ANÁLISIS DE LA PROBLEMÁTICA DEL RESTABLECIMIENTO DEL ENLACE MANTARO SOCABAYA 0kV Msc Susanibar Celedonio Delfin Genaro dsusanibar@rep.com.pe Red de Energía del Perú S.A. I.- RESUMEN El crecimiento sostenido de la demanda eléctrica de la zona sur del Sistema Interconectado Nacional (SEIN) y una oferta de generación local, que no ha tenido un crecimiento similar a la demanda, ha ocasionado un déficit de generación en la zona sur del SEIN. Como consecuencia, se importa energía eléctrica, del área centro norte del SEIN, a través del enlace Mantaro Socabaya 0kV. El flujo de potencia por el mencionado enlace ha ido en aumento y ha alcanzado valores cercanos a su capacidad de diseño. Si bien, el enlace Mantaro Socabaya 0kV fue diseñado inicialmente para 300MVA, fue ampliado para una capacidad de 505MVA en condiciones de operación n- ; el límite de la capacidad de transmisión ha sido fijado por el Comité de Operación Económica del Sistema (COES) hasta en 300MW[ref.] debido a problemas operativos del área sur del SEIN. Una desconexión del enlace Mantaro Socabaya 0kV puede ocasionar un colapso del sistema eléctrico del área sur del SEIN. El procedimiento de restablecimiento del servicio eléctrico en el área sur del SEIN inicia con el encendido de los generadores locales, los cuales se tienen que sincronizar hasta llegar al enlace Mantaro Socabaya y realizar la sincronización con el SEIN en 0kV. Los administradores anteriores del enlace Mantaro Socabaya 0kV prohibieron iniciar el restablecimiento desde el mencionado enlace, debido a sobretensiones permanentes al energizar los transformadores de potencia de Socabaya de 0/38/0.5kV; estas sobretensiones permanentes podrían alcanzar valores cercanos a p.u.[ref.] con consecuencias catastróficas para la subestación de Socabaya. En el presente artículo se analiza el origen de estas sobretensiones que prohíben la energización del transformador de Socabaya y se realizan simulaciones de posibles soluciones que pueden mitigar las sobretensiones permanentes. II.- INTRODUCCIÓN.- DESCRIPCIÓN BREVE DEL ENLACE MANTARO SOCABAYA 0kV. El enlace Mantaro Socabaya 0kV está conformado por dos tramos de líneas en doble terna, Mantaro Cotaruse (L-05 y L- 05) y Cotaruse Socabaya (L-053 y L- 054). El primer tramo de línea tiene una longitud de 96.6km y el segundo tramo tiene una longitud de 34.6km. Cada tramo de línea tiene un juego de transposición /6 /3 /3 /6 aproximadamente. El enlace Mantaro Socabaya 0kV tiene una compensación serie capacitiva del 65% de la reactancia de la línea para cada tramo. Toda la compensación serie capacitiva se ubica en la subestación Cotaruse 0kV. En dicha subestación se tiene instalado 6 reactores de 50Mvar para control de tensión, conectados de acuerdo a la figura. Figura.- Diagrama unifilar del enlace Mantaro Socabaya 0kV..- MODELAMIENTO DEL SISTEMA ELÉCTRICO. La impedancia equivalente en función de la frecuencia (s) en la barra de Socabaya 0kV se puede expresar como la siguiente factorización: ( s + w )( s + w 4 )...( s + w j ) ( s + w )( s + w )...( s + w ) Z(s) = K 3 j+... () Dónde: w,w 3 w j+ son las frecuencias angulares de los polos, w,w 4 w j son las frecuencias angulares de los ceros y K es una constante de escala. [ref.3],[ref.4]
La expresión () se puede expandir en fracciones parciales y llevarlo a un circuito sintetizable de Foster, que tiene el siguiente formato: Z ks k 3s (s) = +... () s + w s w + 3 Cada uno de estas fracciones parciales determina un circuito (tanque de Foster) en la que se ha despreciado la resistencia. Figura.- circuito LC Desarrollando el circuito LC, a través de la transformador de Laplace[ref.3], L y C están en paralelo y tiene la siguiente expresión: s C Z (s) =... (3) s + LC Comparando las ecuaciones () y (3) obtenemos las siguientes equivalencias: k C = ; L =... (4) k w De esta manera se tendrá un circuito LC para cada fracción parcial de (). Los valores de K se obtienen de la expresión () a partir de un valor de impedancia a una frecuencia estándar, que en este caso es a 60Hz. La figura muestra un circuito sin resistencia, sin embargo las lecturas de los barridos de frecuencia son finitas y deben considerar la resistencia. Cada circuito tanque de Foster tendrá la siguiente forma: Figura 3: Circuito RLC De la figura 3, el circuito RC y LR en cada circuito están en paralelo, desarrollando el circuito y utilizando las equivalencias de (4) se obtiene la siguiente expresión: k R - RZ(s) + = 0... (5) w Donde R es la resistencia en genérico para cada uno de los circuitos, Z(s) es la impedancia de un polo para la frecuencia angular w. De esta manera se obtiene un circuito equivalente dependiente de la frecuencia en barras de Socabaya 0kV para luego, iniciar los análisis de energización del transformador 0/38/0.5 kv. Sin embargo, para obtener la equivalencia se requiere que el sistema haya sido modelado en detalle para luego obtener la respuesta en frecuencia de la impedancia en la barra deseada. Por otro lado se puede utilizar un equivalente en la barra de Mantaro 0kV y modelar a detalle el enlace Mantaro Socabaya. Para ello se debe utilizar la información de la corriente de cortocircuito monofásico y trifásico sin incluir el aporte del enlace Mantaro Socabaya y obtener las impedancias equivalentes de secuencia positiva y cero. A partir de los cálculos de corriente de cortocircuito monofásico y trifásico, se tiene la siguiente expresión: VF 3VF VF Z = ; Z0 = -... (6) I3f If I3f Donde Z y Z0 son las impedancias de secuencia positiva y cero respectivamente, V F es la tensión fase tierra, I 3f y I f son las corrientes de cortocircuito trifásico y monofásico respectivamente. El modelo de la línea de transmisión deberá utilizar parámetros distribuidos dependientes de la frecuencia; al respecto existen programas como el ATP/EMTP y el PSCAD que pueden modelar la línea de transmisión. En el caso del PSCAD, utiliza un modelo dependiente de la frecuencia por fases, que tiene amplio desarrollo. La línea de transmisión se modela incluyendo cada uno de las transposiciones y una torre modelo con las 6 fases y cables de guarda, cada fase es de conductores. La compensación serie capacitiva y reactores shunt en Cotaruse 0kV se modela utilizando parámetros concentrados, esto incluye a los reactores de neutro de los reactores shunt. Los transformadores de potencia a energizar en la SE Socabaya es de 0/38/0.5 kv y tiene una capacidad de 50/50/30MVA, no posee tap en el lado de 0kV. El modelo necesariamente tiene que considerar la curva de saturación. Al respecto, de los protocolos de prueba, se cuenta con información de la
corriente de excitación para una tensión de alimentación del 90%, 00% y 0% de la tensión nominal. No se realiza pruebas para tensiones mayores ya que se consideran pruebas destructivas. Al respecto, es frecuente utilizar una pendiente de 0.45p.u; en el caso del programa PSCAD sugiere considerar al menos veces la impedancia del transformador.[ref.5] El pararrayos se modela como una impedancia variable a través de una relación tensión-corriente; los valores se obtienen del catálogo del fabricante. En el caso de la SE de Socabaya, los pararrayos tienen una tensión de referencia de 9kV. Uno de los parámetros importantes de los pararrayos es la capacidad de disipación de energía, el valor que se registra es de 5.6kJ/kV para dos impulsos de acuerdo a norma IEC 60099-4. [ref.6],[ref.7] 3.- CONSIDERACIONES INICIALES DE ANÁLISIS. Se ha tenido las siguientes consideraciones para el análisis: Validar el modelo del sistema equivalente en estado permanente, en este caso se utilizó el DigSilent con resultados satisfactorios. Se utilizó la corriente de cortocircuito trifásico y monofásico en la barra de Mantaro 0kV para el año 03 en condiciones de máxima demanda y período de avenida. Se modeló en detalle el enlace Mantaro Socabaya 0kV para un modelo con parámetros distribuidos dependiente de la frecuencia por fases; se obtuvo un desbalance menor al % de las tensiones de secuencia negativa respecto de la secuencia positiva. La energización del transformador de Socabaya se realiza para todas las condiciones topológicas del enlace Mantaro Socabaya. Se monitorea las señales de tensión, corriente y el consumo de energía de los pararrayos en la subestación Socabaya. La energización del transformador se realiza a lo largo de una onda con el propósito de determinar las condiciones críticas de operación. Se ha considerado modelar un flujo remanente en el transformador de potencia. III.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Se realizó simulaciones de energización del transformador de Socabaya sin considerar un flujo remanente en el núcleo del transformador y los resultados muestran que las sobretensiones se mitigan rápidamente y que el consumo de energía en los pararrayos está por debajo del 5% de su capacidad. Sin embargo, se debe precisar que la energización del transformador es posterior a un colapso del servicio eléctrico en el área sur del SEIN por lo que no es posible asegurar que el flujo remanente en el transformador sea nulo. Mediciones realizadas por Cigré[ref.8] encontró que en uno de los transformadores había un flujo remanente del 0.9p.u. Para los demás transformadores las mediciones estuvieron en un rango de 0.4p.u hasta 0.8p.u. Otras pruebas realizadas en transformadores arrojaron valores de hasta 0.8p.u. de flujo remanente en el núcleo. Para el caso de los transformadores de Socabaya se consideró un flujo remanente en el núcleo de hasta el 0.8p.u. Las simulaciones de energización realizadas con flujo remanente en el núcleo del transformador producen sobretensiones permanentes en la barra de Socabaya para todos los casos. En la figura A del anexo se muestra el resultado de la sobretensión permanente para el caso de un enlace en simple terna Mantaro Socabaya 0kV. En la mencionada simulación, se tiene puenteada la compensación serie capacitiva del lado Mantaro Cotaruse 0kV y tres reactores en Cotaruse para controlar la tensión en la barra de Socabaya. Las sobretensiones permanentes alcanzan en pocos segundos la capacidad de disipación de energía de los pararrayos. De todos los casos simulados, la topología con resultados menos severo fue la conexión de las cuatro ternas del enlace Mantaro Socabaya pero con la compensación serie capacitiva puenteada en el lado de Mantaro- Cotaruse y con los 6 reactores conectados en Cotaruse 0kV. Sin embargo para que sea posible la energización, se tendría que asegurar una tensión en la barra de Mantaro menor a 30kV. Esto último no es posible ya que otras partes del circuito dependen de que la tensión en Mantaro sea mayor a 30kV. 3
Por las razones expuestas, la energización del transformador de Socabaya desde el lado de 0kV está prohibida ya que hay riesgo de sobretensiones permanentes. Los interruptores de los transformadores de Socabaya 0/38/0.5kV tienen bloqueado la opción de energización por el lado de 0kV. El restablecimiento de la energía en el área sur del SEIN luego de un colapso, requiere encender casi todos los generadores locales hasta sincronizar con el área centro norte a través del enlace Mantaro - Socabaya. El procedimiento de restablecimiento registra tiempos mayores a hora, que puede ocasionar problemas sociales en el área sur del SEIN. IV.- PROPUESTA DE SOLUCIÓN Las propuestas de solución consisten en analizar un posible cambio de los interruptores de los transformadores de Socabaya en el lado de 0kV y son las siguientes: Uso de interruptores con mando sincronizado al cierre. Uso de interruptores con resistencia de preinserción..- INTERRUPTORES CON MANDO SINCRONIZADO. Los interruptores con mando sincronizado al cierre permite que el primer polo cierre en un punto de la onda y los otros polos cierren a la misma altura en las otras ondas, en la figura 4 se muestra una secuencia CBA de cierre para una frecuencia de 50Hz. Figura 4 Momento de cierre del interruptor [ref.9] El uso de un interruptor con mando sincronizado al cierre para energizar un transformador de potencia, busca minimizar la corriente de energización (Inrush), el momento óptimo de cierre es el pico de tensión tal como se muestra en la figura 4. Sin embargo, habrá complicaciones cuando se energice un transformador con un flujo remanente; en el caso que el flujo remanente esté en dirección opuesta al nuevo flujo, la corriente de energización será mínima, pero en el caso de estar en la misma dirección, la corriente de energización podría ampliarse. Para el caso del enlace Mantaro Socabaya 0kV se utilizó la topología de conexión con resultados de menor severidad, esto es: conexión en doble terna del enlace Mantaro Socabaya, compensación serie capacitiva puenteada en el lado de Mantaro Cotaruse y con los 6 reactores conectados en Cotaruse para controlar la tensión en la barra de Socabaya, la tensión en Mantaro es de 40kV. Se realizaron simulaciones de energización para diferentes combinaciones de flujo remanente en el núcleo del transformador. En la tabla se muestra los resultados para un tiempo neto de simulación de 0.5s. Tabla : Energización del transformador con interruptor de mando sincronizado. Run FR FS FT Corriente Energia Tension (p.u.) (p.u.) (p.u.) (IkA) (kj) (kv) 0.80 0.6-0.80 0.977 99.3 8.6 0.80 0.00-0.80 0.97 9.0 8. 3 0.80 0.64 0.00 0.80 89.4 8.8 4 0.64 0.48-0.6 0.80 89.4 8.8 5 0.48 0.3-0.3 0.80 89.4 8.8 90 0.3-0.80-0.80 0.757 3.9 78.4 9 0.80-0.3-0.3 0.756 3.9 78.4 9 0.64-0.48-0.48 0.757 3.9 78.4 38 0.00-0.3 0.6 0.9.0 90.8 39 0.3 0.00 0.48 0.9.0 90.8 330 0.48 0.6 0.64 0.9.0 90.8 33 0.64 0.3 0.80 0.9.0 90.8 La tabla muestra hasta 33 resultados de simulaciones (resumidos) donde para un tiempo de simulación de 0.5s, el consumo de energía del pararrayos ha alcanzado el 0% de su capacidad. El primer resultado (run ) se ha expandido para un tiempo de simulación de 5s; los resultados muestran que la sobretensión es permanente y que el consumo de energía en el pararrayos alcanza su capacidad máxima. En la figura A del anexo se muestra la simulación del caso propuesto. Los resultados muestran que no es factible utilizar un interruptor con mando sincronizado debido a que presenta riesgo de sobretensiones no amortiguadas aún para el caso menos severo. 4
.- INTERRUPTORES CON RESISTENCIA DE PREINSERCIÓN. Las resistencias de pre-inserción se utilizan para limitar sobretensiones en la red durante las operaciones de cierre. Las resistencias de pre-inserción se utilizan únicamente durante el cierre y consiste en bloques de resistencias que son conectados en paralelo con la cámara de interrupción. [ref.0] La mayoría de fabricantes señalan que el tiempo de permanencia de la resistencia de pre-inserción está en el rango de 8-ms. El valor de la resistencia está alrededor de 400ohm. Para los interruptores del transformador de potencia de Socabaya 0/38/0.5kV se consideró una resistencia de pre-inserción de 300ohm y un tiempo de permanencia de 8ms antes de los contactos principales. Se realizaron simulaciones de energización del transformador para diferentes niveles de flujo remanente, teniendo en cuenta la siguiente topología del enlace Mantaro Socabaya 0kV: conexión en doble terna del enlace Mantaro Socabaya, compensación serie capacitiva puenteada en el lado de Mantaro Cotaruse y con los 6 reactores conectados en Cotaruse para controlar la tensión en la barra de Socabaya, la tensión en Mantaro es de 40kV. Los resultados se muestran en la tabla. Tabla.-Energización del transformador, interruptor con resistencia de pre-inserción Run FR FS FT Corriente Energía Tensión (p.u.) (p.u.) (p.u.) (IkA) (kj) (kv) -0.80 0.80-0.6 0.73 9. 77. -0.80 0.80 0.00 0.7 9. 77.7 3-0.80 0.80-0.3 0.706 8.6 76. 4-0.6 0.80-0.80 0.46 8.5 78.0 5-0.64 0.80 0.00 0.70 8.5 77.3 90-0.48 0.00 0.64 0.638 5.8 74.4 9-0.64-0.6 0.48 0.638 5.8 74.4 9-0.80-0.3 0.3 0.639 5.8 74.4 38 0.3-0.3 0.48 0.56.7 93.9 39 0.6-0.48 0.3 0.57.7 93.9 330 0.00-0.64 0.6 0.57.7 93.9 33-0.6-0.80 0.00 0.57.7 93.9 La tabla muestra hasta 33 resultados de simulaciones (resumidos) donde para un tiempo de simulación de 0.5s, el consumo de energía del pararrayos ha alcanzado menos del % de su capacidad. El primer resultado más crítico (run ) se ha expandido para un tiempo de simulación de 5s; los resultados muestran que la sobretensión se amortigua rápidamente y que el consumo de energía en el pararrayos está por debajo del 5% de su capacidad nominal. En la figura A3 del anexo se muestra la simulación del caso propuesto. Se realizaron simulaciones de energización con 5 y 4 reactores conectados en Cotaruse 0kV y en todos los casos, la sobretensión se amortigua rápidamente, en el peor de los casos, el consumo de energía en el pararrayos está por debajo del 0% de su capacidad nominal. Sin embargo, no es recomendable tener conectado solo 4 reactores en Cotaruse ya que la tensión en el extremo de la línea, la barra de Socabaya, supera el.0 p.u. El transformador de Socabaya 0/38/0.5kV no tiene taps en el lado de 0kV y se debe evitar energizar con tensiones permanentes superiores a su valor nominal. Se revisó el caso de la energización del transformador de Socabaya considerando una simple terna del enlace Mantaro Socabaya 0kV con 3 reactores conectados en Cotaruse y con la compensación serie capacitiva puenteada en el lado de Mantaro Cotaruse 0kV, la tensión en Mantaro es de 40kV. Los resultados se muestran en la tabla 3. Tabla 3. Energización del transformador, interruptor con resistencia de pre-inserción, enlace en simple terna Mantaro - Cotaruse Run FA FB Corriente Energía Tensión Stime (s) (p.u.) (p.u.) (IkA) (kj) (kv) -0.80 0.00 0.405004 0.759 84.5 90.9-0.80 0.3 0.405004 0.793 84.3 9. 3-0.80 0.48 0.405004 0.80 79.5 9.3 4-0.80 0.6 0.405004 0.778 65.4 88.8 5-0.80 0.64 0.405004 0.808 64. 90.0 50-0.80 0.80 0.4047 0.656 36. 8.7 5-0.48 0.80 0.405004 0.776 35.9 86.5 5-0.80-0.48 0.405838 0.60 35.9 84.5 0-0.6 0.00 0.405838 0.53 6. 79.0 03-0.3 0.6 0.405004 0.63 6.0 83.4 38 0.48-0.64 0.405004 0.6..0 39 0.80 0.3 0.405004 0.094. 94.0 330 0.80 0.6 0.40834 0.63. 00.3 33 0.64 0.00 0.405004 0.74.. La tabla 3 muestra que en el peor de los casos, el consumo de energía en los pararrayos está por debajo del 0% de su capacidad para una simulación de 0.5s. Al extender la simulación a 3s para el caso más crítico (run ) se aprecia que la sobretensión se amortigua en los primeros segundos y que el consumo en el pararrayos es menor al 5% de su capacidad. Para esta misma 5
configuración, se simuló la energización con reactores en Cotaruse, los resultados muestran riesgo de sobretensión. La configuración de tres ternas (simple terna Mantaro Cotaruse y doble terna Cotaruse Socabaya o viceversa) y 5 reactores en Cotaruse, presenta riesgo de sobretensión no amortiguadas. Sin embargo, la conexión en simple terna Mantaro Cotaruse y doble terna Cotaruse Socabaya es la que presenta menor severidad para una conexión en tres ternas. V.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Se tienen las siguientes conclusiones: El flujo remanente en el núcleo de los transformadores de Socabaya puede ocasionar sobretensiones no amortiguadas durante la energización para todas las configuraciones de conexión del enlace Mantaro Socabaya 0kV. Con el interruptor existente para los transformadores de potencia de Socabaya no es posible energizar desde el lado de 0kV debido a que presenta riesgo de sobretensiones no amortiguadas. El uso de interruptores con mando sincronizado al cierre no elimina los riesgos de sobretensiones no amortiguadas durante las energizaciones del transformador en ninguno de las configuraciones de conexión del enlace Mantaro Socabaya 0kV. El uso de interruptores con resistencia de pre-inserción elimina los riesgos de sobretensiones no amortiguadas durante la energización del transformador para la configuración de conexión del enlace Mantaro Socabaya 0kV en doble terna y simple terna. Las otras configuraciones (tres ternas) presentan riesgos de sobretensiones no amortiguadas. Se tienen las siguientes recomendaciones: Se recomienda utilizar en los transformadores de potencia de Socabaya, en el lado de 0kV, un interruptor con resistencia de preinserción de 400ohmios y un tiempo de permanencia promedio de 0ms. Esto, para evitar sobretensiones sostenidas durante su energización. Energizar el transformador de Socabaya con una configuración del enlace Mantaro Socabaya 0kV en doble terna, con 6 reactores en Cotaruse y con la compensación serie capacitiva puenteada en el lado de Mantaro Cotaruse. Fijar la tensión en barra de Mantaro por debajo de 40kV. VI.- REFERENCIAS [] Resolución de la dirección ejecutiva del COES N 009-0 D/COES. [] Danielle Mc Nabb, Michel Granger, Que Bui Van, Michel Rousseaau y Mario Pilot. Transient Design Studies for the Transmantaro Serie Compensated Transmission System, TransEnergie [3] M. E. Van Valkenburg, Análisis de Redes, Universidad de Illinois, 999. [4] Isa, Procedimiento para la síntesis de un circuito del primer tipo de Foster y Cauer, Reuniones técnicas transitorias 009. [5] Power Systems Computer Aided Design (PSCAD), guía de usuario 005. [6] Volker Hinrichsen, Descargadores de Sobretensiones de Óxido Metálico, fundamentos, Siemens 003. [7] IEC 60099-4, Surge arrester Metal oxide surge arrester without gaps for a.c. systems. 006 [8] Nicola Chiesa, Power Transformer Modeling for Inrush Current Calculation, NTNU 00. [9] Daniel Rondón Almeida, Maniobras controladas de energización y desenergización de equipos inductivos y capacitivos. [0] Guía de comprador del Interruptor de Tanque Vivo ABB,Ludvica Suecia 005-09. [] Jonathan Woodworth, Understanding Temporary Overvoltage Behavior of Arresters, 0 [] Jonathan Woodworth, Overview of the Proposed IEC 60099-4 Energy Handling Tests, 0 6
ANEXO.- Energización del transformador de Socabaya con flujo remanente de hasta 0.8p.u.Enlace en simple terna Mantaro Cotaruse Socabaya 0kV, compensación serie capacitiva puenteada en el tramo Mantaro Cotaruse, 3 reactores conectados en Cotaruse, Tensión en Mantaro de 40kV. Figura A: Registro de sobretensión en la barra de Socabaya 0kV..- Energización del transformador de Socabaya con flujo remanente de hasta 0.8p.u.Enlace en doble terna Mantaro Cotaruse Socabaya 0kV, compensación serie capacitiva puenteada en el tramo Mantaro Cotaruse, 6 reactores conectados en Cotaruse, Tensión en Mantaro de 40kV, interruptor con mando sincronizado al cierre. Figura A: Registro de sobretensión en la barra de Socabaya 0kV con interruptor con mando sincronizado al cierre. 7
3.- Energización del transformador de Socabaya con flujo remanente de hasta 0.8p.u.Enlace en doble terna Mantaro Cotaruse Socabaya 0kV, compensación serie capacitiva puenteada en el tramo Mantaro Cotaruse, 6 reactores conectados en Cotaruse, Tensión en Mantaro de 40kV, interruptor con resistencia de pre-inserción. Figura A3: Registro de sobretensión en la barra de Socabaya 0kV con interruptor con resistencia de pre-inserción. 4.- Energización del transformador de Socabaya con flujo remanente de hasta 0.8p.u.Enlace en simple terna Mantaro Cotaruse Socabaya 0kV, compensación serie capacitiva puenteada en el tramo Mantaro Cotaruse, 3 reactores conectados en Cotaruse, Tensión en Mantaro de 40kV, interruptor con resistencia de pre-inserción. Figura A4: Registro de sobretensión en la barra de Socabaya 0kV con interruptor con resistencia de pre-inserción. 8