Análisis de las protecciones de la fábrica Cloro Sosa por eventos en línea de 34,5 kv

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTROENERGÉTICA. TRABAJO DE DIPLOMA TÍTULO: ANÁLISIS DE LAS PROTECCIONES DE LA FÁBRICA CLORO SOSA POR EVENTOS EN LÍNEAS DE 34,5 kV. AUTOR:. Danis Daniel Delgado Yera. TUTORES:. Dra. Martha Bravo de las Casas Ing. Alberto Martínez Almeida. Santa Clara 2015 ¨Año 57 de la Revolución¨.

(2) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. _______________________ Firma del Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. __________________________ Firma del Tutor. __________________________ Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. __________________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnico.

(3) Pensamiento PENSAMIENTO. …Saberse sacrificar es el precio del éxito durable en todo. José Martí. -I-.

(4) Dedicatoria DEDICATORIA. A mis padres, a mi hermana, a toda mi familia y a todas las personas que de una forma u otra me apoyaron en todos estos años.. -II-.

(5) Agradecimientos AGRADECIMIENTOS Por regalarme la vida, por dejarme vivirla a plenitud, por estar siempre presente: A mis padres Luis Ernesto y Bertha Lucrecia Porque su amor infinito y su presencia hacen de mí una mejor persona, me inspiran a esforzarme cada día por lograr mis metas: A mis abuelos Por ser una hermana maravillosa, confiar en mí y guardar todos mis secretos: A Dania Daniela Por la sabiduría, los consejos, y las palabras oportunas, gracias por tantos días: A mi tutora Martha Bravo Por soportarme en las buenas y en las malas, por regalarme esos momentos que nunca olvidaré, porque gracias a ellos la Universidad ha sido más fácil, más divertida, por los recuerdos que compartimos y nos van a unir toda la vida: a mis amigos Michel, José Ángel, Pedro Luis (Tigre), Adrián (Bill Gates) y Vicente. Por los tantos momentos vividos que serán inolvidables : A mi grupo de Ingeniería Eléctrica Por convertirme en una profesional gracias a sus valiosos conocimientos: A mis profesores A toda mi familia, por confiar en mí, apoyarme constantemente y enseñarme que el éxito está compuesto por talento, esfuerzo y originalidad. A todas las personas que a lo largo de los años me han apoyado para lograr las metas que me he propuesto. A los que de una forma u otra me han brindado su apoyo y ayuda, para la realización de este trabajo; A todos, ¡MUCHAS GRACIAS! -III-.

(6) Tareas Técnicas TAREAS TÉCNICAS 1. Revisión de la literatura relacionada con el tema. 2. Actualización de la red de 34.5 kV de la provincia en especial la región Sagua. 3. Obtención de los registros de los eventos en que han operado las protecciones de Cloro Sosa incorrectamente. 4. Corridas en el PSX de los eventos ocurridos en la región para la propuesta de soluciones a la problemática presentada. 5. Redacción del Informe.. _______________________. _____________________. Firma del Autor. Firma del Tutor. -IV-.

(7) Resumen RESUMEN Durante varios años la fábrica Cloro Sosa del municipio Sagua La Grande, de gran importancia para el país, ha tenido un conjunto de disparos en sus protecciones producto de averías en la red de 34,5 kV las cuales no han sido justificadas técnicamente para los especialistas. Actualmente se espera una modernización de esta industria con un elevado costo de inversión, lo que hace necesario que este tipo de evento no se siga produciendo por las implicaciones que tiene para la producción de cloro y el equipamiento que se instalará. En el presente trabajo se describieron las subestaciones objeto de estudio, Sagua 110/34.5 kV y Cloro Sosa, así como los problemas presentados por las protecciones eléctricas de la fábrica Cloro Sosa, donde la principal causa es las afectaciones motivadas por oscilaciones de tensiones productos de eventos en otras líneas del sistema. Además. se. caracterizaron. las. protecciones. que. se. vienen. utilizando. demostrándose que son obsoletas, se realizó la simulación de los eventos que han llevado a los disparos incorrectos en las protecciones de Cloro Sosa, auxiliándonos del PSX 3.02, llegándose a la conclusión de que las protecciones instaladas en ambas subestaciones son obsoletas y se propusieron soluciones técnicas para evitar los disparos incorrectos que traen afectaciones en las membranas de las celdas electrolíticas.. -V-.

(8) Tabla de Contenido TABLA DE CONTENIDO PENSAMIENTO ....................................................................................................................................... I DEDICATORIA ........................................................................................................................................ II AGRADECIMIENTOS.............................................................................................................................. III TAREAS TÉCNICAS ............................................................................................................................... IV RESUMEN ............................................................................................................................................. V INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO ................................................................................................. 4 1.1 Introducción ................................................................................................................................ 4 1.2 Redes de subtransmisión ............................................................................................................ 5 1.3 Protecciones de Redes Eléctricas ................................................................................................ 6 1.4 Estado de las protecciones en las redes eléctricas en Cuba ....................................................... 7 1.5 Protecciones eléctricas. Conceptos, parámetros y ajustes en las redes de subtransmisión ...... 8 1.5.1 Clasificaciones de los sistemas de protección....................................................................10 1.5.2 Sistemas de protección más usados en las líneas ..............................................................12 1.6 Fallas en sistemas de potencia ..................................................................................................16 1.7 Efecto de la generación distribuida sobre las protecciones .....................................................17 1.8 La industria de producción del cloro .........................................................................................19 CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE LAS REDES ELÉCTRICAS ......................................................................22 2.1 Introducción ..............................................................................................................................22 2.2 Descripción de la Subestación Sagua 110 kV ...........................................................................23 2.2.1 Características del suministro eléctrico .............................................................................23 2.3 Descripción de la Subestación Cloro Sosa .................................................................................29 2.3.1 Características del suministro eléctrico .............................................................................29 2.3.2 Banco de capacitores por alta ............................................................................................31.

(9) Tabla de Contenido 2.3.3 Fallas eléctricas Cloro Sosa.................................................................................................32 2.4 Protecciones instaladas .............................................................................................................38 2.4.1 Protecciones de Cloro Sosa ................................................................................................38 2.4.2 Protecciones de salida de las líneas de Sagua ....................................................................39 Capítulo 3. Resultados.........................................................................................................................43 3.1 Introducción ..............................................................................................................................43 3.2 Simulaciones de fallas en el alimentador 1205 .........................................................................43 3.2.1 Alimentación de Cloro Sosa por línea 1215 .......................................................................43 3.2.2 Alimentación de Cloro Sosa por línea expreso (1220) .......................................................47 3.3 Fallas trifásica en la línea 1210..................................................................................................50 3.3.1 Alimentación de Cloro Sosa por línea 1215 .......................................................................50 3.3.2 Alimentación de Cloro Sosa por línea expreso (1220) .......................................................52 3.4 Falla trifásica en la línea 1215 ...................................................................................................54 3.5 Fallas trifásica en la línea 1220..................................................................................................57 3.6 Entrada de los generadores de los centrales de la región Sagua ..............................................59 3.7 Soluciones técnicas ...................................................................................................................60 CONCLUSIONES ...................................................................................................................................61 RECOMENDACIONES ...........................................................................................................................62 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...........................................................................................................63.

(10) Introducción INTRODUCCIÓN La calidad del servicio en el suministro de energía eléctrica se mide, básicamente, en término del número y duración de las interrupciones en el suministro, así como por el mantenimiento de la tensión y frecuencia dentro de unos límites prefijados o nominales. El crecimiento de los sistemas eléctricos fue generando unas necesidades auxiliares, entre las cuales se incluyen los sistemas de protección. Durante varios años la fábrica Cloro Sosa de Sagua La Grande, de gran importancia para el país, ha tenido un conjunto de disparos en sus protecciones producto de averías en la red de 34,5 kV las cuales no han sido justificadas técnicamente para los especialistas. La principal causa es las afectaciones motivadas por oscilaciones de tensiones productos de eventos en otras líneas del sistema. En aras de encontrar una solución viable que diera respuesta a este problema se propusieron variantes posibles para minimizar estas afectaciones entre las que se encuentra quedar alimentados de forma aislada por un grupo de baterías electrógenas o grupo fuel oil de aproximadamente 5 MW más su reserva, habilitar una pequeña subestación 110 kV en las cercanías de la planta, independiente de la subestación Sagua o adquirir un sistema de UPS que durante el período de falla en el sistema estos equipos garanticen la estabilidad del suministro. Ninguna de estas variantes fueron ejecutadas, por lo que sería de vital importancia mejorar el sistema de protecciones en la subestación 34,5kV Sagua pues las existentes tienen un tiempo de explotación bastante prolongado y aunque se adquiera por la Cloro Sosa todo el equipamiento moderno de interruptores automáticos con sus protecciones y sistema de barra caliente, siempre quedará un sistema de alimentación con protecciones propensas a fallas. Todas las protecciones instaladas en la red de 34,5kV se encuentran obsoletas, ellas son de la década de los 60 del siglo pasado, de fabricación rusa, PT40con. -1-.

(11) Introducción sobrecorriente instantáneo y retardo de tiempo fijo en fase y tierra. Las protecciones con que cuenta la fábrica también son obsoletas. Actualmente se espera una modernización de esta industria con un elevado costo de inversión, lo que hace necesario que este tipo de evento no se siga produciendo por las implicaciones que tiene para la producción y el equipamiento que se instalará. En el presente trabajo se dio la tarea de realizar la actualización de la red de 34.5 kV de la provincia en especial la región Sagua, obtener los registros de los eventos en que han operado las protecciones de Cloro Sosa incorrectamente y realizar corridas en el PSX de los eventos ocurridos en la región para la propuesta de soluciones a la problemática presentada. Problema científico. ¿Están actuando las protecciones de la red de 34,5 kV y de la fábrica Cloro Sosa correctamente? Objeto de estudio. Las averías que han llevado a los disparos incorrectos de las protecciones de la fábrica Cloro Sosa ubicada en le región Sagua la Grande en la provincia de Villa Clara en la búsqueda de soluciones a estos eventos, dado por la inversión que se realizará en esta fábrica en meses próximos. Objetivo general. Realizar un estudio proponiendo soluciones técnicas de las actuaciones de las protecciones de la red de 34.5 kV de la región Sagua y la fábrica Cloro Sosa. Objetivos específicos. 1. Realizar una revisión bibliográfica relacionada con el tema. 2. Caracterizar la región Sagua y la fábrica Cloro Sosa con los eventos que se han producido. 3. Actualizar PSX provincia. 4. Simular los eventos que han llevado a los disparos incorrectos en las protecciones de Cloro Sosa. 5. Proponer soluciones. 6. Redactar informe. -2-.

(12) Introducción En el Capítulo 1 se hace un análisis bibliográfico de las redes subtransmisión y su problemática en cuanto a las condiciones de operación y sus protecciones, así como sobre conceptos y parámetros relacionados con las protecciones eléctricas y sus ajustes en las redes de subtransmisión, ayudando esto al cumplimiento de los objetivos de este trabajo. En el segundo capítulo se hace una caracterización de la red eléctrica de la provincia Villa Clara con los cambios actuales y las proyecciones futuras, en especial la región Sagua y la industria Cloro Sosa. Se describe la subestación objeto de estudio, Sagua110/34.5 kV, así como los problemas presentados por las protecciones eléctricas de la fábrica Cloro Sosa. También se exponen las características de las protecciones que se vienen utilizando y se hace un análisis de los eventos que se vienen presentando. El tercer capítulo se realizan las simulaciones de los eventos presentados utilizando el programa PSX 3.02 comprobando con ello lo actuación de las protecciones tanto de la fábrica Cloro Sosa como de la subestación Sagua.. -3-.

(13) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO 1.1 Introducción Con la irrupción, hacia finales del siglo XIX, de los primeros sistemas eléctricos alternos, empezaba una etapa entonces apenas insospechable del desarrollo de la energía eléctrica. El descubrimiento del transformador permitió, alrededor de 1885, vislumbrar la posibilidad de expansión a grandes áreas geográficas del transporte y distribución de la energía eléctrica [1]. En los años 1970, factores energéticos (crisis petrolera), ecológicos (cambio climático) y de demanda eléctrica (alta tasa de crecimiento) a nivel mundial, plantearon la necesidad de alternativas tecnológicas para asegurar, por un lado, el suministro oportuno y de calidad de la energía eléctrica y, por el otro el ahorro y el uso eficiente de los recursos naturales. Una de estas alternativas tecnológicas es generar la energía eléctrica lo más cerca posible al lugar del consumo, precisamente como se hacía en los albores de la industria eléctrica, incorporando ahora las ventajas de la tecnología moderna y el respaldo eléctrico de la red del sistema eléctrico. A esta modalidad de generación eléctrica se le conoce como Generación In-Situ, Generación Dispersa, IPP ("Independent Power Producer", Productor Independiente de Energía Eléctrica) o más comúnmente, Generación Distribuida (GD) [2]. La GD representa un cambio en el paradigma de la generación de energía eléctrica centralizada. Aunque se pudiera pensar que es un concepto nuevo, la realidad es que tiene su origen de alguna forma, en los inicios mismos de la generación eléctrica. Sin embargo, la GD está instalada en el mismo lugar donde se produce la demanda, reduciendo de esta forma la utilización de las redes de transporte de energía y las pérdidas globales del sistema por kWh consumido efectivamente, siendo estas sus ventajas competitivas fundamentales. En este capítulo se recopiló información acerca de las redes subtransmisión y su problemática en cuanto a las condiciones de operación y sus protecciones y además se hizo una revisión bibliográfica sobre conceptos y. -4-. parámetros.

(14) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico relacionados con las protecciones eléctricas. y sus ajustes en las redes de. subtransmisión. 1.2 Redes de subtransmisión Los sistemas de distribución están formados por circuitos de subtransmisión, subestaciones de distribución, alimentadores de distribución o alimentadores primarios, transformadores de distribución, circuitos secundarios y consumidores, y cuya función es suministrar energía eléctrica desde las estaciones transformadores de los sistemas de transmisión o generación distribuida (GD) hacia las distintas cargas a través de sus redes, las cuales pueden ser radiales, paralelas o bucles, o una serie de circuitos interconectados formando mallas [3]. Las líneas de subtransmisión son aquella que partiendo de una fuente, planta o subestación van a alimentar subestaciones de distribución o industriales en las cuales la tensión se reduce a los valores requeridos para el servicio de la industria o a los alimentadores de los circuitos de distribución. Sobre la base de esta definición pueden considerarse como de subtransmisión:  Las líneas que van desde las plantas a las subestaciones industriales. En este caso la tensión de la línea puede ser desde 2,4 hasta 13,8 kV  Las líneas que van desde las subestaciones de enlace hasta la subestación industrial. Nivel de tensión 34,5 kV.  Las líneas que van desde la subestación de salida de la planta hasta una subestación de distribución (S.D.). Nivel de tensión 34,5 kV. En este análisis está considerando las líneas de subtransmisión por el servicio que prestan y no por el nivel de tensión de las mismas. Normalmente la tensión de las líneas de subtransmisión es de 34,5 kV y en muchos casos se toma este nivel de tensión para definir estas líneas, aunque esto no es lo correcto [4]. El sistema de subtransmisión tiene como objetivos evacuar la potencia entregada por las empresas generadoras y el Sistema Nacional Interconectado (SNI), transportar y distribuir la energía hacia los centros de consumo, en las mejores condiciones de operación, seguridad y confiabilidad [5]. El nivel de carga adecuado para las líneas de subtransmisión en condiciones de operación normal, estado. -5-.

(15) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico estacionario, es aquel que les permita llegar hasta el 100% de su capacidad nominal [3]. 1.3 Protecciones de Redes Eléctricas El crecimiento de los sistemas eléctricos fue generando unas necesidades auxiliares, entre las cuales se incluyen los sistemas de protección. La calidad del servicio en el suministro de energía eléctrica se mide, básicamente, en término del número y duración de las interrupciones en el suministro, así como por el mantenimiento de la tensión y frecuencia dentro de unos límites prefijados o nominales. La acción de los agentes atmosféricos, fallos del material y errores humanos hacen que se produzcan disturbios (incidentes) en la red. Éstos pueden reducirse al mínimo si los sistemas están correctamente proyectados, con márgenes de seguridad económicamente razonable, una estudiada selección de los equipos, una organización del mantenimiento que tienda a detectar la parte de la red en que han disminuido sus coeficientes de seguridad y, por último, una adecuada selección, formación y motivación del personal encargado de la explotación. Pero, aun en los casos en que los sistemas eléctricos están cuidadosamente. proyectados,. conservados. y explotados,. siempre. existen. posibilidades de que se produzcan incidentes y, en tal caso, éstos deben ser eliminados de forma que quede desconectada del sistema la menor parte posible, a fin de que este siga funcionando. Esto se logra mediante la implantación generalizada de equipos de protección [1]. La conexión de un generador en cualquier punto de la red puede cambiar la magnitud y dirección del flujo de potencia y así afectar la calidad del servicio a entregar al cliente y en lo que respecta también la coordinación de las protecciones eléctricas. Esto es debido principalmente a que cada vez que aparece una falla, ahora existen varios caminos de aporte de corriente al lugar de la misma, ocasionando en múltiples ocasiones falla de coordinación entre los elementos de protección [6]. Lo ideal sería disponer de equipos de protección que indicasen con antelación suficiente el lugar o zona de ocurrencia de incidentes en lugar de limitar sus -6-.

(16) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico efectos. Por el momento, los actuales equipos de protección, a pesar de su elevado grado de prestaciones, solamente son capaces de eliminar los incidentes en un tiempo mínimo (del orden de algunos milisegundos). El gran reto que debe de superarse en un futuro próximo, consiste en diseñar equipos capaces de pronosticar un incidente y, a partir de ello, tomar las decisiones que permitan evitar la presencia de averías en la forma actual. Los medios informáticos y su rápido desarrollo, la evolución de los equipos de medida(transformadores de intensidad y de tensión) mediante la optoelectrónica, los nuevos diseños de interruptores automáticos, etc., han de permitir que el método de pronóstico y el de detección por variación brusca de magnitudes, se fundan en uno solo que permita, en definitiva, modificar el actual concepto de detección y eliminación de averías [1]. Un esquema de protección no es más que un grupo o arreglo de dispositivos llamados relevadores que se interconectan o interrelacionan para proteger a los equipos eléctricos primarios, detectando condiciones anormales de operación para evitar o reducir daños mayores al elemento primario. Los esquemas de protección para líneas de subtransmisión deben cumplir con las siguientes características: a) Disparo tripolar. b) Lógica de arranque tripolar del relevador de falla de interruptor. c) Lógica de arranque tripolar del relevador de recierre. d) Tiempo de operación del relevador. 1.4 Estado de las protecciones en las redes eléctricas en Cuba En Cuba las redes de distribución se encuentran en un proceso de descapitalización, lo anterior ha traído como consecuencias que se confronten un conjunto de problemas técnicos, pues no se han podido modernizar las redes como resultaría necesario, de acuerdo al desarrollo tecnológico de nuestros días. En particular, las protecciones de las redes de distribución han sufrido este deterioro. A principios de la década de los 90 del pasado siglo estos circuitos se encontraban protegidos con relés de diferentes marcas entre ellas rusas e incluso algunos IAC norteamericanos. (General. Electric). que. aún. se. comercializan,. del. tipo. electromagnéticos. Existían en algunos casos restauradores de diferentes firmas. Pero con el tiempo estas protecciones se vieron muy afectadas tanto en sus -7-.

(17) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico posibilidades de brindar protección como que se dañaron producto de roturas y el deterioro normal del tiempo [7]. Se ha introducido, por lo tanto, un conjunto de mejoras técnicas en las redes de distribución que alcanzan a las protecciones eléctricas. Cada uno de los circuitos se encuentran protegidos de formas diferentes actualmente, por ejemplo, con relés microprocesados de la Basler [8] de primera generación, otros por relés digitales modernos de grandes posibilidades de protección, los denominados Nu-Lec [9]. Se tiene como lineamiento nacional por problemas con las protecciones, solo una al inicio del circuito y se han eliminado todos los fusibles a lo largo del circuito, solo se protegen con fusibles los primarios de los transformadores, y no se aplican en puntos importantes de la red, como expone toda la bibliografía específica sobre el tema de distribución [10-11]. Es de vital importancia tener un relé digital a la salida de la subestación. Entre las ventajas de la protección de sobrecorriente numérica multifuncional en la subestación está que la misma tiene varias formas de curvas con lo que se logra una mejor coordinación, más un amplio intervalo de valores de corrientes de arranque los cuales no son posibles en los otros relés. Además de la posibilidad deseleccionar grupos de ajustes dependiendo de la condición de operación [12]. En caso de tener GD en la red será necesario un número mayor de funciones de protección, para lo cual con las versiones electromagnéticas habría que introducir varios relés. Con la versión digital multifuncional se logra con un solo equipo, donde el costo es aproximadamente la mitad de los que llevaría en caso de hacer las funciones por separado. A lo que se suma las posibilidades de estos equipos modernos de registros de eventos, oscilogramas, etc.[1]. 1.5 Protecciones eléctricas. Conceptos, parámetros y ajustes en las redes de subtransmisión Cuando se conecta la GD en los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP), provoca nuevas consecuencia técnicas, las que hacen necesaria la revisión de los sistemas de protección, por ejemplo, las redes dejan de ser radiales, pueden encontrarse. -8-.

(18) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico líneas multiterminales, flujos de potencia y de cortocircuito en varias direcciones, entre otras [1]. En el sentido amplio de la palabra, se puede definir el concepto de protección como el conjunto de equipos necesarios para la detección y eliminación de los incidentes en los sistemas o instalaciones eléctricas. Los conceptos básicos de protección son independientes del nivel de tensión de que se trate, de ahí que su aplicación sea indistinta. Son las limitaciones económicas las que, en última instancia, aconsejarán el número de equipos que deban instalarse, puesto que, salvo en ocasiones singulares, no tendría justificación proteger con un mayor costo que el que pueda corresponder a lo que se protege [1]. Es importante destacar que las protecciones eléctricas tienen como fin proteger al sistema eléctrico (componentes) y en la medida de lo posible a las personas de situaciones anormales en el sistema. Estas situaciones anormales se llaman eventos y pueden ser tales como los cortocircuito, sobre/bajo tensión, sobre frecuencia, etc. Mediante la coordinación de protecciones garantizamos la selectividad, confiabilidad e integridad de los sistemas eléctrico mediante el cálculo detallado de la funciones contenidas en los equipos de protección tanto en régimen permanente como transitorio [13]. El sistema de protección tiene por objeto la detección, localización y desconexión en forma automática del equipo afectado a fin de minimizar los efectos que el funcionamiento prolongado en estado de falla tendría sobre la instalación. Como expresamos anteriormente, para cumplir con estas funciones, el sistema de protección debe cumplir las siguientes condiciones fundamentales: selectividad – estabilidad – confiabilidad.  La selectividad es la cualidad de los sistemas de protección eléctrica por la cual su accionamiento debe sacar de servicio solo la porción de la red afectada por la falla o en su defecto, la menor porción posible.  La estabilidad es la que asegura que el sistema de protección no operará para fallas que se encuentran fuera del tramo o equipo al que se le ha asignado proteger (la protección permanece estable).. -9-.

(19) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico  La confiabilidad es otro de los requisitos que debe poseer el sistema de protección mediante el cual se determina la seguridad de que cada dispositivo opera en todas las ocasiones en que sea necesario de manera de no afectar la selectividad del conjunto [14]. 1.5.1 Clasificaciones de los sistemas de protección Entre las muchas clasificaciones que podrían establecerse por el desarrollo histórico, se ha elegido la que fija etapas bien definidas en la evolución de los sistemas de protección: Sistemas de protección directos: Son todos aquellos sistemas en los cuales el elemento de medida es, generalmente el mismo que el de corte -o está incorporado en él - y la magnitud que hay que controlar, normalmente la magnitud, se aplica a la protección sin ningún tipo de transformación.  Fusibles. Es el método de protección más antiguo de todos los utilizados. Se basa en el incremento de temperatura que sufre un conductor al ser atravesado por una intensidad. Se calibran de forma que el conductor se funde cuando es atravesado por una intensidad prefijada interrumpiendo el circuito. Los fusibles constituyen un método de protección simple y relativamente económico que además tiene como principal ventaja el hecho de eliminar elevadas corrientes de cortocircuito en tiempos menores a los 5 ms; con ello evita que la intensidad alcance su valor de pico y reduce por tanto las solicitaciones térmicas y dinámicas de la instalación. No obstante presenta una serie de desventajas como su poca precisión, bajo poder de corte, envejecimiento, etc.; que hacen que en la actualidad su uso quede restringido a los circuitos de baja tensión y a derivados de líneas y equipos de pequeña potencia de la red de media tensión.  Relés directos. Al igual que los fusibles protegen contra cortocircuito. Consiste en una bobina en serie con la entrada del interruptor automático y que por tanto, esta recorrida por la magnitud controlada. En el momento en que, por el incremento de la intensidad, aumenta la fuerza del campo electromagnético generado en la bobina. y supera la de un muelle. antagonista que tiene el aparato, se produce la desconexión (disparo) del -10-.

(20) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico interruptor automático o se desenclava un sistema de relojería que produce este dispara con un cierto retraso, según el modelo de relé de que se trate. Sistemas de protección indirectos: Son aquellos en los que la magnitud que hay que controlar (tensión, corriente, temperatura, etc.) se transforman en valores normalizados antes de inyectarse al relé de protección. En general, estos sistemas son más costosos que los directos al precisarse -además de la protección propiamente dicha- transductores y elementos de corte. Sin embargo, con su aparición el concepto de protección alcanza su plenitud. Los principales tipos son:  Sistemas electromagnéticos: la información suministrada a los relés en forma de intensidad o tensión es transformada por estos en una fuerza capaz de cerrar unos contactos que establecen la continuidad en el circuito de disparo.  Sistemas de bobina móvil: ellos ocupan una posición intermedia entre los equipos electromagnéticos y los electrónicos. Poseen algunos elementos electrónicos tales como diodos, resistencias y condensadores, pero la medida se efectúa aún electromagnéticamente por medios de un dispositivo de medida polarizado de cuadro móvil. Este sistema mide por integración los valores medios de la magnitud de entrada. La rapidez de este sistema es superior al electromagnético y su consumo y tamaño son inferiores.  Sistemas de electrónica convencional: este sistema mide por integración los valores instantáneos de la magnitud de entrada. La aplicación de la electrónica al campo de los sistemas de protección ha permitido desarrollar una nueva gama de tipos de protección. El esquema básico de las protecciones digitalizadas es muy parecido al de las protecciones electrónicas. La diferencia fundamental es que las segundas realizan la medida de forma analógica, mientras que las digitales la realizan por medio de unos algoritmos que operan con los valores instantáneos de la señal de entrada. Para ello es necesario disponer de una unidad que realice un muestreo de esta señal y de un conversor analógico digital [1].. -11-.

(21) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico Otros autores [14] plantean que en el estudio de los sistemas de protección más usuales surge una diferencia fundamental entre dos grupos definidos y diferenciados entre sí. Dichos grupos se designan como: Protecciones no limitadas: son aquellas cuyo radio de acción se extiende a lo largo del sistema protegido sin límites perfectamente definidos prolongando su alcance hasta zonas adyacentes con protección propia actuando en ese caso como protección de reserva. En realidad el radio de acción queda de alguna manera definido, con la particularidad que el alcance puede modificarse a voluntad variando el ajuste respectivo. Protecciones limitadas o de zona: son aquellas cuyo radio de acción se encuentra perfectamente definido en forma física por el circuito mismo. El ajuste de las protecciones de zona es independiente del ajuste de las protecciones de tramos adyacentes, teniendo en cuenta únicamente necesidades impuestas por el propio equipo a proteger. 1.5.2 Sistemas de protección más usados en las líneas Las protecciones de redes deben permitir la máxima libertad de maniobras en la red, sin necesidad de modificar las regulaciones establecidas. Las protecciones deben intervenir para eliminar:  Cortocircuitos trifásicos con o sin puesta a tierra.  Cortocircuitos bifásicos con o sin puesta a tierra.  Cortocircuitos monofásicos.  Doble puesta a tierra (simultaneidad de puesta a tierra de dos fases diferentes en distintos lugares). El principio a aplicar para la protección de redes contra cortocircuitos depende de la configuración de la red, del tiempo de desenganche máximo admisible y de la importancia económica de la línea. Los sistemas usados actualmente son los siguientes:  Protección con relés de distancia o de impedancia.  Protección con relés diferenciales.  Protección con relés de máxima intensidad y relés direccionales: La protección de máxima intensidad basa la selectividad en la temporización y -12-.

(22) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico son por lo tanto usuales para los relés las características denominadas “tiempo – corriente”. Estas características determinan el tiempo que demoran en operar los relés a los cuales pertenecen, en función de la corriente que los alimenta. Desde el punto de vista de la forma, los relés se clasifican de acuerdo a dichas características en: 1. Relé de tiempo independiente o tiempo definido 2. Relé de tiempo inverso Los esquemas de protección que existen en las redes eléctricas de medio y bajo tensión son generalmente de sobrecorriente tiempo inverso o tiempo definido, de acuerdo a los criterios convencionales de la protección. Puede ocurrir que aparezcan altos tiempos de limpieza de la falla o que exista coordinación no selectiva, ambas no aceptadas por los criterios de protección y además por el mercado de la energía eléctrica [15]. Protección de sobre corriente de tiempo definido. La protección de sobre corriente de tiempo definido es aquella en la cual el tiempo de operación es independiente del valor de la corriente de cortocircuito. Es decir que cualquiera sea la corriente de falla, siempre que ésta supere el valor de la corriente de arranque Ia, la operación del relé se producirá en el tiempo ajustado (Figura 1.1).. -13-.

(23) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico Figura 1.1. Característica de corriente contra tiempo del relé de tiempo definido. Los relés constan de dos partes fundamentales:  Elemento de arranque, el cual es un relé de sobre corriente instantáneo habitualmente de atracción electromagnética.  Dispositivo de retardo, es cual es un temporizador. Existen otros dispositivos posibles y además otros sistemas de retardo. Uno muy difundido es aquel en que la bobina de arranque carga el resorte de un mecanismo de relojería que mediante un sistema de corriente de escape cuenta el tiempo de retardo preajustado. Protección de sobre corriente de tiempo inverso. Las protecciones de sobre corriente de tiempo inverso son aquellos en que el tiempo de operación disminuye a medida que aumenta la corriente que circula por el relé. De la característica se observa que la dependencia es muy pronunciada para pequeños valores de corriente y luego va desapareciendo a medida que el circuito magnético del relé se va saturando. La característica se muestra en la figura1.2.. Figura1.2.Característica de corriente contra tiempo del relé de tiempo inverso.. -14-.

(24) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico Protección con relés de distancia o de impedancia. Con el nombre genérico de protección de distansia se conoce toda una gama de relés cuya unidad de medida actúa en función del valor de la impedancia por fase del elemento protegido. Probablemente, la denominación correcta sería la de relé de mínima impedancia o relé de mínima reactancia. Sin embargo, dado que el principal campo de aplicación de estos relés los constituyen las líneas de transporte y que la impedancia o reactancia de una linea es proporcional a su longitud, ha venido a denominárseles relés de distancia. El relé de distancia tiene un principio de funcionamiento relativamente simple, pese a su complejidad aparente. Sin embargo, su aplicación practica como protección exige tener en cuenta multiples factores tales como: la resistencia del arco, las distintas potencias de cortocircuito en uno y otro extremo, el efecto de la no trasposición de los conductores, el efecto de la impedancia mutua homopolar en las lineas paralelas, el efecto de la carriente de carga de la linea protegida, etc [1]. Protección con relés diferenciales. Las protecciones diferenciales constituyen sistemas de protección absolutamente selectivos o cerrados, es decir, sistemas en los cuales la operación y selectividad dependen únicamente de la comparación de las intensidades de cada uno de los extremos de la zona protegida. Principios básicos Las protecciones diferenciales están basadas en la primera ley de Kirchhoff, que dice que la suma vectorial de todas las intensidades que llegan a un nudo debe de ser cero Si se considera el elemento que hay que proteger como un nudo y se instalan transformadores de intensidad en cada una de sus entradas-salidas (2,3,...n) la protección puede ser un simple relé de sobrecorriente que ordene disparo en el momento que esta suma no sea cero, lo que equivale a una falta interna. En condiciones normales, es decir, sin anomalía en la zona comprendida entre los transformadores de intensidad, la corriente pasa a través del elemento protegido. Lo mismo ocurre en el circuito secundario de los transformadores. El equilibrio -15-.

(25) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico entre ambas corrientes secundarias no produce ninguna corriente en el circuito diferencial donde está instalado el relé de intensidad, figura1.3. Naturalmente, esto es solo teoría. Los. transformadores de intensidad tienen errores de. transformación, en módulo y argumento, no siempre despreciables.. Figura 1.3. Esquema de una protección diferencial. 1.6 Fallas en sistemas de potencia Uno de los tipos de falla más común en los sistemas de potencia es el cortocircuito, que implica sobrecorrientes o desbalances en la tensión, o ambas. Cerca del 85% de las fallas a nivel mundial son monofásicas a tierra, el 5% involucra más de una fase y el 10% de las restantes son del tipo mecánicas. Un caso particular en el análisis de fallas en sistemas de potencia es la ocurrencia de dos o más fallas en el mismo instante de tiempo, situación que puede ser resultado de algunos eventos, como la caída de descargas atmosféricas o accidentes causados por mala manipulación de los equipos por parte de los operarios. Usualmente solo se consideran dos fallas simultáneas, debido a la baja probabilidad de que ocurran más eventos en el mismo instante de tiempo [16]. A lo largo de los años se ha hecho evidente que la máxima capacidad operativa de un sistema de transmisión seguro se basa frecuentemente en la estabilidad de la tensión y de los ángulos de fase, y no tanto en sus limitaciones físicas. Así pues, -16-.

(26) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico en vez de construir nuevas líneas, la industria ha buscado desarrollar tecnologías o dispositivos que incrementen la capacidad de las redes de transmisión, manteniendo, al mismo tiempo, o incluso mejorando, la estabilidad de la red. En teoría, un sistema de transmisión puede transportar energía hasta alcanzar sus límites de carga térmica. En la práctica, sin embargo, el sistema casi siempre está restringido por los límites de estabilidad y de variación de la tensión, y por las circulaciones de potencia, antes de alcanzar el límite térmico. Los niveles de tensión en sistemas de CA pueden variar moderadamente, pero no se admite que superen límites bien definidos, generalmente del 5 al 10 por ciento. Los límites de estabilidad de la transmisión se refieren a la energía que un sistema afectado por importantes averías puede transmitir sin haber perdido nada de su capacidad de transmisión [16]. 1.7 Efecto de la generación distribuida sobre las protecciones La generación distribuida (GD) es donde la fuente generadora está conectada directamente a la red de distribución o está en las inmediaciones de los receptores a los que alimenta. No se especifica en la definición anterior un rango de generación ya que este depende de las características locales de la red, conjuntamente. con. un. grupo. de. ventajas. y. desventajas,. a. mencionar. posteriormente, propias de la GD. Su implementación en los sistemas de distribución resulta beneficioso para el SEP y para los usuarios. Tiene aspectos positivos, especialmente los relativos a la limitación de las picos de carga en la red de distribución, y para diferir o evitar totalmente el costo en ampliaciones de la infraestructura de distribución. Por otra parte, la GD puede ser incorporada al sistema eléctrico mucho más rápidamente que las soluciones convencionales, presentando, además, la notable ventaja de su capacidad de ser implantada por escalones suficientemente pequeños de forma que puede ajustarse estrictamente al crecimiento de la demanda. Existen también desventajas, especialmente ligadas a las herramientas de planificación tradicionalmente utilizadas por las compañías eléctricas, herramientas que deben ser modificadas para adaptarlas a la nueva situación. Estos problemas afectan a ciertas áreas clásicas, por ejemplo la planificación de las ampliaciones de -17-.

(27) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico la red, y también a nuevos campos, como las herramientas de predicción de la generación y el control de ésta, que se encuentra distribuida en cientos de unidades dispersas. La conexión de GD en las redes de distribución convierte a sistemas simples en redes complicadas. Los sistemas radiales tendrán ahora múltiples fuentes, las cuales hacen cambiar el flujo de la corriente de falla. Los esquemas de protección tradicionales se convierten en no efectivos [17]. Varios estudios han mostrado los siguientes problemas en las protecciones [18]: operación incorrecta de las protecciones de los alimentadores, incremento o decrecimiento de los niveles de cortocircuito [19], pérdida de sensibilidad, aislamiento no deseado, recierre no sincronizado, etc. El sistema de protección tradicional ha sido diseñado considerando los niveles de los cortocircuitos, corrientes de máxima carga, sistema de tensión y nivel de aislamiento de un sistema radial [20]. Después de la conexión de la GD, parte del sistema puede que no sea radial, lo que trae consigo problemas en la actuación de las protecciones. Pueden ocurrir operaciones incorrectas, fallo del esquema de los fusibles, reducción del alcance potencial de cortocircuitos a localizar por la protección así como disparos incorrectos, además de problemas con la coordinación. La protección opera innecesariamente para fallas en otras zonas de la protección, producto de la contribución de la GD. En la figura 1.4 se muestra un ejemplo. El relé ubicado en A y el restaurador (recerradores o recloser) no son direccionales. Para el caso de falla en B puede ocurrir un disparo incorrecto de A por la contribución de la GD, por lo tanto se nota la necesidad de que las protecciones sean direccionales [1].. Figura 1.4. Esquema ilustrativo de mala operación cuando hay GD.. -18-.

(28) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico Muchas empresas utilizan esquemas de protección con restauradores [10] y fusibles. Normalmente el primero y/o segundo disparo del restaurador es rápido, y los otros dos con retardo para lograr una buena coordinación con los fusibles. En los dos primeros disparos el fusible no debe fundirse, para si el cortocircuito es transitorio. La presencia de DG puede que haga que esto no se cumpla debido al sentido de circulación de la corriente. Además, la utilización de GD puede provocar que el funcionamiento del restaurador no sea exitoso, ya que la GD continúa en operación durante el tiempo en que el restaurador está abierto. La tensión se mantiene y la falla se seguirá alimentado, lo que puede hacer que el arco no se extinga y por lo tanto la falla se convierte en permanente. Esto se traduce en un deterioro de la fiabilidad de la red y un incremento del número de consumidores que han perdido el servicio. Por otro lado, el recierre no exitoso incrementa el daño a las componentes de la red ya que el restaurador cerrará en el momento en que la falla está presente [17]. Todos los equipos componentes de un sistema eléctrico están sujetos a fallas que en general afectan el servicio y al mismo tiempo comprometen la integridad del equipo afectado e inclusive la de los equipos instalados entre el punto de la falla y el generador, los cuales no son responsables del defecto [14]. La gran mayoría de las protecciones actuales implementan los principios de protección tradicionales, pero en lo fundamental mantienen las mismas limitaciones en el diagnóstico de fallos. 1.8 La industria de producción del cloro El cloro forma parte de nuestra vida en muchos más aspectos de los que se piensa. Es esencial para el desarrollo de la industria química, plásticos y medicinas aunque el producto final no lo contenga, por tanto lo es para el mantenimiento de la calidad de vida de la sociedad moderna. Interviene en el proceso de fabricación aproximadamente en un 60% de los productos de química básica, lo que supone un valor elevado para la economía de un país. Además más del 90% del agua potable por ejemplo en Europa Occidental está garantizada gracias a la utilización de cloro, que actúa como desinfectante hasta que el agua llega a los hogares, de lo cual Cuba no es una excepción. El cloro -19-.

(29) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico desempeña un papel clave en la erradicación de patógenos como el tifus, el cólera y la diarrea. Téngase en cuenta que 1,6 millones de niños mueren cada año en todo el mundo a causa de la diarrea provocada por microbios en el agua. El plástico PVC fabricado con cloro se emplea en el 25% de los utensilios médicos. Entre éstos se incluyen bolsas de sangre, tubos estériles, catéteres para el corazón y odontología. La mayoría de los medicamentos, incluidos muchos fármacos vitales, se sintetiza mediante la química del cloro. El cloro se utiliza en forma de lejía, desinfectantes y antisépticos domésticos para combatir una gran variedad de microbios en hogares, hospitales, piscinas, restaurantes y otros lugares públicos [21]. El cloro puede ser fabricado por electrólisis de una solución de cloruro de sodio. La producción de los resultados de cloro tiene como subproductos la sosa cáustica y gas hidrógeno. Estos dos productos, así como cloro propiamente, son altamente reactivos. El cloro también puede ser producido por la electrólisis de una solución de cloruro de potasio, en cuyo caso los subproductos son hidrógeno y potasa cáustica. El cloro es producido a través de tres tecnologías diferentes. La tecnología de membranas es un 51,2% de la producción seguida del método de mercurio (31,8%) y de la fabricación por diafragma (14%). La conversión hacia la tecnología de membranas en la Empresa Cloro Sosa es una realidad hoy. La producción a gran escala de cloro implica varios pasos y muchas piezas de equipo. Una planta típica de membrana donde también se produce hidróxido de sodio y gas hidrógeno consiste en la producción de salmuera/tratamiento, las operaciones con celdas, enfriamiento y secado de cloro, cloro de compresión y licuefacción, cloro líquido de almacenamiento y carga, manipulación cáustica, evaporación, almacenamiento y carga y manipulación de hidrógeno. La producción de cloro por lo tanto demanda un uso intensivo de la energía eléctrica, es decir de calidad y continuidad. El consumo de energía por unidad de peso de producto no es muy inferior a la de fabricación de hierro y acero y mayor que para la producción de vidrio o cemento. Puesto que la electricidad es una materia prima indispensable para la producción -20-.

(30) Capítulo 1. Análisis Bibliográfico de cloro, el consumo de energía correspondiente a la reacción electroquímica no puede ser reducido. Ahorro de energía se deben principalmente a través de la aplicación de tecnologías más eficientes y reducir el uso de energía auxiliar.. -21-.

(31) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE LAS REDES ELÉCTRICAS 2.1 Introducción En este capítulo se describen de las subestaciones Sagua 110 kV y Cloro Sosa las características del suministro eléctrico de cada una de ellas y sus diagramas monolineales y de la subestación de la Cloro Sosa específicamente su banco de capacitores con su sala de reactancia y además se relacionan las afectaciones eléctricas así como las pérdidas ocasionadas en los últimos ocho años y hasta enero del 2015 en dicha planta. La Empresa Electroquímica de Sagua (ELQUIM), situada en Carretera Santa Clara km 4½, Sagua la Grande, Villa Clara, es una de las industrias químicas más importantes en la obtención de hidróxido de sodio líquido y del cloro e hidrógeno gas. Esta producción se realiza en la planta Cloro Sosa, a través de un proceso físico, químico y electrolítico, basado en la electrólisis de una solución saturada de cloruro de sodio al paso de la corriente eléctrica en una corriente de mercurio [22]. La sala de electrólisis, es la unidad de producción fundamental de la Planta Cloro Sosa, la cual posee 14 electrolizadores o celdas electrolíticas del tipo 11 KFM-120 longitudinal con cátodo de mercurio. En las membranas de las celdas electrolíticas al ocurrir un fallo brusco en su sistema de alimentación eléctrica se establecen diferencias de presiones que provocan vibraciones y que dan al traste con la ruptura de las mismas. Según las especificaciones establecidas por el fabricante UHDE (empresa líder en fabricación de células electrolíticas a escala mundial y reconocido proveedor de plantas de cloro) para la garantía de las celdas de membranas el nivel de afectaciones permisibles en el año deberá ser inferior a 52 [23]. El. número. de. afectaciones. anuales. generadas. en. la. planta. dadas. fundamentalmente por oscilaciones de tensión, falla de corriente en la línea de alimentación y disparo de la línea 110 kV exceden de forma histórica el parámetro requerido aunque desde el punto de vista de la Empresa Eléctrica y de las condiciones normales de suministro que requieren la mayoría de los consumidores. -22-.

(32) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas del país, el esquema de fiabilidad es bastante alto. Es por ello que se realiza un estudio en las líneas de 34.5 kV que conforman la subestación eléctrica de Sagua La Grande ya que este gran número de interrupciones eléctricas en la entidad se producen pues sus protecciones se disparan frente a diferentes fallas eléctricas producto a problemas en otras líneas y por ende no se logra un suministro estable de energía. 2.2 Descripción de la Subestación Sagua 110 kV Fue construida a principios de la década del 80 del pasado siglo, ubicada al oeste del municipio Sagua la Grande, en la carretera que va hacia Quemado de Güines, la subestación Sagua 110 kV está entre las mayores instalaciones de su tipo con las que cuenta la provincia Villa Clara, brinda servicio a una zona de variada actividad económica y social[24]. 2.2.1 Características del suministro eléctrico La subestación Sagua se alimenta eléctricamente desde la subestación Yabú 220 kV mediante dos líneas radiales de 110 kV, los interruptores 8330 y 8430, con derivación a la subestación Calabazar 110 kV; es responsable del suministro de energía eléctrica a aproximadamente 30 000 clientes de ellos el 95.07% son residenciales y el 4.92% estatales. Actualmente cuenta con un emplazamiento de fuel oil con 12 máquinas fuel-oil Hyundai de origen coreana de capacidad de generación de 1,66 MVA cada unidad. Las mismas se dividirán en tres Plantas con cuatro máquinas por transformadores sumando un total de 20 MVA. Generan a un nivel de tensión de 4,16 kV que opera en condiciones normales sincronizada a la barra de 34.5 kV. Por 110 kV, la subestación se caracteriza por un esquema de barra auxiliar y barra principal seccionalizada (Figura2.1), se conecta mediante desconectivos a dos transformadores de origen ruso, T-1 y T-2 ambos de 25 MVA, 110 / 34,5 kV cada uno con interruptores totalizadores por el lado de 34,5 kV (1200 y 1465). Por baja (34,5kV) el esquema cuenta con una barra auxiliar (BUS AUX) y la barra principal seccionalizada en la barra 1 (BUS 1) y la barra 2 (BUS 2) por medio del interruptor 1460. El BUS 1 tiene conectados los alimentadores 1205 y 1220 además de la -23-.

(33) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas Batería 1del grupo eléctrico fuel oil (GE Fuel) por el interruptor 6333 y el BUS 2 tiene conectados los alimentadores 1210, 1215 y 1455 además de las Baterías 2 y 3 (GE Fuel) por los interruptores 6337 y 6341 respectivamente, que se pueden apreciar en la figura 2.1. Un filtro de armónicos (fundamentalmente para el 5to armónico cuando alcanza una carga máxima de 6.0 MW donde hay una entrega de reactivo a la barra 1 de Sagua) con un banco de capacitores de 6,5 MVA y 5 CMVAr conectados al alimentador 1220, Cloro Sosa. Por el circuito 1220 (línea expresa) se alimenta la planta Cloro Sosa perteneciente a la Empresa Electroquímica, normalmente están conectados dos consumidores más, la Fábrica de Hielo y la Empresa de Lácteos. Por esta barra también existe un esquema de alimentación que aumenta la fiabilidad de la industria pues en caso de falla del 1220 la industria puede enlazarse con los alimentadores 1215 o 1205 a través de interruptores en aire para casos de avería. Sin embargo estos esquemas no se operan de forma automática por lo requieren retardos de tiempos de operación, que aunque no son grandes no asegurando así el suministro continuo. En condiciones normales de operación los cuatro alimentadores de Sagua 110 kV (1205, 1210, 1215, 1220) brindan servicio a los municipios de Sagua, Quemado de Güines y parte de los municipios de Corralillo y Cifuentes. Los transformadores T-1 y T-2, operan con enlace de barras normalmente abierto por 34,5 kV. El transformador T-2 en tiempos de zafra azucarera posee tres industrias de este tipo, estando ellas sincronizadas al SEN, el CAI Panchito Gómez Toro con 6,5 MW, es decir dos turbogeneradores, uno de 4 MW y uno de 2,5 MW, el CAI Quintín Banderas con 7,5 MW, tres turbogeneradores, uno de 4 MW, uno de 2 MW y uno de 2,5 MW y el CAI Héctor Rodríguez 8 MW, dos turbogeneradores de 4 MW.. -24-.

(34) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas. Figura 2.1. Esquema actual de la subestación Sagua 110 kV. El transformador T-1 posee un alimentador que brinda servicio exclusivo a la fábrica Cloro Sosa, siendo este su principal cliente, además brinda servicio al municipio Sagua teniendo entre sus principales clientes: Fundición 9 de Abril, Electroquímica y Fábrica de Bujías. El alimentador 1210, alimentado por T-2 y limitado por los desconectivos 178 y 1135 (Rancho Veloz), brinda servicio a. clientes de los municipios Sagua,. Quemado de Güines y Corralillo, siendo los principales clientes los. centrales. Azucareros Quintín Banderas y Panchito Gómez Toro (Figura2.2). El alimentador 1220 es alimentado por T-1 y brinda servicio a la Fábrica de Hielo, Fábrica de Lácteos y Cloro Sosa, siendo este último el principal cliente. El alimentador 1205 también es alimentado por T-1 y limitado por el 1302, brinda -25-.

(35) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas servicio al municipio de Sagua siendo los principales clientes Electroquímica, Fábrica de Bujías, Fábrica de Calderas y Fundición 9 de Abril. El Alimentador 1215 es alimentado por T-2 y limitado por el 1302 y 159 (Cifuentes), brinda servicio a clientes de los municipios Sagua y Cifuentes, siendo sus principales clientes CAI Héctor Rodríguez y Taller de Tolvas en Sitiecito. (Figura 2.2 y Figura 2.3).. -26-.

(36) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas. Figura 2.2. Esquema actual del lazo Santa Clara-Sagua-Santo Domingo-Cruces. -27-.

(37) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas. Figura 2.3. Esquema actual del lazo Sagua-Calabazar.. -28-.

(38) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas 2.3 Descripción de la Subestación Cloro Sosa 2.3.1 Características del suministro eléctrico En la figura 2.4 muestra la subestación de la Cloro Sosa perteneciente a la empresa ELQUIM la cuales alimentada por dos líneas trifásicas (1220 y 1215), procedentes del SEN. Estas líneas poseen un nivel máximo de cortocircuito de 220 MVA y uno mínimo de 206 MVA.. Figura 2.4. Diagrama monolineal de la subestación eléctrica de Cloro Sosa. La línea por la cual se alimenta la Empresa Cloro Sosa de Sagua es de un calibre 3/0 con un máximo de 450 A. En la actualidad la planta ocupa el 27% de esta -29-.

(39) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas capacidad de la línea expresa la cual se encuentra por el interruptor 1220, el resto de los clientes son despreciables y utilizando una nueva planta cuya capacidad duplique la actual se llegaría a un 54 %. De estar la línea hacia la nueva planta por el alimentador 1215, por la carga instalada restante la planta podría ocupar hasta 400 A, lo cual también se puede suministrar sin problemas. Solo habría inconvenientes si se alimentara por el 1205, el cual si está tomando valores de hasta 11 MW en el pico, esta es la segunda vía de alimentación que hay hoy tiene problemas en el soterrado del 1215. Por lo que se puede asumir que con las dos vías de alimentación 1220 y 1215 no existen riesgos de sobrecargas, si con el 1205, que sería una tercera vía [25]. Posee una fuente de tensión (G-1) que contiene la opción de conectarse internamente en estrella (Y) con una conexión de neutro que puede ser internamente puesta en tierra o puede hacerse accesible, pero para su esquema se ha utilizado la conexión Y aterrada. Además consta de dos transformadores trifásicos (T-3 y T-4) de distribución de 3.15 MVA, 34.5/0.48 kV cada uno, los cuales están conectados internamente en ΔҮ aterrada y tienen una impedancia de 7.25%. Otros dos transformadores (T-1 y T-2) suministran la tensión que necesitan los tiristores para su funcionamiento, ellos constan de tres enrollados. La tensión por primario de cada uno es de 34.5 kV, sus dos enrollados del secundario suministran una tensión de 150 V. Tienen una conexión Y aterrada –Y aterrada -Δ, con una capacidad de 4 MVA cada uno y una impedancia de un 10%. También consta de dos rectificadores de 12 pulsos que tienen una capacidad de 4 MVA cada uno, suministran a cada electrolizador una corriente 16.5 kA [26]. No existe la posibilidad de operar las cuchillas 1306 y 1308 de forma automática y en un tiempo que no sea perceptible para proceso productivo pues estas, por su configuración, no pueden ser operadas con carga, por lo que es necesario la operación anterior de los interruptores 1325, 1322, 1319 y 1316 que corresponden a la alimentación de los transformadores, T1, T2, T3 y T4 respectivamente, que si pueden operar con carga, garantizando que la capacidad de interrupción de las -30-.

(40) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas cuchillas sea cero. Tampoco el accionamiento de ambas cuchillas puede realizarse al unísono pues el sistema de pizarras está diseñado con un bloqueo mecánico (Interlock) para garantizar que solo opere una sola en cualquier instante de tiempo. 2.3.2 Banco de capacitores por alta La inmensa mayoría de los equipos. eléctricos que se alimenta del sistema. electroenergético con independencia de la tensión aplicada a ellos, consumen en mayor o menor grado energía reactiva. Además de la energía activa que es la que comúnmente se mide en los metros contadores. La energía reactiva se traslada a través de las líneas de alimentación hasta los equipos por la misma línea de los equipos siendo una carga más para dichas líneas y ocasionando pérdidas en esta. Al conectar en banco de capacitores esta energía se compensa en dichos equipos y deja de circular por las líneas de alimentación disminuyendo las pérdidas en líneas y mejorando el factor de potencia en la instalación dejando de pagarse la penalización al tener un factor de potencia superior a 0.9 [27]. En la figura 2.4 se muestra la capacidad nominal de 6.48 MVA, y 5.00 CMVAr. Esta sala de reactancias constituye un filtro de armónicos que reduce fundamentalmente los armónicos 5to y 11no, está compuesta por tres elementos por fase de 360 CKVAr, 7.7 kV y 1676 F en conexión doble estrella; en total son 18 elementos de 360 CKVAR que generan 5 MVAr capacitivos y está conectado por 34,5 kV. El filtro de 5to armónico mejora notablemente los niveles de distorsión y existe un aumento considerable del factor de potencia, ya que los armónicos de baja impedancia en este sistema quedan prácticamente eliminados, siendo esto una de las características más importantes del filtro. Además de que trabaja exitosamente en cuanto a compensación de energía reactiva, pero en cuanto a la distorsión no hace desaparecer íntegramente los armónicos (11 y 13). Por lo tanto, sería conveniente obtener un nuevo filtro que mejorara [28]. La industria en fecha próxima recibirá una modernización y atendiendo a las especificaciones establecidas por el fabricante (UHDE) para la garantía de las celdas de membranas (el nivel de afectaciones permisibles en el año deberá ser. -31-.

(41) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas inferior a 52) se hace necesario mejorar la calidad del servicio de la energía eléctrica a la empresa, pues el número de afectaciones anuales generadas fundamentalmente por oscilaciones de tensión, frecuencia y fallos de corriente exceden de forma histórica el parámetro requerido, o sea que el SEN bajo las condiciones actuales no garantiza los requerimientos establecidos por el fabricante. La subestación será diseñada con dos celdas de alta tensión (una para cada línea de entrada) del tipo revestido normal (normalclad) con tecnología blindada, IP ajustado al local de ubicación. Los interruptores de entrada tendrán la capacidad de realizar la transferencia automática en caso de falla en la línea que se encuentra brindando el servicio. El interruptor conectado a la línea principal de servicio operará en estado normalmente cerrado (NC) mientras que el conectado a la línea secundaria de servicio permanecerá Normalmente Abierto (NO), el cambio de estado de este último se realizará en caso de falla en la alimentación principal. Se realizará el diseño para lograr en un futuro que ambos puedan operar en estado NC. En las membranas al ocurrir un fallo brusco en su sistema de alimentación se establecen diferencias de presiones que provocan vibraciones y que dan al traste con la ruptura de las mismas. Si tenemos en cuenta el alto costo de las celdas de membranas, (aproximadamente 500 dólares el m2 y serían 80 celdas de 2.5m² lo que reportaría 100 000 dólares), se hace más que necesario garantizar un suministro estable de energía y por ende una mejora sustancial de este servicio. 2.3.3 Fallas eléctricas Cloro Sosa Desde el año 2009 la Empresa Electroquímica de Sagua y la Empresa Eléctrica de Villa Clara, están teniendo encuentros periódicos en aras de mejorar la calidad del servicio eléctrico brindado. Producto de esto existe implementado un mecanismo de informar por parte de ELQUIM todas las afectaciones, que se deben a oscilaciones de tensión para investigar su causa en los registros de la Empresa Eléctrica Villa Clara. Las afectaciones desde el año 2007 a la fecha en los registros y según comunicación vía correo de los especialistas de Electroquímica, son las que se muestran en la tabla 2.1, así como las pérdidas ocasionadas en miles de peso. -32-.

(42) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas Tabla2.1. Afectaciones eléctricas en Cloro Sosa. Años 2007-2015. Año. Planificadas. No Planificadas. Total. Pérdidas (MP). 2007. 13. 84. 97. 143,63. 2008. 18. 63. 81. 98,24. 2009. 10. 67. 77. 148,96. 2010. 9. 38. 47. 154,1. 2011. 11. 44. 55. 131,93. 2012. -. 50. 50. 119,97. 2013. 5. 54. 59. 115,21. 2014. 1. 42. 43. 85.97. 2015. 3. Como demuestra la tabla anterior se aprecia una disminución de las afectaciones no planificadas que son las de peor incidencia sobre las membranas, pero a presar de ello todavía no se cumple con las especificaciones que exige el fabricante. En la tabla 2.2 se observa que la principal causa es las afectaciones motivadas por oscilaciones de tensión productos de eventos en otras líneas del sistema en los últimos 5 años. Se puede apreciar que los disparos por frecuencia (DAF) no es una causa de interrupción significativa, esto lo explica que la línea expreso de Cloro Sosa 1220 se encuentra en uno de los últimos escalones 58.7 Hz con 44 s. Por lo que la selectividad de las protecciones no afecta a la planta. La presencia de estas afectaciones han obligado a operar la barra de 34.5 kV de Sagua con el enlace abierto de forma permanente, lo que tampoco es bueno para el SEN pues, se afecta la fiabilidad del servicio al resto de los clientes y la carga y la generación en barras queda desbalanceada, trayendo consigo un incremento de las pérdidas de energía. Existen horarios en que la generación de las baterías fuel va hacia la barra de 110 kV a través de un transformador y luego baja por el otro transformador hacia la barra más cargada.. -33-.

(43) Capítulo 2. Descripción de las redes eléctricas Tabla 2.2. Afectaciones eléctricas según causa. Años 2007-2015. Años Causa 2010. 2011. 2012. 2013. 2014. 2015. Total. 10. 17. 4. 7. 14. -. 140. 14. 14. 33. 34. 26. 2. 228. -. -. -. -. -. -. 8. 7. 9. 5. 1. -. 36. Disparo por Frecuencia. -. -. 2. -. 1. -. 16. No autorización de arrancada. -. 1. -. -. -. -. 5. Disparo en línea 110 kV. 9. 8. 5. 5. -. 1. 45. Trabajo en línea 1220. -. -. -. -. -. -. 3. Emergencia energética. -. -. -. -. -. -. 1. 2. 1. -. -. -. -. 5. 3. 4. 3. 6. -. -. 16. 2. -. -. -. -. -. 2. Incendio subestación Sagua. -. 1. -. -. -. -. 1. Disparo en la línea 1215. -. -. 2. -. -. -. 2. -. -. 1. -. -. 1. -. -. -. 2. 1. -. 3. 47. 55. 50. 59. 43. 3. 512. Falla de corriente en la línea de alimentación Oscilación de tensión Reparación alimentación. de. la. línea. de. Cambio de la línea de alimentación. Trabajo mantenimiento de Empresa Eléctrica Disparo en línea alimentación 1220 Disparo de sobretensión. rectificadores. por. Fallo en aisladores Subestación Cloro Sosa Afectación por suministro eléctrico a la bomba del río Total. -34-.