III CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Marzo 2012 B5-103 Sistemas de Control Numérico y Protecciones para la Salida de Línea Generador Nº5 S/E Macagua a 115 kv de CORPOELEC J. Quijada* E. Piña* O.Arrollo* * Corpoelec RESUMEN La subestación Macagua a 115/13,8 KV constituida por un patio en 115 kv dispuesto en Doble Juego de Barras con Barras Seccionadas, cuenta con diez (10) salidas de líneas, tres (3) salidas de autotransformadores 400/115 kv y dos (2) salidas de transformadores 115/113,8 kv. Actualmente se esta ampliando la subestación con seis (6) salidas de línea generador, de las cuales la línea generador Nº 5 será la primera que entrará en servicio en el 2012. El sistema de control nuevo se integrará al sistema de control numérico existente, marca SIEMENS modelo SICAM SAS, se incorporarán las señales de línea generador Nº 5 para obtener las mediciones, señales de alarma, posición de equipos de maniobra y ejercer acciones de comando sobre interruptores y seccionadores en los diferentes niveles de control. Como parte del control se implementará el relé 25, para sincronización al cierre del interruptor línea generador en dos etapas. La primera etapa, de sincronización y estabilización del generador referente a la tensión, ángulo y frecuencia de salida de la máquina mediante la variación de los parámetros de tensión de la excitatriz y velocidad de giro hasta un valor próximo a los de la red de potencia eléctrica. La segunda etapa, de sincronización de generador con la red de potencia eléctrica mediante el monitoreo de las variables de frecuencia y ángulo de fase tanto de tensiones de generador como de la red para determinar el cierre del interruptor línea generador. Con respecto a las protecciones línea generador estarán conformadas por principal y secundaria más respaldo, la principal y secundaria incluyen relé de distancia (21) y relé de sobrecorriente direccional de neutro (67N); la protección de respaldo está constituida por relé de potencia inversa (32), pérdida de campo de excitación de generador (40), secuencia negativa (46) y sobretensión (59). Cada esquema de protección principal de línea generador estará conformado por un relé de protección de distancia, similar al existente en las salidas de línea marca SIEMENS, modelo 7SA5221 y relé supervisor del circuito de disparo marca SIEMENS, modelo 7PA3030-1. Las protecciones asociadas a las líneas de generador serán integradas al bus de proceso del sistema de control numérico. Asimismo, todas las protecciones de las seis líneas generador dispondrán de un puerto de conexión independiente que permita la integración a un bus de proceso basado en la norma Av. La Estancia Edf. General piso 3 Dpto. Ing. S/E, 0212 9501794 jquijada@corpoelec.gob.ve
IEC61850. Los equipos de teleprotección se conectarán a equipos terminales ópticos en la CAD s Nº 2 que poseen las tarjetas de interfaz necesarias para su conexión. Estos equipos ópticos poseerán a su vez interfases telefónicas e interfases necesarias para la conexión de los equipos registradores de falla y de control numérico. Se dispondrá de dos (2) equipos de teleprotección por cada salida de línea generador de ocho (8) códigos cada uno. PALABRAS CLAVE. Línea, generador, control numérico, protecciones, teleprotección, sincronismo, relé. I. INTRODUCCIÓN La subestación Macagua a 115/13,8 kv es una subestación no atendida y dispone de un sistema de control y protecciones del tipo numérico. El sistema se basa en un control distribuido, por su ubicación física, el cual se localiza en los tableros previstos para tal fin en las Casas de Adquisición de Datos. Todas las funciones de control (mando, enclavamientos, verificación de sincronismo, señalización, medición, alarmas y registro de eventos) tienen su origen o destino en dicho sistema. Actualmente se esta ampliando la subestación con seis (6) salidas de línea generador, en su primera etapa se energizará la salida de línea generador Nº 5 [1]. Ver figura 1. En el patio a 115 kv se encuentran ubicadas actualmente la Casa de Adquisición de Datos (CAD Nº2), las cuales albergan los tableros de repartición, tableros registradores de falla, tableros de medición, tableros de control, tableros de protección y teleprotección para cada salida asociada. En la CAD N 1 se encuentra ubicada una estación de Operación compuesta por un (01) computador en la cual se alojan las diferentes funciones que componen el (HMI) y que cumple la antigua función del mímico, permitiendo tener en todo momento una completa información del estado de la subestación, se puede visualizar la subestación desde el punto de vista de flujos de potencia, tensiones en barras, alarmas, mandos etc. De acuerdo con el diseño original de la subestación, en la CAD N 2 se encuentran disponibles los espacios para la ubicación de los tableros necesarios para la ampliación asociada a las tres (3) nuevas salidas de líneas Generador Nos. 4, 5 y 6. El Sistema de Control Numérico objeto de esta ampliación, deberá conectarse al Sistema de Control Numérico existente a los fines de garantizar el intercambio de información entre los niveles inferiores de mando ubicados en el patio y en las Casas de Adquisición de Datos y entre el Despacho de Carga. II. SISTEMAS DE CONTROL El equipamiento y la funcionalidad añadidos al sistema de control Numérico de la subestación existente no afecta su funcionalidad, comportamiento y confiabilidad. II.1. Descripción General. El sistema de control existente en la subestación es del tipo numérico y se basa en un sistema de control distribuido, suministrado durante la construcción del patio por la empresa Siemens S.A. Av. La Estancia Edf. General piso 3 Dpto. Ing. S/E, 0212 9501794 jquijada@corpoelec.gob.ve
Fig.1.DIAGRAMA UNIFILAR S/E MACAGUA 115 KV. modelo SICAM SAS, cuyo protocolo a nivel del bus de proceso es el protocolo PROFIBUS FMS y las unidades de control de celda son Marca SIEMENS, Modelo 6MD6631. Se ubica en los tableros previstos para tal fin en la Casa de Adquisición de Datos Nº2. Todas las funciones de control (mando, señalización, medición, alarmas y registro de eventos) tienen su origen o destino en dicho sistema [2]. II.2. Mando y Enclavamiento a. Todos los interruptores, seccionadores y cuchillas de puesta a tierra de 115 kv, tienen mando local en el propio equipo. b. Todos los interruptores y seccionadores de 115 kv tienen mando local desde la Casa de Adquisición de Datos y desde la Estación de Operación y Mantenimiento ubicada en la Casa de Adquisición de Datos No. 1 y telemando desde el Centro de Control (SCCE). Enclavamientos eléctricos. a. Un seccionador de salida solo podrá ser operado si está abierto el Interruptor asociado, abierta la cuchilla de aterramiento asociada. b. Un interruptor sólo puede ser aterrado si están abiertos los seccionadores asociados al mismo. c. Una salida sólo puede ser aterrada si no tiene tensión y si está abierto su seccionador asociado. f. Un interruptor no puede cerrar si alguno de los seccionadores asociados está en viaje, es decir, si no ha completado la maniobra. II.3. Sincronización a. Un sistema con su respectiva selección de tensiones dedicado para el sistema de protección. Los relés o módulos encargados de la verificación de sincronismo se ubican en los respectivos tableros de protección de líneas. b. Un sistema con su respectiva selección de tensiones dedicado al sistema control numérico, para el cierre de los interruptores. 3
c. La verificación de sincronismo se hace por interruptor para el patio a 115 kv, y actúa para cualquier condición de la red (Barra o Línea con o sin tensión). d. Los relés de verificación de sincronismo asociados a las salidas de línea generador dispondrán de un rango de ajuste acorde con los valores de desviación de frecuencia y ángulo permisibles para la sincronización de generadores. e. El sistema de sincronización adquirirá desde la Casa de Máquinas No.1 la información necesaria para la realización de la función, así como estará en capacidad de enviar la información correspondiente hasta la Casa de Máquinas No.1. En tal sentido, se suministrará, conexionará, montará y probará los equipos de comunicaciones en ambos extremos para la realización de esta función. Ver Figura 2 II.3.1. Sincronización al cierre interruptor línea generador: El proceso de sincronización al cierre de un interruptor línea generador puede darse de dos formas: Automática y Manual. a. Sincronización Automática: la sincronización automática consiste en un sistema de control a lazo cerrado por medio del cual las variables de tensión de generador, tensión de red, frecuencia de generador, frecuencia de red, ángulo de tensión de red y ángulo de tensión de generador son monitoreadas. Como resultado del monitoreo de las variables antes mencionadas el sistema de control ordena la variación de los parámetros de tensión de la excitatriz y velocidad de giro y se vuelven a verificar las variables, este proceso se repite hasta que la comparación de las variables del generador se estabilicen en unos valores cercanos a los de la red de potencia y luego se realiza un ajuste más fino comparando las variables del generador y de la red hasta que el relé 25 permita el cierre del interruptor. b. Sincronización Manual: la sincronización manual la realiza un operador al monitorear y controlar las variables y parámetros del generador para incorporarlo a la red de potencia. En la etapa de sincronización del generador con la red de potencia eléctrica, el operador observa el equipo sincronoscopio para determinar el mejor momento para realizar el cierre del interruptor siempre y cuando el relé 25 permita el cierre del interruptor. II.4. Indicación y Teleindicación de Posición. En la pantalla o monitor se despliegan las posiciones de los equipos y se indica según la posición de los conmutadores LOCAL/REMOTO, el lugar desde el cual se realiza el mando de los equipos, la posición (abierto, cerrado o en viaje). Toda la indicación concentrada en los tableros de control de las Casas de Adquisición de Datos se envía por fibra óptica hasta la Estación de Operación y Mantenimiento de la subestación ubicada en la Casa de Adquisición de Datos No. 1 y hasta la Casa de Máquinas No. 1, por los enlaces en OPGW entre la subestación y la Sala de máquinas No.1, incluye la indicación de posición de los interruptores, seccionadores y cuchillas de puesta a tierra a 115 kv. Ver figura 2. La teleindicación se realiza a través del Gateway ubicado en el tablero SESSE del Sistema de Control Numérico en los centros de control indicados. II.5. Medición y Telemedición En las pantallas y monitores del sistema se despliegan los siguientes valores analógicos: + Corriente de fase (I A, IB, IC,), + Tensión de fase (VA, VB, VC) y para las barras sólo VB + Tensión de línea (VAB, VBC, VCA), + Potencia activa (P) y reactiva (Q). Los valores de tensión y corriente son seleccionables. Todas las mediciones de energía activa y reactiva de las salidas de línea generador, se cablean hasta los tableros de contadores de energía ubicados en las Casas de Adquisición de Datos. Esta 4
Fig.2. Sistema de Sincronización de Unidad Principios de Funcionamiento. información se lleva hasta un equipo concentrador ubicado en la Casa de Adquisición de Datos No. 1, desde el cual CORPOELEC la toma para su envío a su sistema automatizado de medición de Energía. II.6. Sistemas de Control Numérico El Sistema de Control Numérico existente está compuesto por los siguientes subsistemas: Subsistema de Entradas y Salidas del patio 115 kv (SESP), el cual está ubicado en las CAD`s. Subsistema de Entradas y Salidas de Servicios Auxiliares y Alarmas Generales (SESSA), el cual está en la Casa de S. A. para la operación de los servicios auxiliares y alarmas generales. Subsistema de Entradas y Salidas de la subestación (SESSE), el cual está en la Casa de Adquisición de Datos No. 1, contiene los equipos para las comunicaciones y para el intercambio de información entre los (SESSA), con el Subsistema de la Interfaz Hombre-Máquina (HMI) y el Subsistema de Interfaz con el Centro de Control (SCCE) y la Casa de Máquinas No. 1. Subsistema (HMI), está ubicado en la Estación de Operación y Mantenimiento, despliega en dicha casa, las informaciones adquiridas y procesadas por los (SESSE). Subsistema de Interfaz (Gateway) con los equipos de comunicaciones, el cual está ubicado en la Casa de Adquisición de Datos No. 1, permite el intercambio de las informaciones adquiridas y procesadas por los (SESSE) y la Casa de Máquinas No. 1 y el Centro de Control (SCCE). En el frente de los tableros del Sistema de Adquisición de Datos del control numérico existe una pantalla o monitor que permite el control desde las CAD`s (mando, indicación y medición). Todos los equipos ubicados en los tableros del Sistema de Control Numérico operan en 125 Vcc. Asimismo, están conectadas a los bancos de baterías a través de Mini Circuit Breaker (MCB). 5
III. SISTEMA DE PROTECCIONES A. Generalidades: 1. Como línea de generador se deberá entender aquella entre el transformador elevador de una unidad generadora y la celda correspondiente en el Patio de Distribución [4]. Ver Figura 2. 2. Las líneas de generadoras deberán estar protegidas por un equipo o terminal de protección principal, protección secundaria y protección de respaldo. Ver Figura 3. 3. Cada unidad generadora tendrá asociado, para fines de protección, un equipo de disparo transferido directo entre Casa de Máquinas y Patio de Distribución. El equipo constará de dos canales en cada dirección, los cuales deberán ser activados simultánea e independientemente para que produzcan orden de disparo en el extremo receptor. Fig.2.Diagrama Unifilar ampliado salida de línea generador Nº5. S/E Macagua a 115 kv III.1. Protección Principal línea generador. 1. El equipo de protección principal tiene un tiempo máximo de operación de 32 ms para todo tipo de fallas en la zona protegida. Los relés de la protección principal son del tipo numérico. 2. El equipo de protección principal esta formado por lo siguiente: - Una protección de distancia. - Una protección de sobrecorriente direccional de tierra. - Un (1) relé de disparo con reposición manual y un relé de disparo de alta velocidad. - Una (1) función de supervisor de las señales secundarias del transformador de tensión. 6
- La protección de distancia (21-1), es del tipo cuadrilatero-desplazado con actuación instantánea para todo tipo de fallas bifásicas o trifásicas aisladas que ocurran en la línea, transformador elevador, barras de baja tensión del generador, o cercanas a las barras del patio de distribución. - La protección de distancia (21-2), es del tipo cuadrilatero-desplazado con actuación instantánea para todo tipo de fallas bifásicas o trifásicas aisladas que ocurran en la línea, transformador elevador, barras de baja tensión del generador, o cercanas a las barras del patio de distribución. El relé 21-2 deberá energizar los relés de disparo a través de un relé temporizado (21T), totalmente estático, con un rango de ajuste de 0 a 0.1 segundo y un error máximo de +/- 1% del ajuste. - La protección direccional de sobrecorriente de tierra (67 N), con sus transformadores auxiliares de tensión, con polarización por tensión y con una sensibilidad igual o menor al 10% de su corriente nominal. - El relé de disparo con reposición manual (86) deberá bloquear el circuito de cierre de los interruptores de línea de generador correspondiente y el relé de disparo de alta velocidad (94) acelerará el disparo del interruptor ya que el (86) es un relé más lento. - Una función de supervisión de las señales secundarias del transformador de tensión asociado a la protección principal deberá producir alarma al detectar fallas de dichas señales y bloquear el relé de distancia 21-1. III.2. Protección Secundaria más Respaldo de generador. Cumple la misma función que la protección principal, y además con: - Una función de secuencia negativa. - Una función de potencia inversa. - Una función contra sobretensiones. - Una función de pérdida de campo. - Una rele de disparo con reposición manual. 1. La Protección de corriente de secuencia negativa (46L), deberá ser instantánea, para la detección de cualquier condición de desbalance en el sistema. Este relé deberá solo activar una alarma (no disparo) a través de un reloj temporizado, totalmente estático, con un rango de ajuste entre 1 y 5 segundos. 2. La protección de potencia inversa (32) deberá proteger al generador de sobretemperaturas producidas por motorización de la unidad. El relé 32 deberá tener una sensibilidad igual o menor al 2% de la potencial nominal del generador y deberá energizar los relés de disparo a través de un relé temporizado, totalmente estático, con un rango de ajuste entre 5 y 40 segundos. 3. La protección de sobretensión (59) deberá ser de tiempo inverso y se conectará entre dos fases secundarias del transformador de tensión. 4. Protección de perdida campo (40). En caso de que el generador pierda su excitación, trabaja como un generador de inducción, girando a una velocidad mayor que la síncrona, el generador sin excitación adquiere potencia reactiva en una gran cantidad que puede ser 2 a 4 veces y potencia nominal. Se utiliza un relé pérdida de campo del tipo circular (mho o de impedancia) [5]. 5. El relé de disparo con reposición manual (86) deberá bloquear el circuito de cierre de los interruptores de línea del generador correspondiente y el relé de disparo de alta velocidad (94) acelerará el disparo del interruptor ya que el (86) es un relé más lento. III.3. Tableros y Equipos de Protección, teleprotección y de Registro de Fallas. Alcance: Todos los equipos de protección, serán instalados y cableados internamente en sus tableros correspondientes. El suministro e instalación de estos tableros será en las Casas de Adquisición de Datos con el cableado externo, incluyendo el conexionado entre tableros. Los equipos de teleprotección se conectarán a equipos terminales ópticos en la Casa de Adquisición de Datos No. 2 que poseerá las tarjetas de interfaz necesarias para su conexión. Estos 7
equipos terminales ópticos poseerán a su vez interfaces telefónicas e interfaces necesarias para la conexión de los equipos registradores de falla y de Control numérico. En la Casa de Adquisición de Datos No. 2 se dispone de un equipo oscilógrafo registrador para el análisis de fallas, para registrar la ocurrencia en el tiempo de maniobras y actuación de las protecciones. Se deberá realizar la ampliación de éste para la incorporación de las salidas de línea generador asociadas la Casa de Adquisición de Datos No. 2. Los registradores de falla deberá integrarse al sistema existente Marca Siemens modelo SIMEAS R, de manera tal que la Unidad Maestra requerida sea la existente. + Tablero de teleprotección: - Dos (2) equipos de teleprotección por cada salida línea generador de ocho (8) códigos cada uno. Casa de Adquisición de Datos No 2:- Un (1) tablero tipo PLG y uno (1) tele protección para la salida de línea generador No. 5. - Incorporación de las unidades de registro de fallas al tablero tipo RF existente. Casa de Máquinas No.1: - Un (1) tablero tele protección para la salida de línea generador No. 5 III.4. Equipos terminales ópticos, tableros, accesorios y cables no metálicos de fibra óptica Un (1) tablero de distribución de fibra óptica tipo ODF ubicado en cada Casa de Adquisición de Datos (CAD No.2) que recogen las fibras provenientes de los tableros de teleprotección y de los tableros de telesincronización y un (1) tablero a ubicar en la Casa de Máquinas No.1 asociado a la correspondiente Casa de Adquisición de Datos. IV. CONCLUSIONES En las plantas de generación los sincronoscopios son instalados para permitir el cierre manual de los interruptores. Adicionalmente, los relés de verificación de sincronismo pueden ser usados para supervisar el cierre de los interruptores y prevenir a un operador de iniciar un cierre indebido. Las plantas de generación y subestaciones como Macagua a 115/13,8 kv con nuevas tecnologías de control numérico permiten el uso sincronizadores automáticos, los cuales envían pulsos a la excitatriz y al gobernador del generador para cambiar su voltaje y frecuencia. El sincronizador cerrará automáticamente al interruptor cuando las condiciones se encuentren dentro de los rangos permitidos, lo cual representa una ventaja con respecto a la sincronización manual. La evolución electrónica de los relés de protección y el uso de los relés numéricos hace que los sistemas de protección sean más confiables, seguros, precisos y selectivos, ya que ha aumentado de la sensibilidad de dichos relés, adicionalmente tienen mucho más funciones de protección, lo que redunda en menor cantidad relés, tableros y Casa de Adquisición de Datos mucho más pequeñas. El uso de la tecnología de fibra óptica en las comunicaciones reduce la interferencia electromagnética y el uso de grandes cantidades de cables de cobre por solo algunas fibras. BIBLIOGRAFÍA [1] Ingeniería Conceptual de las Obras de Transmisión Asociadas al Proyecto de Rehabilitación de la Casa de Maquinas I de Macagua ( CORPOELEC, Venezuela 2007) [2] Especificaciones Técnicas Particulares, Ampliación del Patio de la Subestación Macagua a 115/13,8 kv. (CORPOELEC, Venezuela 2008). [3] Especificaciones Técnicas Generales de Subestaciones ETGS/EEM-250 Sistemas de Control Numérico en Subestaciones. (CORPOELEC, Venezuela 2000). [4] Especificaciones Técnicas Generales de Subestaciones ETGS/EEM-200 Sistemas de Protección. (CORPOELEC, Venezuela 1991). [5] Protecciones eléctricas Notas de Clase, Gilberto Carrillo Caicedo. Universidad Industrial de Santander (Bucaramanga, octubre 2007). 8