PETROELÉCTRICA DE LOS LLANOS LTDA EXPERIENCIAS Y ACCIONES ANTE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN A PARTIR DE UN SISTEMA DE INFORMACIÓN

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1 PETROELÉCTRICA DE LOS LLANOS LTDA COLOMBIA Identificación del trabajo: T2.4.-CO-Experiencias y acciones ante descargas atmosféricas en líneas de transmisión a partir de un sistema de información Bogotá, 8 de agosto de EXPERIENCIAS Y ACCIONES ANTE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN A PARTIR DE UN SISTEMA DE INFORMACIÓN JOHN ALEXANDER GÓMEZ SÁNCHEZ - PhD, Ingeniero Electricista PETROELÉCTRICA DE LOS LLANOS LTDA Ingeniero de Planificación O&M T2.4/233 HARBY DANIEL ARANGUREN FINO PhD, MSc, Ingeniero Electricista KERAUNOS Investigador MITCHELL ALEXANDER MORENO VARGAS Ingeniero Eléctrico PETROELÉCTRICA DE LOS LLANOS LTDA Ingeniero de Operación JAMER ARLEY GONZALEZ VASQUEZ MSc, Ingeniero Electricista KERAUNOS Investigador CARLOS ALBERTO ARANGO ARANGO Ingeniero Electricista PETROELÉCTRICA DE LOS LLANOS LTDA Gerente de Operaciones FERNANDO ASENJO ROSILLO Ingeniero Electrónico PETROELÉCTRICA DE LOS LLANOS LTDA Gerente General PALABRAS-CLAVE: Estadísticas rayos, Corriente permisible al rayo, confiabilidad, mantenimiento preventivo líneas, coordinación de aislamiento DATOS DE LA EMPRESA Dirección: Cra 9 No Piso 9 Código Postal: Teléfono: +57 (1) fasenjo@pel.com.co RESUMEN Con el fin de mejorar la confiabilidad del sistema de transmisión y reducir la indisponibilidad de activos, Petroeléctrica de los Llanos Ltda (PEL) desarrolló un sistema de gestión de información para las descargas atmosféricas mediante la herramienta Power BI. El objetivo de este sistema es brindar la información suficiente y necesaria para la toma de decisiones estratégicas en el mantenimiento preventivo y correctivo en todas las estructuras de la línea de transmisión. La solución planteada surge como una necesidad de la compañía para el manejo y análisis en forma amigable de una gran cantidad de información de descargas atmosféricas obtenida a través del sistema LINET (LIghtning detection NETwork). La información del sistema tiene la facilidad de poder consultarse a través de la intranet de la compañía, disminuyendo el tiempo de solicitud y análisis de información. El sistema implementado proporciona estadísticas de descargas atmosféricas cercanas a cada una de las estructuras (cantidad,

2 magnitud, promedio, hora), las correlaciona con la resistencia de puesta a tierra e impedancia de cada torre según EPRI (1982) y calcula la corriente permisible por torre. Mediante los reportes entregados el LINET y las correlaciones del sistema implementado, se permiten justificar inversiones en planes de mejora de sistemas de puesta a tierra e instalación de DPS los cuales han optimizado el nivel de disponibilidad de la línea de transmisión, reducido el tiempo de reacción en operaciones y mantenimiento ante eventos por descarga atmosférica, mejorando la confiabilidad del sistema de transmisión. INTRODUCCIÓN La principal exigencia de los clientes petroleros es disponer de un servicio eléctrico confiable hasta el nivel de pozo, una breve interrupción en el suministro eléctrico disminuye la producción, afecta el tratamiento de fluidos y otros procesos, siendo impactadas las principales variables dinámicas del yacimiento, la eficiencia en la recuperación de la producción de petróleo depende de la reducción de tiempos de parada (Durham y Brinner; 2015). Las interrupciones en el suministro de energía eléctrica de una línea de transmisión tienen como principal causa impactos directos de descargas atmosféricas; en algunos casos la intensidad de la corriente de rayo no provoca la salida de la línea. La acumulación de impactos de descargas atmosféricas induce a ruptura dieléctrica a partir de la degradación progresiva de cada aislador impactado (Mason et al., 2008). La protección contra descargas atmosféricas de la línea de transmisión de PEL se basó en las recomendaciones de la norma técnica colombiana NTC 4552 y en el estándar IEEE 1243 (1997). Durante el diseño se evidenció falta de información específica sobre magnitud de descargas atmosféricas y nivel isoceráunico en la mayor parte de las zonas contempladas para el proyecto. Consciente de esa realidad y de la existencia del LINET, emprendimiento desarrollado por la empresa Keraunos con soporte académico de la Universidad Nacional de Colombia, PEL incorporó a su operación en 2014 el monitoreo de descargas atmosféricas en tiempo real. La implementación ha permitido monitorear la evolución de las tormentas y disponer del tiempo necesario para alertar de manera temprana a todo el personal operativo asociado al sistema. Además, facilita la localización de las estructuras afectadas por las descargas atmosféricas reduciendo el costo asociado al tiempo de búsqueda, acelerando la reacción de cualquier mantenimiento correctivo requerido. La cantidad de información sobre descargas atmosféricas obtenida del LINET se ha venido incrementando notablemente al transcurrir el tiempo operación, esto ha ocasionado dificultades en el manejo y análisis estadístico de la información. En 2016 PEL planteó la necesidad de desarrollar de un sistema amigable basado en la herramienta Power BI con el objetivo de consolidar estadísticas por cada tramo y torre. La información recopilada ha sido empleada como elemento de soporte para tomar decisiones de inversión estratégica en el mejoramiento de la confiabilidad del sistema, siendo las principales acciones: instalación de DPS, optimización de puesta a tierra en zonas específicas de la línea de transmisión e implementación del recierre monopolar. 3. DESCRIPCIÓN SISTEMA PEL La línea de transmisión fue construida en doble circuito, 550 torres, dos cables por fase ACAR 650 MCM, puesta a tierra promedio de 20 Ohm y aisladores poliméricos con 1050 kv BIL. La longitud de la línea es 260 km con origen en la S/E Chivor (Boyacá), interconecta la región de los llanos orientales del Casanare y el Meta con el Sistema de Transmisión Nacional STN, los usuarios de PEL se encuentran conectados en las subestaciones Jagüey, Quifa y Rubiales. En el recorrido de la línea de transmisión se observan tres diferentes condiciones geográficas y climáticas así: en los primeros 22.5 km en Boyacá el relieve es montañoso y escarpado con una altura máxima de 1200 msnm; el segundo sector de 101 km, en el departamento de Casanare, presenta una topografía mayormente plana con estribaciones montañosas asociadas al piedemonte llanero, una altura promedio de 258 msnm; por último, un tercer sector llano de 2

3 124.1 km en el departamento del Meta, altura promedio de 205 msnm. La línea de transmisión fue dividida en 6 tramos con similar número de torres (tabla 1) para simplificar el análisis de la información. 4. SISTEMA LINET Tabla 1. Disposición tramos Torre Tramo inicio/final caracterización del rayo en Colombia (Torres, 1998; Aranguren et al., 2017). A partir de la identificación de las características fueron halladas diferencias del fenómeno del rayo respecto a otros países como Estados Unidos o países europeos en donde la afectación y severidad del rayo son inferiores a las presentadas en Colombia, medidas por medio del Nivel Ceráunico - NC y Densidad de Descargas a tierra - DDT (Orville y Silver, 2014; Christian et al., 2004). El seguimiento en tiempo real de las descargas atmosféricas sobre la línea de transmisión mediante LINET se realiza a través de una página web dispuesta por Keraunos a la cual se ingresa mediante un usuario asignado. El sistema Colombiano de localización de rayos - LINET (Lighting Location System LLS), está basado en la tecnología de sensores LINET presentada por Betz (Holler at al., 2009; Betz et al., 2009). La red está compuesta por 19 antenas de campo magnético (ver figura 1) que registran la información, total de rayos en todo el país. La red registra las coordenadas geográficas y altitud de todos los rayos junto con la magnitud de corriente, polaridad, fecha y hora con una precisión de milésimas de segundo. El proceso de detección se encuentra desarrollado a partir de la metodología del tiempo de arribo (Time Of Arrival - TOA), así como, una medición en 3D que permite determinar los rayos intra-nube (intra-cloud - IC) y nube-tierra (cloud-to-ground CG). Los sensores están instalados a lo largo de la topográfica nacional con altitudes entre 0 y msnm y distancia entre ellas de 120 y 280 km. Dependiendo del número de sensores, las líneas bases y los límites de detección, es posible detectar rayos con baja corriente (magnitudes entre 2 y 5 ka) con una eficiencia de detección superior al 90 % (Betz et al., 2004). El error de localización de la red LINET en Colombia, calculado a partir de la elipse de error estándar presenta un valor medio de km, un promedio de km y una desviación estándar de km (Aranguren et al., 2017). La red ha detectado más de 104 millones de rayos entre los años 2011 a 2017 permitiendo la Figura 1. Ubicación sensores red colombiana de detección de rayos. 5. SISTEMA DE INFORMACIÓN PEL ANTE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS La información reportada por el LINET es entregada al finalizar el día al centro de 3

4 Despacho de Carga PEL (DCP) indicando para una franja de un kilómetro a cada lado de la línea: fecha, hora, magnitud, coordenadas geográficas y tramo. Los datos recibidos son ingresados en un archivo Excel. Mediante el uso de fórmulas se procede a calcular, para cada descarga, la distancia entre la torre más cercana al impacto, de forma similar se verifica cuando la magnitud de la descarga excede la corriente permisible al rayo de la torre correspondiente para emitir las alertas al grupo de mantenimiento. La información actualizada en el sistema ayuda a desarrollar análisis posteriores a la ocurrencia de cualquier tipo de evento, el análisis permite determinar la descarga atmosférica causante de la falla, indicando la corriente de descarga y distancia a la estructura. Para determinar la máxima corriente permisible al rayo de cada torre se emplea la ley de Ohm; la variable voltaje corresponde al valor de nivel básico de aislamiento (kv BIL) de la cadena de aisladores instalados y la impedancia total resultante es el paralelo entre los datos de impedancia de torre y resistencia de puesta a tierra. Empleando el sistema desarrollado, se realiza el seguimiento de los registros históricos de descargas atmosféricas que han incidido e impactado algunas estructuras de la línea de transmisión pero que no han ocasionado eventos. Esta información orienta el mantenimiento preventivo hacia torres impactadas por descargas atmosféricas con baja intensidad de corriente y en la visita a cada torre, verificar si existe degradación de los aisladores poliméricos que la componen. El reporte de descargas atmosféricas implementado se divide en cuatro secciones, cada una de ellas tiene curvas que corresponden a los registros históricos. Todas las gráficas permiten visualizarse en pantalla completa presionando la opción de modo de enfoque ubicada en el extremo superior derecho de cada una. Sección 1: Características e historial descargas atmosféricas La primera sección muestra un mapa interactivo del trazado de la línea por tramos, y seis curvas así: Cantidad de descargas por torre. Máxima corriente de descarga. Resistencia de puesta a tierra por torre. Perfil de la línea. Promedio de corriente de descarga. El sistema permite filtrar los datos por tramo, actualizándose automáticamente las curvas que corresponden a cada uno. También, determina la totalidad de descargas atmosféricas registradas desde el inicio del monitoreo hasta la fecha. Sección 2: Datos estadísticos En esta sección se presentan los datos correspondientes a: Perfil horario de descarga por tramo. Rango de corriente de descarga por tramo. Histograma de descargas atmosféricas. Cantidad de descargas superiores a la corriente permisible por torre. Sección 3: Información de torres En esta se utiliza selector de número de torre para verificar la información referente a: Parámetros eléctricos. Rango de corriente de descargas. Cantidad de descargas anualizado. Mapa interactivo con la ubicación de la torre, descargas en el área de influencia de la torre aproximadamente 2 km x 1 km, descargas causantes de eventos. DPS instalados. Sección 4: Seguimiento semanal Se presenta un mapa interactivo que visualiza el perfil de máxima corriente permisible por estructura y las descargas que han sobrepasado el nivel de descarga de la torre. A continuación se describen las opciones que tiene cada sección para la visualización de la información histórica. 4

5 6. RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN En los registros desde junio de 2014 hasta julio de 2017, se encuentran descargas detectadas en la franja del primer kilómetro de línea de transmisión; de estas, 28 causaron la salida de uno o ambos circuitos. En la línea de transmisión el promedio de descargas por torres al año ha sido 6.7. Las zonas con mayor incidencia de descargas atmosféricas por torre se muestran en la tabla 2; entre las torres 60 y 69 se presentaron 409 descargas, siendo la mayor cantidad por torre acumulada desde 2014, esto indica que se presentan en promedio 13.9 descargas por torre al año. En contraste con lo anterior, se indica que la zona con menor incidencia histórica de descargas atmosféricas se encuentra comprendida entre las torres 307 y 316 con 78 descargas durante los últimos 3 años, es decir, se han presentado 2.6 descargas por torre al año. Tabla 2. Zonas con máximos y mínimos de descargas atmosféricas Torre Cantidad Tramo inicio/final /torre x año Como ejemplo de la versatilidad del sistema desarrollado, se muestran los datos correspondientes a la torre 60 (figura 2). De acuerdo con la información registrada, en esta torre se han presentado 78 descargas así: 5 en 2104, 39 en 2015, 13 en 2016 y 21 en El promedio de corriente de descarga es de 23.7 ka y máxima corriente de descarga ka, la estructura tiene un valor de puesta a tierra de 18.4 ohm y una altura de msnm. En resumen, se concluye que aun cuando el promedio de descargas en la línea es el mismo de los datos empleados para el diseño, existen sectores que prácticamente lo duplican. Figura 2. Sección 1. Características e historial sistema PEL. 5

6 La sección 2 posee una gráfica correspondiente a los registros de distribución horaria de las descargas atmosféricas; el 75.6% de ellas ocurren en horas de la tarde y noche (figura 3). Esto ha permitido establecer como protocolo de mantenimiento para la línea de transmisión que los trabajos se realicen entre las 06:00 y 13:00, reduciendo la probabilidad de ocurrencia de eventos durante el desarrollo de los trabajos. La siguiente grafica de la sección 2 es el histograma de descargas por mes, del cual se determinan dos temporadas al año con mayor incidencia de descargas atmosféricas, el primer periodo comienza en marzo y termina en mayo, mientras que el segundo comprende entre agosto y noviembre. En el histograma se puede apreciar que la duración del periodo de incidencia de descargas ha variado anualmente, es así como, para el año 2016 se presentó un incremento en la incidencia de descargas durante los meses de marzo, abril, agosto y noviembre, coincidiendo esto con el fenómeno de la niña de ese año. Además, se observa en la figura 3 el rango de corriente de descargas para cada tramo. De acuerdo con los datos registrados, el 94.8% de los rayos tienen una magnitud inferior a 45 ka. La mayor cantidad de descargas con magnitudes superiores a 45 ka se presentan en el tramo 1 con 130 descargas y el tramo 6 con 118, lo cual confirma la curva de distribución de descargas empleada en el diseño. No obstante, el sistema nos ha permitido focalizarnos en los sectores de mayor severidad de los impactos. La distribución de la corriente de descarga para la totalidad de la línea de transmisión se indica en la tabla 3. Tabla 3. Distribución de descargas atmosféricas por magnitud Rango de corriente (ka) Cantidad descargas < > Figura 3. Sección 2. Datos estadísticos sistema PEL. 6

7 En la figura 3 también se muestra la cantidad de veces que la corriente permisible al rayo ha sido superada por las descargas sobre la línea de trasmisión, esto permite definir las torres que han absorbido la mayor cantidad de energía por descarga. En el tramo 1 la torre 46 ha tenido en la franja del primer kilómetro 9 descargas que han superado la corriente permisible, mientras que, en el tramo 6 las torres 481 y 502 se han registrado 10 rayos con corriente de descarga superior a la permisible en cada una. En la sección 3 es posible seleccionar individualmente cada torre (figura 4), se indican los datos sobre los parámetros eléctricos, cantidad de rayos de acuerdo a los rangos de corriente, cantidad histórica de descargas atmosféricas, y un mapa interactivo donde se muestran la ubicación de la torre, de cada descarga, así como, los rayos que han producido la salida de la línea. En la descripción de los parámetros eléctricos se proporciona la información correspondiente a la impedancia de la torre, valor de puesta a tierra, corriente permisible, los DPS instalados y distancia entre aquellos más cercanos adelante y atrás. Adicionalmente, se indica cuantos eventos se han presentado en cada estructura debido a descargas atmosféricas. Figura 4. Sección 3. Información de torres sistema PEL. La sección 4 se desarrolló para darle información de utilidad de los últimos 7 días al grupo de mantenimiento, se indica la estadística de las descargas atmosféricas que incidieron sobre la franja de un kilómetro a cada lado de la línea de transmisión. Allí se indica en un mapa interactivo las descargas atmosféricas que sobrepasaron la corriente permisible al rayo en las estructuras, permitiendo orientar mantenimientos preventivos cada semana. 7. PLANES DE MEJORA IMPLEMENTADOS EN SISTEMA PEL La información de descargas atmosféricas recopilada desde el inicio de la operación en la línea de transmisión PEL ha sido empleada para implementar planes de mejora con el fin de incrementar su confiabilidad. Se ha logrado establecer que el nivel de descargas atmosféricas registrado en algunas zonas del trazado de la línea de transmisión 7

8 superó el establecido por el diseño inicial, debido a ello se implementó un plan piloto para la instalación de 70 DPS. La instalación de cada DPS se realizó en la fase superior de la torre pues de acuerdo los registros de eventos el 60% de las salidas de línea fueron ocasionadas por impactos en esta fase. Desde su instalación en octubre de 2016 hasta la fecha, han actuado un total de 27 veces, de las cuales en 9 ocasiones han superado la corriente de 50 ka, lográndose en 6 de ellas proteger al sistema de una salida. El sistema permite realizar el seguimiento de las mediciones de puesta a tierra y determina la criticidad de acuerdo con la densidad descargas y magnitud. Logrando así continuar con planes de mejoramiento de sistemas de puesta a tierra. Durante el año 2016 se realizaron 62 intervenciones en la torres con el fin de disminuir el valor de resistencia de puesta a tierra, alcanzando en promedio 17.3 ohm en todo el sistema. Los registros históricos de eventos con descargas atmosféricas muestran que alrededor del 90% de estas fallas son monofásicas, bajo esta condición se realizaron estudios para la implementación de recierre monopolar en la línea de transmisión. Para análisis más detallados del comportamiento en estado transitorio de la línea de transmisión se implementó un modelo en ATP Draw con toda la información de la línea de transmisión incluyendo las características de las descargas atmosféricas. Este modelo ayuda a desarrollar simulaciones de eventos con el fin de determinar mejoras en la respuesta dinámica de los sistemas de apantallamiento y puesta a tierra. Figura 5. Sección 4. Datos estadísticos sistema PEL CONCLUSIONES La implementación de un sistema de información sobre descargas atmosféricas es una herramienta de gran utilidad para el desarrollo de mantenimientos correctivos y preventivos. Reduce el tiempo para determinar los efectos de un rayo sobre las torres de transmisión, optimiza recursos de personal y económicos para los planes de mantenimiento a corto, mediano y largo plazo. Basado en la información histórica del sistema de información es posible implementar de manera efectiva los planes de mejora que buscan incrementar la confiabilidad de una línea de transmisión. 8

9 Sistemas de información como el implementado ayudan a ajustar adecuadamente la coordinación de aislamiento de cualquier línea de transmisión, orienta las inversiones para su optimización a partir de los registros históricos de las zonas con mayor criticidad en cantidad, intensidad de corriente y frecuencia de descargas atmosféricas, así como, determina con mayor precisión el nivel isoceraúnico de todo el trazado de la línea. El sistema implementado entre Keraunos y PEL puede servir tanto para los proyectos existentes como nuevos de otros operadores e instituciones del sector eléctrico. BIBLIOGRAFÍA Aranguren D., Inampues J., López J., Torres H., & Betz H. (2014). Overview of the cloud to ground lightning activity in Colombia. International Conference on Grounding and Earthing & 6th International Conference on Lightning Physics and Effects Manaus, Brazil, May, Aranguren D., Inampues J., López J., Torres H., Betz H. (2017). Cloud to ground lightning activity in Colombia and the influence of Topography. Journal of Atmospheric and Solar- Terrestrial Physics, vol. 154, pp Betz H. D., Schmidt K., Oettinger P. & Wirz M. (2004). Lightning detection with 3Ddiscrimination of intracloud and cloud-to-ground discharges. J. Geophys. Res. Lett. 31. Betz H. D., Schmidt K., Fuchs B., Oettinger W. P. & Holler H. (2009). Cloud lightning: Detection and utilization for total lightning measured in the VLF/LF regime, J. of Lightning Research 2, Christian H. J., Blakeslee R. J., Boccippio D. J., Boeck W. L., Buechler D. E., Driscoll K. T., others. (2003). Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 108(D1). Durham R. A. & Brinner T. R. (2015). Oilfield Electric Power Distribution. IEEE Transactions on Industry Applications, 51(4): EPRI (1982). Transmission Line Reference Book. 345 kv and above. General Electric. Palo Alto, USA Holler H., Betz H. D., Schmidt K., Calheiros R., May P., Houngninou E. & Scialom G. (2009). Lightning characteristics observed by a VLF/LF lightning detection network (LINET) in Brazil, Australia, Africa and Germany. Atmos. Chem. Phys. 9, Mason R., Wilson M. P., Judd M. D., Given M. J., & Fouracre R. A. (2008). Application of Partial Discharge Monitoring to Impulse Damaged Polymeric Insulation. International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Orville R. E., & Silver A. C. (1997). Lighting ground flash density in the contiguous United States: Monthly Weather Review, 125(4), Torres H. Variation of Lightning Parameter Magnitudes within Space and Time. 24th. ICLP, England,