en la zona (GFD) Cantidad de Impactos Esperados en el AG Metodología para el Estudio: Tipos de Impacto Modelo y Simulación del Fenómeno de Propagación Conocer el Valor de la I crítica del Rayo que causa problemas Determinar la probabilidad de Falla del AG y su Tasa de Retorno

23 Actividad Eléctrica en la zona (GFD) A partir de la información disponible de GFD (#rayos esperados /km 2 al año) En zonas de alta GFD y presencia de AG: de 7 10 rayos/km 2 -año

24 Cantidad de Impactos Esperados en el AG La IEC de 2011, considera que el área de atracción de un AG, es: Ae = π 3 H 2 En m 2 Siendo H, la altura máxima del AG, Hpala + Htorre El # de Rayos que pueden caer sobre el AG, #Impactos = Ae GFD Ej, si GFD = 5 rayos/km2-año Y Htotal = 100 m #Impactos = rayos al año

25 Tipos de Impacto En particular se estudiará solo impacto en PALA Eso debido a que según el EGM, solo 18% de impactos se pueden producir fuera y con corrientes inferiores a 10 ka (5% de probabilidad de ocurrencia)

26 G CIINDET 2014 Modelo y Simulación del Fenómeno de Propagación 690 V G Ccomp TVSS Continuidad de Tierras AG Circuito Eléctrico Gondola - Base 690V Booster TRX 34.5kV Celda de MT Hacia S/E TVSS MOV Base de la Torre Rpat Viene de otro AG (Cable 34.5 kv)

27 Modelo y Simulación del Fenómeno de Propagación CIINDET 2014 Programa ATP/EMTP

28 Modelo y Simulación del Fenómeno de Propagación Conocer el Valor de la I crítica del Rayo que causa problemas DATOS CRÍTICOS PARA LA SIMULACIÓN: Aislamiento del lado de BT (BIL): 2.5 kv Descargadoes de Sobretensiones (TVSS): 3.0 U [kv] I [ka]

29 Conocer el Valor de la I crítica del Rayo que causa problemas Forma de onda 8/20 ms 30 [ka] Ipico ,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 [ms] 0,12 (f ile Caso1-windmill.atp.pl4; x-v ar t) c:xx0001-pt10

30 Conocer el Valor de la I crítica del Rayo que causa problemas Se va elevando la Ipico, hasta que el aislamiento en algún equipo crítico: Generador,, Capacitor, TRX, etc, alcanza el BIL. Se hizo determinístico y con una sola forma de onda. 10 [kv] GPR base, TRX y Góndola (1 ka de Ipico) 10 [kv] Diferencia de voltaje F-T En el generador (1 ka de corriente) (Sin TVSS) [us] 60 (f ile Caso2-wm-sintv ss.atp.pl4; x-v ar t) v :NAC v :GRD v :GRD factors: ,1 offsets: 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E [us] 80 (f ile Caso2-wm-sintv ss.atp.pl4; x-v ar t) v :MOT10C-NAC factors: Con 1 1kA -1 Falla (Sin TVSS) offsets: 0,00E+00 0,00E+00

31 Conocer el Valor de la I crítica del Rayo que causa problemas 1500 [V] Diferencia de voltaje F-T En el generador (10 ka de corriente) (Con TVSS) A 10 ka no hay falla ,00 0,03 0,06 0,09 0,12 [ms] 0,15 (f ile Caso1-windmill.atp.pl4; x-v ar t) v :MOT10A-PT10 factors: offsets: 1-1 Estudio de sobretensiones 0,00E+00 atmosféricas 0,00E+00 en parques de generación eólica. Ing. Miguel Martínez Lozano.

32 Conocer el Valor de la I crítica del Rayo que causa problemas 2500 [V] 2000 Punto Crítico REAL: Energía de los TVSS (Comercialmente 2 kj) I lightning = 240 ka. TVSS Consumo de Energía= 8.4 kj ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 [ms] 0,30 (f ile Caso1-windmill.atp.pl4; x-v ar t) v :MOT10A-PT10 factors: offsets: 1-1 0,00E+00 I lightning = 87.8 ka. TVSS Consumo de Energía= 2 kj 3000 [V] Icrítica del rayo que causa daño ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 [ms] 0,30 (f ile Caso1-windmill.atp.pl4; x-v ar t) v :MOT10A-PT10 factors: 1-1 Estudio de sobretensiones atmosféricas en parques de offsets: generación eólica. 0,00E+00 Ing. Miguel 0,00E+00Martínez Lozano. -500

33 Conocer el Valor de la I crítica del Rayo que causa problemas La Corriente de un rayo, tiene una probabilidad acumulada (de ser excedida), según la siguiente expresión: P(I crítica ) 1 I 1 crítica

34 Determinar la probabilidad de Falla del AG y su Tasa de Retorno La Cantidad de Fallas esperadas en un AG por un rayo, se puede determinar: TF Ae GFD P( I ) crítica Es la cantidad de fallas esperadas en una unidad, en un año. Lo convencional es referenciarla a cada 100 unidades. Y la cantidad de años entre fallas, puede ser determinada: TR 1 TF Es conocida, como Tasa de Retorno y es manejada en S/E Eléctricas.

35 Ejemplo de Aplicación: El factor de solapamiento de Áreas se puede calculas por EGM y ronda 20-40%

36 Elementos Críticos para monitorear en el software de S/T: - Generador - Lado de BT del Transformador - Elevación del potencial del plano de tierra (GPR) - Energía consumida por los TVSS

37 Tensiones fase-tierra en los devanados del motor

38 Energía consumida por los TVSS que protegen al motor eléctrico.

39 Para el estudio en particular, se obtuvo: I crítica = 93 ka TR = (años entre falla) Los fabricantes actualmente están tomando estas consideraciones y se están originando cambios en la especificación de TVSS de 2 a 6 kj para reducir la TR considerablemente.

40 CONCLUSIONES: El estudio de S/T por descargas atmosféricas es importante en AG y otras fuentes renovables que ocupan grandes extensiones de terreno y son susceptibles a fenómenos atmosféricos. Un buen estudio, con una metodología adaptada a la realidad de la instalación, permitirá prever los problemas y mejorar las especificaciones de equipos, minimizando la TF Gracias a estos estudios y estadísticas, los fabricantes han estado mejorando sus productos para los mercados en zonas de altos GFD

41 Muchas Gracias! Contacto con el Profesor: Ing. Miguel Martínez

42 Muchas Gracias! CIINDET 2014