Análisis de la capacidad de resistencia al corto circuito de las barras e interruptores en una planta concentradora de cobre para verificar la Operatividad del Sistema

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. TRABAJO DE SUFICIENCIA PROFESIONAL TITULADO: “ANÁLISIS DE LA CAPACIDAD DE RESISTENCIA AL CORTO CIRCUITO DE LAS BARRAS E INTERRUPTORES EN UNA PLANTA CONCENTRADORA DE COBRE PARA VERIFICAR LA OPERATIVIDAD DEL SISTEMA”. PRESENTADO POR: BACH. ROGER CHRISTIAN CANSAYA OLAZABAL. PARA OPTAR POR EL TITULO PROFESIONAL DE: INGENIERO ELECTRICISTA. AREQUIPA – PERÚ 2018.

(2) 1. DEDICATORIA. A mis padres: Por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos y correcciones, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien.. A mi familia: Por ser ejemplo de humildad y respeto a los demás, por sus valores y cariño.. 1.

(3) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 SECCION Nº1 13. CURRICULUM VITAE. 2.

(4) BACH. ROGER CHRISTIAN CANSAYA OLAZABAL Bachiller en Ingeniería Eléctrica rogercansayao@gmail.com Cel.: 971741021 _____________________________________________________________________________ RESUMEN Bachiller en Ingeniería Eléctrica, egresado de la Universidad Nacional de San Agustín, Técnico en Computación e Informática egresado del Instituto Honorio Delgado Espinoza, Con experiencia en el desarrollo de ingeniería eléctrica para distribución, instalaciones industriales, electrificación y control de proyectos. Amplia experiencia en manejo de sistemas, programas, aplicaciones. Programador en diversos lenguajes. Responsable proactivo, con capacidad para trabajar en equipo y bajo presión. Aspiraciones de desarrollo profesional en áreas de Ingeniería, mantenimiento, costos y presupuestos, investigación, liderazgo deseo de superación, facilidad de autoaprendizaje y sentido de observación.. EXPERIENCIA PROFESIONAL CELICON INGENIEROS S.A.C. Cargo: Ingeniero de Diseño Eléctrico o o. Enero 2018 – Mayo 2018. Estudios de Operatividad de Sistema Eléctrico Concentradora N°1 SMCV Estudios de Operatividad de Sistema Eléctrico Hidrometalurgia SMCV. CELICON INGENIEROS S.A.C. Cargo: Jefe de Oficina Técnica / Supervisor o o o o o o. Agosto 2017 – Diciembre 2017. Ingeniería de Detalle de reubicación de Trazo de Ruta – Buenaventura San Gabriel Ingeniería de detalle para construcción. Redlines, cambios de ingeniería propuesta. Metrados, adquisición, control y seguimiento de suministros. Control de Obra. Cierre de Proyecto. CELICON INGENIEROS S.A.C. Cargo: Jefe de Oficina Técnica / Supervisor o o o o o o. Marzo 2017 – Julio 2017. Ingeniería de Detalle de reubicación de Trazo de Ruta – Buenaventura Tambomayo Ingeniería de detalle para construcción. Redlines, cambios de ingeniería propuesta. Metrados, adquisición, control y seguimiento de suministros. Control de Obra. Cierre de Proyecto. CELICON INGENIEROS S.A.C. Cargo: Proyectista. Febrero 2017 – Marzo 2017. 3.

(5) o o o o. Ingeniería de Detalle Reubicación de Fibra Óptica y la Antena CV2-8, Línea en 480VAC y Fibra Óptica – CERRO VERDE Ingeniería de Detalle del Proyecto de Modificación de Tramo de línea 1030/A en 33Kv – ELECTROSUR - Socabaya Ingeniería de Detalle del Proyecto Modificación de Ruta de Línea en 22.9Kv “LA COLINA” - SEAL Majes Pedregal Ingeniería de Detalle del Proyecto Modificación de Ruta de Línea en 22.9Kv “EL EJE” - SEAL – Majes Pedregal. CELICON INGENIEROS S.A.C. Julio2016 – Diciembre 2016 Cargo: Jefe de Ingeniería / Asistente de Ingeniería  Ingeniería de Detalle para Línea de 10kV  Ingeniería de Detalle para Línea de 22.9kV CELICON INGENIEROS S.A.C. Cargo: Oficina Técnica / Asistente de Supervisor. Abril 2016 – Julio 2016.  Diseño, cadista y elaboración de planos para el montaje de bandejas y tendido de conductor en 35.5kV para sala eléctrica 33 en el nuevo campamento de relaves.  Metrados, Costos y Presupuestos.  Control de Obra CELICON INGENIEROS S.A.C. Febrero 2015 – Marzo 2016 Cargo: Asistente de Ingeniería / Jefe de Ingeniería / Supervisor    . Ingeniería de detalle para construcción. Redlines, cambios de ingeniería propuesta. Metrados, adquisición, control y seguimiento de suministros. Control de Obra. CELICON INGENIEROS S.A.C Cargo: Asistente de Ingeniería / Asistente de Supervisión.. Octubre 2014 – Enero 2015.  Ingeniería de detalle para construcción.  Metrados, adquisición, control y seguimiento de suministros. PROYECTOS DESARROLLADOS . ESTUDIOS DE OPERATIVIDAD DEL SISTEMA ELÉCTRICO CONCENTRADORA C1 E HIDROMETALURGIA Y ESTUDIO DE OPERATIVIDAD DEL SISTEMA ELECTRICO DE LA CONCENTRADORA C2– SMCV o Flujo de Potencia, Corto Circuito, Coordinación de protecciones y Arco Eléctrico Enero 2018 – Mayo 2018. . SISTEMA DE UTILIZACION EN MEDIA TENSION 22,9KV PARA EL SUMINISTRO DE ENERGIA ELECTRICA AL PROYECTO SAN GABRIEL – CIA BUENAVENTURA. CELICON INGENIEROS S.A.C. – CIA. BUENAVENTURA – U.M. SAN GABRIEL o Ingeniería de Detalle de reubicación de Trazo de Ruta y Construccion – Buenaventura San Gabriel Agosto 2017 – Diciembre 2017 4.

(6)  INSTALACIÓN DE LINEAS COMPLEMENTARIAS DE MEDIA TENSIÓN 10kV Y 22kV”, EN LA U.M TAMBOMAYO CIA BUENAVENTURA. CELICON INGENIEROS S.A.C. – CIA. BUENAVENTURA – U.M. TAMBOMAYO. o Derivaciones en MT complementarias de 3.5km aprox. Marzo 2017 – Julio 2017  PROYECTOS DE EJECUCION DIVERSOS. CELICON INGENIEROS S.A.C. ELECTROSUR: o Proyecto de Modificación de Tramo de línea 1030/A en 33Kv – Subestación Socabaya – Ingeniería de Detalle SEAL: o Proyecto de Modificación de Ruta de Línea en 22.9Kv “LA COLINA” en Majes – Pedregal – Ingeniería de Detalle. o Proyecto de Modificación de Ruta de Línea en 22.9Kv “EL EJE” en Majes – Pedregal – Ingeniería de Detalle. Febrero 2017 – Marzo 2017  PROYECTO: ELECTRICIDA (MEDIA Y BAJA TENSION), INSTRUMENTACION (CONTROL), PRECOMISIONADO (ELECTRICAL COMPILATION) DE LA PLANTA DE PROCESO – TAMBOMAYO CIA BUENAVENTURA. SANTO DOMINGO CONTRATISTAS GENERALES S.A.C. – CIA. BUENAVENTURA – U.M. TAMBOMAYO. o Ingeniería de Detalle de Línea de MT en 10Kv de 5.7Km o Ingeniería de Detalle de Línea de MT en 022.9Kv de 9Km Julio 2016 – Diciembre 2016  PROYECTO DE ALIMENTACION ELECTRICA CAMPAMENTO RELAVES – SALA 33 – CICLIONES PARA SMCV CELICON INGENIEROS S.A.C. – CERRO VERDE Abril 2016 – Julio 2016  PROYECTOS DESARROLLADOS EN SOCIEDAD MINERA CERRO VERDE o Proyecto Construction Power For Concentrator Plant And Wwtp Area o Task 7.1 y Task 7.2 o Subestaciones Permanentes – Control Room, Laboratorio y Facilidades Mina (Truck Shop) o Implementación del Sistema RAS – PMU’s o Misceláneas, CSI’s CELICON INGENIEROS S.A.C. – SOCIEDAD MINERA CERRO VERDE Febrero 2015– Mayo 2016  PROYECTO SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES - SISTEMA DE UTILIZACIÓN EN MEDIA TENSIÓN 10KV CELICON INGENIEROS S.A.C. – SOCIEDAD MINERA CERRO VERDE Octubre 2014 - Febrero 2015 EDUCACIÓN  Educación Superior: 2006 - 2014 Universidad: Universidad Nacional de San Agustín Facultad: Producción y Servicios Especialidad: Ing. Eléctrica. 5.

(7)  Educación Superior: 2006 - 2008 Instituto: Honorio Delgado Espinoza Carrera: Computación e Informática Especialidad: Técnico en Computación e Informática  Educación Secundaria: 1994 - 2005 Colegio: Jorge Basadre Grohmann Departamento: Arequipa Provincia: Arequipa. CURSOS  Diplomado: Instrumentación, Automatización y Control de Procesos Instituto: TECSUP Agosto 2015 – Julio 2016  EFECTIVIDAD EN LA GESTION DE COSTOS Y PRESUPUESTOS MBS Consulting SAC Mayo 2016  Workshop de Pruebas en Transformadores y Relés de Protección TECSUP – ISA Marzo 2016  Sistemas Integrados De Gestión ISO 9001, ISO 14001, OSHAS 18001, Sa8000 TECSUP Mayo 2015  DIREDCAD 2014: ABS Ingenieros Mayo 2014  DLTCAD 2014 ABS Ingenieros Mayo 2014  SUBESTACIONES ELÉCTRICAS TECSUP Febrero 2014- Marzo 2014  MSPROJECT SENSICO Abril 2013 - Mayo 2013  COSTOS Y PRESUPUESTOS (S10) SENSICO Marzo 2013 - Abril 2013  AUTOCAD INFOUNSA 6.

(8) Diciembre 2006  MATLAB INFOUNSA Noviembre 2006 REFERENCIAS  Ing. Harry Carrasco Gerente - CELICON INGENIEROS S.A.C Email: celicongerencia@gmail.com Celular: 959697052 IDIOMAS  Español:  Inglés:  Portugués. Nativo Intermedio Básico. 7.

(9) 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 SECCION Nº2 27 DESCRIPCIÓN DE EMPRESAS. 8.

(10) INTRODUCCIÓN CELICON INGENIEROS S.A.C. es una empresa de capitales arequipeños, con operaciones en el sur del país, que ha logrado integrar en su staff de profesionales, la experiencia de un equipo de dirección especializado junto al empuje y conocimientos técnicos de un grupo de ingenieros jóvenes. Con sus 15 años de experiencia en el mercado eléctrico, se ha constituido como una empresa sólida y de calidad del sector electromecánico y ramas afines. MISIÓN Nuestros servicios deberán considerar capacidad profesional en los sectores de: Construcción y mantenimiento electromecánico, automatización, obras civiles complementarias, desarrollo de proyectos y supervisión de obras electromecánicas. Nuestros servicios se afianzan en la actual orientación de la ingeniería hacia el logro de la calidad y competitividad; asimismo, buscar el liderazgo y permanencia como empresa comprometida con el desarrollo sostenible del país. VISIÓN CELICON Ingenieros S.A.C. debe constituirse en una empresa líder brindando servicios integrales en el sector de la ingeniería eléctrica y ramas afines, aplicando procedimientos de calidad, seguridad, rentabilidad y criterios de responsabilidad social, contribuyendo de manera sostenible, con el desarrollo del país. OPERACIÓN  Ingeniería  Diseño de Ingeniería básica, de Detalle y Complementaria.  Realización de Estudios: Flujo de potencia, Coordinación de Protección y Aislamiento, Operatividad de Sistemas Eléctricos, Resistividad de Suelos.  Proyectos EPC  Líneas de Transmisión y Distribución de Energía.  Proyectos integrales de Sistemas de Potencia y Líneas de Transmisión y Distribución.  Montaje de Salas Eléctricas  Obras Civiles Complementarias  Instalaciones Eléctricas Industriales y Mineras. 9.

(11)  Mantenimiento  Inspección y Diagnostico  Mantenimiento Preventivo  Mantenimiento Correctivo  Atención de emergencias.  Pruebas . . . Transformadores de Distribución y Potencia: . Tangente delta y capacitancia de devanados y bushings.. . Resistencia de Aislamiento.. . Relación de transformación, grupo de conexión y polaridad.. . Resistencia de bobinados.. . Prueba de corriente de excitación.. . Análisis de la respuesta en frecuencia (SFRA).. . Impedancia de cortocircuito.. Transformadores de Instrumentación: . Tangente delta y capacitancia de devanados y bushings.. . Resistencia de aislamiento.. . Relación de transformación y polaridad.. . Resistencia de bobinados.. . Curva de Saturación.. . Verificación de carga (Burden).. Cables: . Resistencia de aislamiento Megado.. . HIPOT AC VLF.. . Hi-pot DC. . Sistemas de Puesta a Tierra:. . Resistividad de Suelos.. . Resistencia de SPT (SE, líneas,etc.).. 10.

(12) 28 SECCION Nº3 29 MEMORIA DESCRIPTIVA DE SUFICIENCIA PROFESIONAL. 11.

(13) ANÁLISIS DE LA CAPACIDAD DE RESISTENCIA AL CORTO CIRCUITO DE LAS BARRAS E INTERRUPTORES EN UNA PLANTA CONCENTRADORA DE COBRE PARA VERIFICAR LA OPERATIVIDAD DEL SISTEMA 30. INDICE. Contenido DEDICATORIA .............................................................................................................................................. 1 SECCION Nº1 ............................................................................................................................................... 2 CURRICULUM VITAE.................................................................................................................................... 2 SECCION Nº2 ............................................................................................................................................... 8 DESCRIPCIÓN DE EMPRESAS .................................................................................................................... 8 SECCION Nº3 ............................................................................................................................................. 11 MEMORIA DESCRIPTIVA DE SUFICIENCIA PROFESIONAL ..................................................................... 11 INDICE ........................................................................................................................................................ 12 INDICE DE ILUSTRACIONES ..................................................................................................................... 14 INDICE DE TABLAS .................................................................................................................................... 15 INDICE DE CUADROS ................................................................................................................................ 18 RESUMEN................................................................................................................................................... 19 ABSTRACT ................................................................................................................................................. 20 1. CAPÍTULO I: GENERALIDADES......................................................................................................... 21 1.1 1.1.1. 2. 3. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 21 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DEL PROYECTO ........................................................ 21. 1.2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................................... 22. 1.3. OBJETIVOS ............................................................................................................................... 23. 1.3.1. Objetivo General ................................................................................................................ 23. 1.3.2. Objetivo Especifico ............................................................................................................. 23. 1.4. ALCANCES ................................................................................................................................ 24. 1.5. NORMATIVA APLICABLE .......................................................................................................... 25. CÁPITULO II: MARCO TEÓRICO SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA ..................................... 26 2.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 26. 2.2. CONCEPTOS BÁSICOS............................................................................................................. 26. 2.3. ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE POTENCIA ............................................................................... 28. 2.4. CORTO CIRCUITO..................................................................................................................... 29. 2.4.1. Representación de Sistemas Eléctricos .............................................................................. 29. 2.4.2. Componentes Simétricas .................................................................................................... 32. 2.4.3. Cortocircuito permanente y temporal .................................................................................. 34. CÁPITULO III: TOPOGIA DEL SISTEMA ELÉCTRICO ........................................................................ 37 3.1. GENERALIDADES DEL SOFTWARE ETAP ............................................................................... 37 12.

(14) 3.2. CRITERIOS DE OPERACIÓN .................................................................................................... 38. 3.3. LEVANTAMIENTO DE INFOMACION EN CAMPO SMCV .......................................................... 38. 3.4. CARACTERÍSTICAS DEL MODELADO DE LA TOPOLOGÍA EN ETAP ...................................... 41. 3.4.1. Modelamiento de la Red ..................................................................................................... 41. 3.4.2. Parámetros Eléctricos de Líneas de Transmisión................................................................ 41. 3.4.3. Parámetros Eléctricos de los Transformadores de Potencia de 3 Devanados ..................... 42. 3.5. FACTOR DE DIVERSIDAD ......................................................................................................... 42. 3.6. ESCENARIOS ............................................................................................................................ 44. 3.6.1 3.7. Escenario N°1: Régimen de Operación Normal 2018, (Máxima Demanda) ......................... 44 RESULTADOS DE FLUJO DE POTENCIA ................................................................................. 47. 3.7.1. Resultados del Escenario de Máxima Demanda ................................................................. 47. 3.7.2. Comparación de Resultados de Flujo de Potencia con valores Medidos ............................. 48. 4 CAPITULO IV: ANÁLISIS DE LA CAPACIDAD DE RESISTENCIA AL CORTO CIRCUITO DE BARRAS E INTERRUPTORES ................................................................................................................................... 50 4.1. CRITERIOS DE EVALUACIÓN ................................................................................................... 50. 4.2. REFERENCIAS .......................................................................................................................... 50. 4.2.1. Norma ANSI ....................................................................................................................... 50. 4.2.2. NORMA IEC ....................................................................................................................... 51. 4.3. DESCRIPCIÓN DEL MODELAMIENTO DE LA TOPOLOGIA PARA CORTO CIRCUITO ............ 52. 4.4. ESCENARIOS DE CORTO ......................................................................................................... 53. 4.4.1. Escenario N°1: Sistema en Operación Normal.................................................................... 55. 4.4.2 Escenario N°2: Operación del Sistema con 03 Transformadores de Potencia funcionando S.E. Sulfuros Primarios 220KV. ........................................................................................................... 56 4.4.3. Escenario N°3: Operación del Sistema con Tie – Breakers en 4.16kv Cerrados.................. 57. 4.4.4 Escenario N°4: Operación del Sistema Tie – Breakers en 4.16kv Cerrado – 01 Transformador Funcionando................................................................................................................ 58 4.4.5 Escenario N°5: Líneas L-2061 y L-2062 Fuera de Servicio y la Línea L-2074 Entra en Servicio, con Tres Transformadores en SE Sulfuros en Servicio. ......................................................... 59 4.4.6 4.5. Escenario N°6: Operación del Sistema en Paralelo S.E. Socabaya y S.E. San Luis 220kV. 60 Análisis de la Capacidad de Resistencia al Corto Circuito de Barras e Interruptores .................... 61. 4.5.1. Resultados de Corto Circuito en Barras, Falla 1Ø (L-G), 3Ø, Metodología “IEC” ................. 61. 4.5.2. Análisis de Capacidad de Barras, Metodología “IEC” Y “ANSI” ........................................... 63. 4.5.3. Análisis de Capacidad de Interruptores ............................................................................... 79. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................... 102 RECOMENDACIONES .............................................................................................................................. 111 BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................................... 113 ANEXOS ................................................................................................................................................... 114. 13.

(15) 31. INDICE DE ILUSTRACIONES. 32 Figura 1.1: Planta Industrial Concentradora C1 .....................................................................................22 Figura 1.2: Diagrama Unifilar de la Planta Concentradora C1 .................................................................23 Figura 2.1: Diagrama Unifilar ..............................................................................................................29 Figura 2.2: Modelo del Generador Síncrono .........................................................................................30 Figura 2.3: Circuito Equivalente por fase del Transformador...................................................................30 Figura 2.4: Circuito Equivalente del Transformador para cortocircuito......................................................30 Figura 2.5: Modelo de Transmisión Corta .............................................................................................31 Figura 2.6: Diagrama Unifilar y el respectivo Diagrama de Impedancia ....................................................31 Figura 2.7: Cortocircuito 3Ø en la Barra de Carga .................................................................................32 Figura 2.8: Falla Monofásica a Tierra...................................................................................................35 Figura 2.9: Falla Bifásica o Línea a Línea.............................................................................................35 Figura 2.10: Falla Bifásica a Tierra o Doble Línea a Tierra .....................................................................36 Figura 2.11: Falla Trifásica .................................................................................................................36 Figura 3.1: Descripción del Software ETAP. .........................................................................................37 Figura 3.2: Fotografía de transformador tomado en el levantamiento de Campo.......................................40 Figura 3.3: Escenario de Operación N°1, N°2 y N°3: ............................................................................45 Figura 4.1: Esquema simplificado del escenario de corto circuito “C1” N°1 ..............................................55 Figura 4.2: Esquema simplificado del escenario de corto circuito “C1” N°2 ..............................................56 Figura 4.3: Esquema simplificado del escenario de corto circuito “C1” N°3 ..............................................57 Figura 4.4: Esquema simplificado del escenario de corto circuito “C1” N°4 ..............................................58 Figura 4.5: Esquema simplificado del escenario de corto circuito “C1” N°5 ..............................................59 Figura 4.6: Esquema simplificado del escenario de corto circuito “C1” N°6 ..............................................60. 14.

(16) INDICE DE TABLAS Tabla 3.1: Potencias Máximas Totales en Planta de Sulfuros Concentradora C-1. ....................................43 Tabla 3.2: Potencias Individuales en Planta de Sulfuros Concentradora C-1. ...........................................43 Tabla 3.3: Factor de Diversidad para Máxima Demanda ........................................................................44 Tabla 3.4: Niveles de tensión de las principales barras. .........................................................................48 Tabla 3.5: Comparación de potencia activa y reactiva medidas vs calculadas en software ETAP 16.0 ........49 Tabla 4.1: Resultados de corto circuito monofásico, bifásico y trifásico del escenario N°1, para la máxima demanda en estiaje para los años 2018 y 2026, norma IEC...............................................62 Tabla 4.2: Análisis de capacidad de barras en 22.9kV, Escenario Nº1, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma IEC – media tensión ........................................................................................................63 Tabla 4.3: Análisis de capacidad de barras en 4.16kV, Escenario Nº1, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – media tensión. .....................................................................................................64 Tabla 4.4: Análisis de capacidad de barras en .0.48kV, Escenario Nº1, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – baja tensión .................................................................................65 Tabla 4.5: Análisis de capacidad de barras en 22.9kV, Escenario Nº1, máxima demanda estiaje para el año 2026, norma IEC – media tensión ........................................................................................................66 Tabla 4.6: Análisis de capacidad de barras en 4.16kV, Escenario Nº1, máxima demanda estiaje para el año 2026, norma ANSI – media tensión ......................................................................................................67 Tabla 4.7: Análisis de capacidad de barras en 0.48kV, Escenario Nº1, máxima demanda estiaje para el año 2026, norma ANSI – baja tensión .................................................................................68 Tabla 4.8: Análisis de capacidad de barras en 22.9kV, Escenario Nº2, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma IEC – media tensión ........................................................................................................69 Tabla 4.9: Análisis de capacidad de barras en 4.16kV, Escenario Nº2, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – media tensión. .....................................................................................................70 Tabla 4.10: Análisis de capacidad de barras en 0.48kV, Escenario Nº2, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – baja tensión .................................................................................70 Tabla 4.11: Análisis de capacidad de barras en 22.9kV, Escenario Nº3, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma IEC – media tensión ........................................................................................................71 Tabla 4.12: Análisis de capacidad de barras en 4.16kV, Escenario Nº3, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – media tensión. .....................................................................................................72 Tabla 4.13: Análisis de capacidad de barras en 0.48kV, Escenario Nº3, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – baja tensión .................................................................................72 Tabla 4.14: Análisis de capacidad de barras en 22.9kV, Escenario Nº4, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma IEC – media tensión ........................................................................................................73 Tabla 4.15: Análisis de capacidad de barras en 4.16kV, Escenario Nº4, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – media tensión. .....................................................................................................74 Tabla 4.16: Análisis de capacidad de barras en 0.48kV, Escenario Nº4, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – baja tensión .................................................................................74 Tabla 4.17: Análisis de capacidad de barras en 22.9kV, Escenario Nº5, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma IEC – media tensión ........................................................................................................75 Tabla 4.18: Análisis de capacidad de barras en 4.16kV, Escenario Nº5, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – media tensión. .....................................................................................................76 Tabla 4.19: Análisis de capacidad de barras en 0.48kV, Escenario Nº5, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – baja tensión .................................................................................76 Tabla 4.20: Análisis de capacidad de barras en 22.9kV, Escenario Nº6, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma IEC – media tensión ........................................................................................................77 15.

(17) Tabla 4.21: Análisis de capacidad de barras en 4.16kV, Escenario Nº6, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – media tensión. .....................................................................................................78 Tabla 4.22: Análisis de capacidad de barras en 0.48kV, Escenario Nº6, máxima demanda estiaje para el año 2018, norma ANSI – baja tensión .................................................................................78 Tabla 4.23: Análisis de Capacidad de interruptores en 220kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2018, norma ANSI. .............................................................................................................................79 Tabla 4.24: Análisis de Capacidad de interruptores en 22.9kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2018, norma IEC. ...............................................................................................................................80 Tabla 4.25: Análisis de Capacidad de interruptores en 4.16kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2018, norma ANSI. .............................................................................................................................81 Tabla 4.26: Análisis de Capacidad de interruptores en 220kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2018, norma ANSI. .............................................................................................................................82 Tabla 4.27: Análisis de Capacidad de interruptores en 0.48kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2018, norma IEC. ...............................................................................................................................83 Tabla 4.28: Análisis de Capacidad de interruptores en 0.48kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2018, norma IEC-Circuit Breaker Observados. ......................................................................................84 Tabla 4.29: Análisis de Capacidad de interruptores en 220kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2026, norma ANSI. .............................................................................................................................85 Tabla 4.30: Análisis de Capacidad de interruptores en 4.16kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2026, norma ANSI. .............................................................................................................................86 Tabla 4.31: Análisis de Capacidad de interruptores en 0.48kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2026, norma ANSI. .............................................................................................................................87 Tabla 4.32: Análisis de Capacidad de interruptores en 0.48kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2026, norma IEC. ...............................................................................................................................88 Tabla 4.33: Análisis de Capacidad de interruptores en 0.48kV, Escenario Nº1, Máxima demanda estiaje año 2026, norma IEC-Circuit Breaker Observados. ......................................................................................89 Tabla 4.34: Análisis de Capacidad de interruptores en 22.9kV, Escenario Nº2, Máxima demanda estiaje año 2018, norma IEC. ...............................................................................................................................90 Tabla 4.35: Análisis de Capacidad de interruptores en 4.16kV, Escenario Nº3, Máxima demanda estiaje año 2018, norma ANSI. .............................................................................................................................91 Tabla 4.36: Análisis de Capacidad de interruptores en 0.48kV, Escenario Nº3, Máxima demanda estiaje año 2018, norma ANSI. .............................................................................................................................92 Tabla 4.37: Análisis de Capacidad de interruptores en 4.16kV, Escenario Nº3, Máxima demanda estiaje año 2018, norma IEC. ...............................................................................................................................93 Tabla 4.38: Análisis de Capacidad de interruptores en 0.48kV, Escenario Nº3, Máxima demanda estiaje año 2018, norma IEC. ...............................................................................................................................93 Tabla 4.39: Análisis de Capacidad de interruptores en 4.16kV, Escenario Nº4, Máxima demanda estiaje año 2018, norma ANSI. .............................................................................................................................95 Tabla 4.40: Análisis de Capacidad de interruptores en 0.48kV, Escenario Nº4, Máxima demanda estiaje año 2018, norma ANSI. .............................................................................................................................96 Tabla 4.41: Análisis de Capacidad de interruptores en 0.48kV, Escenario Nº4, Máxima demanda estiaje año 2018, norma IEC. ...............................................................................................................................97 Tabla 4.42: Análisis de Capacidad de interruptores en 22.9kV, Escenario Nº5, Máxima demanda estiaje año 2018, norma IEC.. ..............................................................................................................................98 Tabla 4.43: Análisis de Capacidad de interruptores en 220kV, Escenario Nº6, Máxima demanda estiaje año 2018, norma ANSI ..............................................................................................................................99 Tabla 4.44: Análisis de Capacidad de interruptores en 22.9kV, Escenario Nº6, Máxima demanda estiaje año 2018, norma IEC. .............................................................................................................................100 16.

(18) Tabla 4.45: Análisis de Capacidad de interruptores en 4.16kV, Escenario Nº6, Máxima demanda estiaje año 2018, norma ANSI. ...........................................................................................................................101 Tabla 5.1: Análisis de Capacidad de Interruptores de 22.9kV Escenario N°2, Alimentando Relaves y Rio Chili. ...............................................................................................................................................111. 17.

(19) INDICE DE CUADROS Cuadro 3.1: Principales Barras de la Planta de Sulfuros Concentradora C-1. .............................................. 40 Cuadro 3.2: Resumen de los datos de placa de los equipos verificados en campo ...................................... 41 Cuadro 3.3: Parámetros de Líneas Aéreas .................................................................................................. 42 Cuadro 3.4: Parámetros eléctricos en transformadores de potencia de 3 devanados ................................... 42 Cuadro 3.5: Escenarios utilizados en el estudio de flujo de potencia............................................................ 46 Cuadro 4.1: Determinación de las capacidades del equipamiento según normas ANSI. .............................. 51 Cuadro 4.2: Determinación de las capacidades del equipamiento según normas IEC. ................................. 52 Cuadro 4.3: Niveles de corto circuito S.E. SOCABAYA 220kV..................................................................... 52 Cuadro 4.4: Niveles de corto circuito Concentradora “C2” S.E. San Luis ..................................................... 52 Cuadro 4.5: Configuración de los Escenarios para Cortocircuito .................................................................. 54. 18.

(20) 33. RESUMEN. Como parte del funcionamiento en los procesos de la Planta de Sulfuros Primarios, continuamente se requieren actualizar los estudios de operatividad debido a que se viene implementando sistemas que permiten optimizar su proceso de operación, la mayoría de estas implementaciones ocasionan cambios en la topología de las redes del sistema eléctrico de la planta, a ello se suma las modificaciones tanto en los valores de las corrientes de cortocircuito, así como en las impedancias en el SEIN. Como parte de los estudios de operatividad se requiere un análisis de la capacidad de resistencia al corto circuito de las barras e interruptores en una planta concentradora para verificar la operatividad del sistema, es decir se realizó un levantamiento y validación de información en campo de los equipos existes, además de la actualización de la topología existente. En los estudios de cortocircuito resalta la importancia de las impedancias que son aportadas por las líneas de transmisión, transformadores, motores además de las impedancias y potencia de cortocircuito entregadas por el COES y con toda la topología actualizada es comparada con las mediciones entregadas con SMCV de los principales interruptores existentes mediante el flujo de potencia, de esta manera validamos el modelo de la topología. Con el modelo de la topología actualizada podemos llevar a cabo el análisis de la capacidad de resistencia al corto circuito de las barras e interruptores en una planta concentradora en los niveles de 220kV, 22.9kV, 10kV ,4.16kV y 0.48kV según sus normas de fabricación ANSI /IEC; la verificación de la capacidad de resistencia será evaluada en los diferentes escenarios personalizados según la filosofía de operación del sistema eléctrico en estudio y por acuerdo con el cliente. Concluiremos indicando los porcentajes de carga más elevados del equipamiento eléctrico evaluado y en caso de encontrar un escenario que sobrepase los niveles de capacidad de cortocircuito sus respectivas recomendaciones.. PALABRAS CLAVE: Corto Circuito, Operatividad, Barras, Interruptores, Flujo de Potencia, Capacidad de Resistencia, topología, modelamiento.. 19.

(21) 34. ABSTRACT. As part of the functioning in the processes of the Concentrating Plant of Primary Sulphurs C1, constant they are needed to update the studies of operability due to the fact that one comes implementing systems that allow to optimize his process of operation, the majority of these implementations cause changes in the topology of the networks of the electrical system of the plant, to it one adds the modifications so much in the values of the currents of short circuit, as well as in the impedances in the SEIN. Since part of the studies of operability asks from itself an analysis of the capacity of resistance to the short circuit of the bars and switches in a concentrating plant to check the operability of the system, that is to say a raising and validation of information was realized in field of the equipments you exist, besides the update of the existing topología. In the studies of short circuit it highlights the importance of the impedances that are contributed by the lines of transmission, transformers, engines besides the impedances and power of short circuit delivered by the COES and with the whole updated topology it is compared with the measurements delivered with SMCV of the principal existing switches by means of the flow of power, hereby we validate the model of the topology With the model of the updated topology we can carry out the analysis of the capacity of resistance to the short circuit of the bars and switches in a concentrating plant in the levels of 220kV, 22.9kV, 10kV, 4.16kV and 0.48kV according to his procedure of manufacture ANSI/IEC; the check of the capacity of resistance will be evaluated in the different scenes personalized according to the philosophy of operation of the electrical system in study and for agreement with the client. We will end up by indicating the percentages of load most raised of the electrical evaluated equipment and in case of finding a scene that exceeds the levels of capacity of short circuit his respective recommendations.. Keywords: Short Circuit, Operability, Bus, Circuit Breaker, Power Flow, Resistance Capacity, Topology, Modeling.. 20.

(22) 1. 1.1. CAPÍTULO I: GENERALIDADES. INTRODUCCIÓN Como parte del funcionamiento en los procesos de la Planta de Sulfuros Primarios, continuamente se viene implementando sistemas que permiten optimizar su proceso de operación, la mayoría de estas implementaciones ocasionan cambios en la topología de las redes del sistema eléctrico de la planta, a ello se suma las modificaciones tanto en los valores de las corrientes de cortocircuito, así como en las impedancias en el SEIN debido al ingreso de nuevos generadores y líneas eléctricas en distintitos niveles de tensión (500kV, 220kV, etc.), por ello se requiere actualizar periódicamente los estudios de operatividad con la finalidad de identificar los peligros potenciales, complementar y mejorar los programas de seguridad eléctrica actual, y proporcionar medidas de seguridad adicionales para los operadores. En el 2017 SMCV adjudico a Celicon Ingenieros el proyecto “Estudios de operatividad de la planta concentradora C1” para la actualización de los estudios, análisis del sistema eléctrico de potencia, seguidamente Celicon Ingenieros durante el periodo comprendido Mayo 2017 – Octubre 2017 realiza el levantamiento y validación de información de campo de equipos para la creación del modelo de la topología existente de acuerdo a los diagramas unifilares. La verificación de la capacidad de apertura en condiciones de corto circuito de los interruptores y fusibles de potencia en los niveles de 220kV, 22.9kV, 10kV ,4.16kV y 0.48kV, debe ser verificada periódicamente y siempre que se observe un aumento de la potencia de corto circuito en la fuente SEIN o se implementen nuevos cargos que apuntan significativamente al nivel de ICC como por ejemplo motores de gran tamaño con arranque directo.. 1.1.1. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DEL PROYECTO La verificación de la capacidad del equipamiento eléctrico ante las fallas de corto circuito se realizará al Sistema Eléctrico de la Planta Industrial Concentradora C1, se encuentra dentro de la concesión de Sociedad Minera Cerro Verde entre SMCV entre las coordenadas 8167000 N, 223000 E y 8168750 N, 222750 E (PSAD 56), ubicado en el distrito de Uchumayo a 2700 msnm, provincia de Arequipa departamento de Arequipa, Perú.. 21.

(23) Figura 1.1: Planta Industrial Concentradora C1 1.2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Como parte del funcionamiento en los procesos de la Planta de Sulfuros C1, continuamente se viene implementando sistemas que permiten optimizar su proceso de operación, la mayoría de estas implementaciones ocasionan cambios en la topología de las redes del sistema eléctrico de la planta, a ello se suma las modificaciones tanto en los valores de las corrientes de corto circuito, así como en las impedancias en el SEIN debido al ingreso de nuevos generadores y líneas eléctricas en distintitos niveles de tensión (500kV, 220kV, etc.). Por ello se requiere, la verificación de la capacidad de resistencia en condiciones de corto circuito de los interruptores de potencia, fusibles de potencia y Barras en los niveles de 220KV, 22.9kV, 10kV ,4.16kV y 0.48kV, para que operen dentro del rango normal de funcionamiento y así garantizar la operatividad del sistema.. 22.

(24) Figura 1.2: Diagrama Unifilar de la Planta Concentradora C1. 1.3 1.3.1. OBJETIVOS Objetivo General El objetivo principal del presente estudio es determinar los niveles de corto circuito en las barras del sistema de potencia y distribución de la planta concentradora C1, y verificar si la capacidad de resistencia de los dispositivos de protección y maniobra existentes están en condición de soportar y despejar una falla de corto circuito de manera segura para el personal y las instalaciones.. 1.3.2. Objetivo Especifico . Verificar la capacidad de resistencia ante una falla de cortocircuito de las barras e interruptores en los diferentes niveles de tensión 220kV, 22.9kV, 10kV ,4.16kV y 0.48kV de. 23.

(25) acuerdo a la norma de fabricación ANSI o IEC para el Escenario N°1, Sistema en Operación Normal en época de estiaje para el año 2018 y 2026. . Verificar la capacidad de resistencia ante una falla de cortocircuito de las barras e interruptores en los diferentes niveles de tensión 220kV, 22.9kV, 10kV ,4.16kV y 0.48kV de acuerdo a la norma de fabricación ANSI o IEC para el Escenario N°2, Operación del Sistema con 03 Transformadores de Potencia funcionando S.E. Sulfuros Primarios 220KV en época de estiaje para el año 2018.. . Verificar la capacidad de resistencia ante una falla de cortocircuito de las barras e interruptores en los diferentes niveles de tensión 220kV, 22.9kV, 10kV ,4.16kV y 0.48kV de acuerdo a la norma de fabricación ANSI o IEC para el Escenario N°3, Operación del Sistema con Tie – Breakers en 4.16kv Cerrados. en época de estiaje para el año 2018.. . Verificar la capacidad de resistencia ante una falla de cortocircuito de las barras e interruptores en los diferentes niveles de tensión 220kV, 22.9kV, 10kV ,4.16kV y 0.48kV de acuerdo a la norma de fabricación ANSI o IEC para el Escenario N°4, Operación del Sistema Tie – Breakers en 4.16kv Cerrado – 01 Transformador Funcionando en época de estiaje para el año 2018.. . Verificar la capacidad de resistencia ante una falla de cortocircuito de las barras e interruptores en los diferentes niveles de tensión 220kV, 22.9kV, 10kV ,4.16kV y 0.48kV de acuerdo a la norma de fabricación ANSI o IEC para el Escenario N°5, Líneas L-2061 y L2062 Fuera de Servicio y la Línea L-2074 Entra en Servicio, con Tres Transformadores en SE Sulfuros en Servicio en época de estiaje para el año 2018.. . Verificar la capacidad de resistencia ante una falla de cortocircuito de las barras e interruptores en los diferentes niveles de tensión 220kV, 22.9kV, 10kV ,4.16kV y 0.48kV de acuerdo a la norma de fabricación ANSI o IEC para el Escenario N°6, Operación del Sistema en Paralelo S.E. Socabaya y S.E. San Luis 220kV en época de estiaje para el año 2018.. 1.4. ALCANCES El presente trabajo de verificación considera realizar el cálculo de las corrientes de falla empleando las dos normativas ANSI e IEC, esto en relación con los dispositivos de protección, para las barras del sistema eléctrico de potencia de C1 en los niveles de tensión 220kV 22.9kV, 10kV, 4.16kV y 0.48kV. El límite de baterías para el presente estudio inicia en la Barra de 220kV SE Cerro Verde y termina en las barras acopladas al interruptor Principal (Main Breaker) de los centros de control de Motores en 480V, alimentados por transformadores de relación 4.16/0.48kV. Los alcances son:. 24.

(26) • Verificación mediante el flujo de potencia del modelo matemático realizado a partir del levantamiento de datos en campo en software de simulación ETAP 16, con los registros de las mediciones en los Interruptores • La verificación de la capacidad de resistencia del equipamiento eléctrico ante las fallas de corto circuito, empleando las dos normativas ANSI e IEC, en relación con los dispositivos de protección y para las barras del sistema eléctrico de potencia de la Concentradora C1 en los niveles de tensión 220kV 22.9kV, 10kV, 4.16kV y 0.48kV. 1.5. NORMATIVA APLICABLE  Código Nacional de Electricidad Suministros 2011.  IEEE C37.010 IEEE Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis  IEC 60909 Short Circuit Currents in Three-phase AC Systems.  NFPA 70 National Electric Code (NEC) 2011 Edition.  DGE 2002-02-11.- R.M. N° 091-2002-EM/VME Terminología en electricidad. 25.

(27) 2. 2.1. CÁPITULO II: MARCO TEÓRICO SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA. INTRODUCCIÓN El estudio de flujos de potencia sirve para la determinación de los voltajes y potencias activa y reactiva de todos los puntos de un sistema cuando éste opera bajo condiciones previamente establecidas. El estudio de flujos de potencia se puede hacer en diferentes sistemas, y el grado de complicación varía de acuerdo con el número de elementos del circuito. Los sistemas más simples son los que se conocen como sistemas radiales. Un sistema radial puede ser un sistema de distribución con varias cargas. Los cálculos para un estudio de flujos de sistemas no radiales, aun en sistemas pequeños, son demasiado laboriosos para ser hechos a mano. Los métodos de estudios de sistemas radiales no son los que se emplean normalmente en sistemas grandes, ya que en estos el trabajo resultaría en exceso tedioso y prácticamente imposible de realizar. La solución es representar el modelo topológico de la red en un modelo matemático y mediante métodos numéricos computarizados llevar a cabo el análisis. El uso de la computadora digital tiene indudables ventajas, ya que puede resolver sistemas más grandes y complicados en un tiempo muy corto a causa de su rapidez en la realización de operaciones aritméticas. Los métodos para el estudio de flujos aparecieron desde 1954 y en la actualidad los sistemas computacionales son necesarios en el análisis de flujo de potencia por su precisión, velocidad y aplicaciones que se le pueden dar.. 2.2. CONCEPTOS BÁSICOS Para comprender la forma en que interactúan los diferentes elementos de un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), es necesario analizar el comportamiento de cada uno de ellos en forma independiente, cada uno de ellos presenta un comportamiento característico que lo distingue de los demás. Para analizar la respuesta de cada componente del sistema eléctrico ante diferentes condiciones de operación, es necesario contar con modelos matemáticos adecuados que nos representen en forma aceptable su comportamiento. Tiene como función efectuar procesos enfocándose en la generación, transmisión y distribución de la energía en condiciones para su consumo posterior, con parámetros de calidad de energía aceptables. Algunos términos usados: Demanda Máxima: Valor máximo de la carga durante un periodo de tiempo dado, por ejemplo, un día, un mes, un año.. 26.

(28) Factor de carga: Relación, expresada como un valor numérico o como un porcentaje, de la potencia máxima de una instalación o grupo de instalaciones durante un período determinado, y la carga total instalada de la (s) instalación(es). Factor de demanda: Es la relación de la máxima demanda de un sistema o parte de un sistema y la potencia instalada de las cargas de un sistema. Factor de Diversidad: Es la relación entre las sumas de las demandas máximas individuales y la demanda máxima de todo el grupo. Puede referirse a dos o más cargas separadas, o puede incluir todas las cargas de cualquier parte de un sistema eléctrico o el sistema total. Falla trifásica: Al ser esta la de mayor intensidad se tomará esta falla para la verificación de la capacidad de los equipos instalados. Falla monofásica a tierra: Esta es la más frecuente de todas por lo que deberá ser evaluada. Zona Sub-transitorio: Corresponde a los 10 ó 20 primeros milisegundos del defecto. Zona Transitoria: A continuación del anterior y que se prolonga hasta 500 milisegundos. Zona Permanente: O también llamada síncrona, se da en la zona estabilizada. Valor de cresta “ip”: Es el valor instantáneo máximo posible de la corriente de cortocircuito en el punto de falla la cual se da en periodo sub-transitorio. Corriente de cortocircuito inicial Ik’’: Es la corriente de cortocircuito iniciales de falla, esta puede provocarse en cualquier instante de la onda definiendo si la falla es simétrica o asimétrica, se da en la zona transitoria. Corriente de cortocircuito en régimen permanente Ik: Corriente de falla en la zona permanente. Corriente de Interrupción de Cortocircuito Simétrica (Ib Sym): Muestra el valor rms de un ciclo integral de componente simétrico de AC de la corriente de cortocircuito disponible en kA o amperio. Corriente de Interrupción de Cortocircuito Asimétrica (Ib Asym): Muestra la corriente de corte asimétrica para HVCB en kA o Amp. Corriente DC de la corriente de cortocircuito (Idc): Muestra la componente DC de la corriente de cortocircuito para el tiempo de retardo mínimo de un dispositivo de protección, se calcula en base a la corriente de cortocircuito simétrica inicial y la relación X/R del sistema. Factor de multiplicación (FM): Muestra el factor de multiplicación de interrupción calculado en función de la relación X / R en la ubicación de la falla.. 27.

(29) Relación X/R Ratio: Muestra el valor de la relación X/R para el cálculo de cortocircuito momentáneo en la ubicación de la falla. 2.3. ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE POTENCIA Un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), es el conjunto de instalaciones de centrales eléctricas generadoras, líneas de transporte, subestaciones eléctricas y líneas de distribución, interconectadas entre sí, que permite generar, transportar y distribuir energía eléctrica. Por lo general, se concibe a un SEP con tres partes principales que lo conforman: La generación, transmisión y distribución; siendo: . La Generación: Es donde se produce la energía eléctrica, por medio de las centrales generadoras, las que representan el centro de producción.. . Líneas de Transmisión: Son los elementos encargados de transmitir la energía eléctrica, desde los centros de generación hasta los centros de consumo, a través de distintas etapas de transformación de voltaje.. . La Distribución: Está constituida por las líneas, subestaciones y equipos que permiten prestar el servicio de distribuir la electricidad hasta los consumidores finales, localizados en cierta zona geográfica explícitamente limitada.. Es por esta razón que, para hacer un buen análisis, es importante conocer los componentes más relevantes y más abundantes en la planta concentradora y los que eventualmente influyen en los fenómenos de interés. El propósito del análisis de flujo de potencia es calcular con precisión la magnitud y ángulo de fase de los voltajes de estado estacionario en todas las barras de una red y a partir de ese cálculo, los flujos de potencia activa y reactiva en cada una de las barras, líneas de transmisión y transformadores, bajo la suposición de generación y carga conocidas. Las magnitudes y ángulos de fase de los voltajes de barra que no se especifican en los datos de entrada, se llaman variables de estado, ya que describen el estado del sistema de potencia; también se les llama variables dependientes, porque sus valores dependen de las cantidades especificadas en cada una de las barras. Entonces, el problema de flujo de potencia consiste en determinar los valores de todas las variables de estado, resolviendo un igual número de ecuaciones de flujo de potencia simultáneas, basadas en los datos especificados. El estado completo del sistema de potencia se conoce hasta cuándo se han calculado las variables de estado; después de esto, pueden determinarse todas las demás cantidades que dependen de las variables de estado, como es el caso de la potencia activa y reactiva para la barra de compensación y la potencia reactiva para las barras de voltaje controlado. 28.

(30) Para el cálculo de las variables de estado, se emplean métodos iterativos como el método de GaussSeidel o el método de Newton-Raphson; en el trabajo realizado por John Grainger se estudia la solución al problema de flujo de potencia por medio de estos métodos iterativos. 2.4 2.4.1. CORTO CIRCUITO Representación de Sistemas Eléctricos Actualmente, debido a la necesidad de a garantizar la continuidad de suministro al mercado, los sistemas eléctricos operan interconectados formando redes complejas, en este trabajo serán designadas simplemente como sistemas eléctricos.. 2.4.1.1. Diagrama Unifilar Los símbolos del sistema, de un diagrama unifilar, son representados por símbolos, en los que por ejemplo las líneas de transmisión trifásicas son representadas por un único trazo.. Figura 2.1: Diagrama Unifilar Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010) La importancia de un diagrama unifilar es representar claramente la topología y, concisamente, los datos significativos de un sistema de potencia. 2.4.1.2. Representación por fase de un Sistema de Potencia En sistemas equilibrados, se representa una única fase del sistema en Y equivalente, en el que cada elemento (generador, transformador, línea de transmisión, etc.). En el circuito equivalente por fase en Y, se representa una fase con retorno por un supuesto hilo neutro, que en verdad no existe, porque en un sistema 3Ø equilibrado y no pasa corriente por el hilo neutro.. 𝐼𝑎̇ + 𝐼𝑏̇ + 𝐼𝑐̇ = 0 = 𝐼𝑁̇ 2.4.1.3. (Ec. 1). Generador Síncrono El modelo por fase del generador síncrono, del punto de vista de la protección para el estudio de cortocircuito, es representado en la figura N°2.2.. 29.

(31) Figura 2.2: Modelo del Generador Síncrono Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010) Observe que el modelo es simplemente, una reactancia subtransitoria del eje directo del eje directo, con una fuente de tensión, lo que vale también para el motor síncrono. 2.4.1.4. Transformador A continuación, veremos el circuito equivalente del transformador.. Figura 2.3:Circuito Equivalente por fase del Transformador Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010) Para efectos de cálculo de corto circuito este modelo es complejo, la corriente que fluye en cortocircuito es de valor elevado, por lo tanto, la corriente de derivación, es decir la corriente de excitación del núcleo es muy pequeña y puede ser despreciada, resultando el circuito siguiente. 𝑿𝑻 = 𝑿𝟏 + 𝑿𝟐 𝑹𝑻 = 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐. Figura 2.4: Circuito Equivalente del Transformador para cortocircuito Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010). 30.

(32) 2.4.1.5. Líneas de Transmisión Las líneas de transmisión transportan la energía del generador hasta cerca del consumidor. Ellas pueden tener diversas longitudes, cortas, medinas y largas, cada una presenta modelos distintos, ya que el alcance de este trabajo comprende una planta concentradora con un nivel de tensión no mayor a 220kV consideraremos como líneas cortas las cuales tienen el siguiente modelo. 𝒁̇𝑳𝑻 = 𝑹𝑳𝑻 + 𝒋𝑿𝑳𝑻. Figura 2.5:Modelo de Transmisión Corta Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010) 2.4.1.6. Cargas Las cargas eléctricas en el diagrama de impedancia, para el cálculo del cortocircuito pueden ser despreciadas o no, dependiendo del tipo, tamaño, importancia del sistema eléctrico.. Figura 2.6: Diagrama Unifilar y el respectivo Diagrama de Impedancia Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010) La corriente de carga, en régimen permanente de operación, es obtenida por la expresión: ̇ 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =. 𝐸𝐺̇ 𝑗(𝑋𝐺 +𝑋𝑇 +𝑋𝐿𝑇)+𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎. Ec. 2. La 𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 puede representar, por ejemplo, la carga total de una ciudad, por lo tanto su valor es elevado, esto es: 𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ≫≫ (𝑋𝐺 + 𝑋𝑇 + 𝑋𝐿𝑇 ) 31. Ec. 3.

(33) ̇ 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =. 𝐸𝐺̇ 𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎. Ec. 4. ̇ Cabe mencionar que lo fasores 𝐸̇𝐺 y 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 están prácticamente en fase. Ahora veremos lo ocurre ante una falla de cortocircuito, partiremos del mismo diagrama de la figura N°8 provocando un cortocircuito 3Ø en la barra de carga.. Figura 2.7: Cortocircuito 3Ø en la Barra de Carga Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010) Como podemos ver la corriente de cortocircuito según el esquema de la figura N°2.7 es: ̇ 𝐼𝑐𝑜𝑟𝑡𝑜 =. 𝐸𝐺̇ 𝑗(𝑋𝐺+𝑋𝑇 +𝑋𝐿𝑇 ). Ec. 5. Nos damos cuenta que la corriente de cortocircuito tiene un valor elevado, porque está limitada solamente por las reactancias serie de fase del generador, del transformador y de la línea de transmisión, esto es 𝑋𝐺 + 𝑋𝑇 + 𝑋𝐿𝑇 . Con esto podemos comprobar y entender que la corriente de cortocircuito es mucho mayor que la corriente de carga. ̇ ̇ 𝐼𝑐𝑜𝑟𝑡𝑜 ≫≫ 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 Cabe mencionar que la corriente de cortocircuito está desfasado 90° del fasor de tensión. Se puede concluir que, como el cortocircuito es en la barra de carga, la tensión cae a cero, y la carga deja de existir, es decir no aporta corriente al corto. 2.4.2. Componentes Simétricas Los circuitos en sistemas eléctricos de potencia generan desbalances, dificultando los cálculos y simulaciones de esta ocurrencia. En 1915, Leblanc imagino descomponer las corrientes trifásicas desequilibradas en tres grupos que serían producidas por 3 campos magnéticos de la siguiente manera: . Un campo magnético girando en una dirección.. . Un campo magnético girando en dirección opuesta.. . Un campo magnético estático, pulsatorio.. 32.

(34) Estas ideas fueron tomadas por el Dr. Charles L. Fortescue quien consiguió formular esta herramienta analítica muy poderosa. Esta propuesta fue adoptada y aplicada a los elementos que componen el sistema eléctrico de potencia. Posteriormente con la llegada del computador digital, la simulación en los sistemas eléctricos se convertiría en rutina. Por lo tanto, con la llegada y aplicaciones del teorema de Fortescue fue posible el desarrollo de una herramienta analítica para la obtención de las corrientes de cortocircuito. 2.4.2.1. Teorema de Fortescue Fortescue, por medio del teorema titulado “Método de Componentes Simétricas aplicado a soluciones de circuitos polifásicos”, estableció que un sistema de “n” fasores desequilibrados puede ser descompuesto en “n” sistemas de fasores. 𝑉𝑎̇ = 𝑉̇𝑎0 + 𝑉̇𝑎1 + 𝑉̇𝑎2 + 𝑉̇𝑎3 + ⋯ + 𝑉̇𝑎𝑖 + ⋯ + 𝑉̇𝑎(𝑛−1) 𝑉̇𝑏 = 𝑉̇𝑏0 + 𝑉̇𝑏1 + 𝑉̇𝑏2 + 𝑉̇𝑏3 + ⋯ + 𝑉̇𝑏𝑖 + ⋯ + 𝑉̇𝑏(𝑛−1) 𝑉𝑐̇ = 𝑉̇𝑐0 + 𝑉̇𝑐1 + 𝑉̇𝑐2 + 𝑉̇𝑐3 + ⋯ + 𝑉̇𝑐𝑖 + ⋯ + 𝑉̇𝑐(𝑛−1) ⋮ ⋮ ⋮ 𝑉𝑛̇ = 𝑉̇𝑛0 + 𝑉̇𝑛1 + 𝑉̇𝑛2 + 𝑉̇𝑛3 + ⋯ + 𝑉̇𝑛𝑖 + ⋯ + 𝑉̇𝑛(𝑛−1) El sistema desequilibrado original de secuencia de fases a, b, c,… , n está representado por sus ̇ 𝑉𝑛̇ , que giran en velocidad síncrona a la frecuencia de la red polifásica original. fasores𝑉𝑎̇ , 𝑉̇𝑏 , 𝑉𝑐,…, Así, entonces podemos aplicar esta descomposición en componentes de secuencia 0, 1, 2…n a los sistemas trifásicos que son los más utilizados mundialmente. El teorema aplicado a una red trifásica queda formulado así: “Un sistema 3Ø de tres fasores desbalanceados puede ser descompuesto en tres sistemas 3Ø de tres fasores balanceados llamados de componentes simétricas de secuencia positiva, negativa y cero”. Secuencia Positiva: Es un conjunto de 3 fasores balanceados del mismo modulo, desfasados 120°, con secuencia de fase idéntica al del sistema 3Ø original desbalanceado. El sistema trifásico original tiene una secuencia de fases, que por conveniencia será representada por abc, cuyos fasores giran a velocidad síncrona. Nota: En vez de utilizar el termino 1∠−120° utilizaremos el operador rotacional 𝑉̇𝑎1 𝑉̇𝑏1 = 𝑎̇ 2 ∗ 𝑉̇𝑎1 𝑉̇𝑐1 = 𝑎̇ ∗ 𝑉̇𝑎1. 33.

(35) Secuencia Negativa: Es un conjunto de 3 fasores equilibrados girando en una secuencia de fases contraria al del sistema original desbalanceado en velocidad síncrona contraria a la secuencia positiva. 𝑉̇𝑎2 𝑉̇𝑏2 = 𝑎̇ ∗ 𝑉̇𝑎2 𝑉̇𝑐2 = 𝑎̇ 2 ∗ 𝑉̇𝑎2 Secuencia Cero:Es un conjunto de 3 fasores iguales en fase, girando en el mismo sentido de secuencia del sistema original desbalanceado, esto es de la secuencia positiva. 𝑉̇𝑎0 = ̇ 𝑉𝑏0 = 𝑉̇𝑐0 En términos de corriente tenemos el teorema de fortescue de la siguiente manera. ̇ 𝐼𝑎0 1 1 ̇ ] = [1 [𝐼𝑎1 3 1 ̇ 𝐼𝑎2 2.4.3. 1 𝑎̇ 𝑎̇ 2. 1 𝐼𝑎̇ 𝑎̇ 2 ] [𝐼𝑏̇ ] 𝑎̇ 𝐼𝑐̇. Cortocircuito permanente y temporal Los cortocircuitos se pueden presentarse en cualquier parte del sistema eléctrico de potencia, en la generación, subestaciones y/o transmisión. Cada sector, debido a sus propias características, contribuye más o menos en la ocurrencia del cortocircuito. Los cortocircuitos pueden ser permanentes y temporales.. 2.4.3.1. Cortocircuito permanente Los Cortocircuitos permanentes, como el propio nombre lo indica son del tipo irreversible espontáneamente, necesitamos se repare la red para restablecer el sistema. Después de la apertura del disyuntor, el equipo de mantenimiento deberá trasladarse hasta el punto de falla y, solamente después de la reparación, el sistema será restablecido.. 2.4.3.2. Cortocircuito Temporal Los cortocircuitos temporales, son aquellos que ocurren sin ocasionar defecto en la red. Después de la actuación de la protección el sistema puede ser restablecido sin problemas. Siempre en lo punto del defecto temporal tiene la presencia del arco eléctrico (flashover). Los cortocircuitos trifásicos son equilibrados, basta por tanto considerar el circuito equivalete de secuencia positiva. Como los cortocircuitos bifásicos a tierra y monofásicos a tierra son desequilibrados deberán ser usados los diagramas de secuencia positiva, negativa y cero. a) Cortocircuito 1Ø-Tierra. 34.

(36) Es el tipo de falla más común, originado normalmente por las descargas atmosféricas o por los conductores al hacer contacto con las estructuras aterrizadas, o con la tierra misma, el esquema normalmente se presenta como se indica en la figura N°2.8.. Figura 2.8: Falla Monofásica a Tierra Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010) b) Falla Bifásico o Línea a Línea Este tipo de falla ocurre cuando 2 de las fases son interconectadas con algún objeto o cuando se conectan directamente como se muestra en la figura N°2.9.. Figura 2.9: Falla Bifásica o Línea a Línea Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010) c). Falla bifásica a Tierra o Doble Línea a Tierra Este evento se da cuando se produce una conexión entre 2 fases del sistema y tierra, es la más singular de todas ya que ocurre pocas veces. 35.

(37) Figura 2.10: Falla Bifásica a Tierra o Doble Línea a Tierra Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010). d) Falla Trifásica Es el cortocircuito donde todas las corrientes son equilibradas, por lo tanto, no hay diferencia en el cortocircuito 3Ø y 3Ø a tierra.. Figura 2.11: Falla Trifásica Fuente: Corto Circuito – Geraldo Kindermann (2010). 36.

(38) 3. 3.1. CÁPITULO III: TOPOGIA DEL SISTEMA ELÉCTRICO. GENERALIDADES DEL SOFTWARE ETAP En 1986 se lanzó la primera versión del programa ETAP (Electrical Transient Analysis Program), originalmente diseñado y enfocado en análisis transitorios de sistemas de potencia. Hoy en día, ETAP es reconocido como líder mundial en el suministro de soluciones para el análisis de sistemas de potencia, diseño, simulación, operación, control, optimización y automatización. Este software es usado por técnicos e ingenieros de diseño fundamentalmente para la simulación de sistemas de energía, incluyendo los sistemas de tierra, el seguimiento de los sistemas de energía, la potencia y otros. ETAP PowerStation es un programa gráfico de análisis transitorio de sistemas eléctricos de potencia, que permite: . Construir diagramas unifilares, disposición de alimentadores en canalizaciones subterráneas, malla de tierra, entre otros.. . Desarrollar estudios de flujo de carga AC y DC, cortocircuito, arranque de motores, armónicos, estabilidad transitoria, coordinación de protecciones, capacidad amperimétrica de cables, descarga de baterías, entre otros.. Barra de Herramientas Barra de Edición / Calculo. Editor de Proyecto. Barra de Herramientas Modelación AC/DC/Control. Barra de Herramientas del Sistema Diagrama Unifilar. Figura 3.1: Descripción del Software ETAP.. 37.