Análisis de contingencia por la entrada de la subestación Sancti Spíritus 220/ 110 kV

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. Trabajo de Diploma Análisis de contingencias por la entrada de la subestación Sancti Spíritus 220/110 kV. Autor: Roger Díaz Palmero. Tutores: Dra. Marta Bravo De Las Casas Ing. Vicente Ruíz Sánchez. Santa Clara 2012 “Año 54 de la Revolución” i.

(2) Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. Trabajo de Diploma Análisis de contingencia por la entrada de la subestación Sancti Spíritus 220/ 110 kV Autor: Roger Díaz Palmero E- mail: [email protected] Tutor: Dra. Marta Bravo De Las Casas E-mail: [email protected] Ing. Vicente Ruíz Sánchez E-mail: [email protected] Departamento de Electroenergética Facultad de Ingeniería Eléctrica UCLV Santa Clara 2012 “Año 54 de la Revolución” i.

(3) 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 en Electricidad, 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 Autor. ____________ Firma del jefe de Dpto.. ____________________________ Firma del Responsable de Información Científico –Técnica ii.

(4) “Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad.” Albert Einstein. iii.

(5) Dedicatoria. A mi mamá, a mi papá, a mi hermana, a mi abuelo. Al resto de mi familia. A mi novia A mis amigos. iv.

(6) Agradecimientos. A mi mamá por su amor y apoyo A mi papá por enseñarme a amar la electricidad A los dos por sus sacrificios A mi hermana por ser una hermana poco común A mi abuelo por tenerme presente A Lia por su amor y comprensión A mi familia A mis tutores Marta y Vicente por sus conocimientos y por guiarme en la realización de esta investigación A mis amigos por la complicidad A todos los profesores que influyeron en mi formación como ingeniero. v.

(7) Tarea Técnica. Revisión Bibliográfica. Actualización del sistema eléctrico de la provincia Sancti Spíritus. Recopilación de información sobre los proyectos de ejecución en los próximos años. Representación de la red del territorio en el software Power System Explorer (PSX), versión 2.87. Corrida de flujo en condiciones normales de operación. Obtención de los niveles de cortocircuito en las barras del territorio. Confección del informe.. ________________ Firma del autor. ________________ Firma del tutor. vi.

(8) Resumen. La presente investigación fue promovida por la necesidad de conocer los cambios en la operación de la red eléctrica de Sancti Spíritus, tras la instalación de la nueva subestación de 220/110 kV, y el emplazamiento fuel oíl de Cabaiguán. Entre los objetivos que pautaron su desarrollo se encuentran: realizar un estudio de la operación de la red eléctrica ante diferentes escenarios, así como el cálculo de los niveles de cortocircuitos en barras y líneas del territorio. Los principales resultados obtenidos refieren que la nueva subestación 220/110 kV, que se construye en la red eléctrica de Sancti Spíritus, traerá consigo mejores condiciones de operación para la provincia, pero a su vez aparecerán notables incrementos en los niveles de cortocircuito, por lo que será necesario reajustes en los dispositivos de protección así como el replanteamiento de algunas alternativas de operación de la red.. vii.

(9) Abstract The present investigation was prompted by the need to understand the changes in the operation of the grid of Sancti Spiritus, after installing the new substation of 220/110 kV, and the installation of Cabaiguan's fuel oil. The objectives which allowed it to develop are: a study of the operation of the grid in different scenarios and the calculation of short circuit levels in bars and lines of the territory. The main results show that the new substation 220/110 kV, which is built into the grid of Sancti Spiritus, will result in better operating conditions for the province, but in turn significant increases in the levels of short circuit will appear, so that it will require adjustments in the protective devices and the rethinking of some alternative network operation.. viii.

(10) Tabla de contenidos. Pensamiento -------------------------------------------------------------------------------------iv Dedicatoria ----------------------------------------------------------------------------------------v Agradecimientos --------------------------------------------------------------------------------vi Tarea Técnica ----------------------------------------------------------------------------------- vii Resumen -----------------------------------------------------------------------------------------viii Abstract ------------------------------------------------------------------------------------------viii Introducción ---------------------------------------------------------------------------------------1 1. Capítulo 1: Fundamentos teóricos de los sistemas eléctricos --------------------8 1.1. Características del Sistema Electroenergético Nacional -------------------9. 1.2. Generación Eléctrica ---------------------------------------------------------------10. 1.3. Plantas generadoras en Cuba ---------------------------------------------------10. 1.4. La frecuencia en los sistemas eléctricos --------------------------------------13. 1.5. Subestación, componentes y función ------------------------------------------14. 1.6. Características de las líneas eléctricas ----------------------------------------14. 1.7. Líneas de Transmisión ------------------------------------------------------------15. 1.8. Líneas de Subtransmisión --------------------------------------------------------16. 1.9. Líneas de Distribución -------------------------------------------------------------17. 1.10. Tipos de Redes ----------------------------------------------------------------------18. 1.11. Generación Distribuida ------------------------------------------------------------19. 1.11.1 Tecnología en la Generación Distribuida -------------------------------------20 1.11.2 Generación Distribuida en Cuba ------------------------------------------------20 1.12. Flujo de carga o flujo de potencia ----------------------------------------------22. 1.13. Cortocircuitos -------------------------------------------------------------------------24. 2. Capítulo #2 Modelación y actualización de la red --------------------------------27. 2.1. Esquema actual de la provincia Sancti Spíritus -----------------------------28. 2.2. Generación de la provincia Sancti Spíritus -----------------------------------31. 2.3. Características de la red eléctrica de la provincia en la actualidad ----32. 2.3.1. Subestación Tuinucú 110/34.5 kV ----------------------------------------------32. 2.3.2. Subestación Sancti Spíritus #1 110/13.8 kV --------------------------------33 ix.

(11) 2.3.3. Subestación Sancti Spíritus #2 110/13.8 kV ---------------------------------34. 2.3.4. Subestación Yaguajay 110/34.5 kV --------------------------------------------35. 2.3.5. Subestación Jatibonico 110/34.5 kV -------------------------------------------36. 2.3.6. Subestación Cabaiguán 110/34.5 kV ------------------------------------------37. 2.3.7. Municipio Trinidad -------------------------------------------------------------------37. 2.3.8. Municipio Fomento ------------------------------------------------------------------38. 2.4. Carga de la provincia Sancti Spíritus -------------------------------------------39. 2.5. Modernización de Sancti Spíritus -----------------------------------------------40. 2.5.1. Subestación Sancti Spíritus 220/110 kV --------------------------------------40. 2.5.2. Subestación Sancti Spíritus #3 --------------------------------------------------44. 2.5.3. Emplazamiento de fuel oil en el municipio Cabaiguán --------------------44. 2.6. Línea Yaguajay- Remedios ------------------------------------------------------ 44. 2.7. Cálculo de la resistencia y la admitancia de las líneas ---------------------45. 2.8. Cálculo de las máquinas equivalentes del sistema ------------------------46. 3. Capítulo #3 Estudio de cortocircuito y tensiones en barra. Análisis de los resultados ----------------------------------------------48. 3.1. Clasificación atendiendo al tipo de cortocircuito -----------------------------49. 3.2. Estudio de cortocircuito en las barras de 110 kV de Sancti Spíritus ----49. 3.3. Regímenes de trabajo analizados ---------------------------------------------- 50. 3.3.1. Estado de mínima demanda y generación, sin el funcionamiento de la subestación Sancti Spíritus 220/110 kV --------------------------------------51. 3.3.2. Estado de máxima demanda y generación, sin el funcionamiento de la subestación Sancti Spíritus 220/110 kV --------------------------------------52. 3.3.3. Estado de mínima demanda y generación, con el funcionamiento de la subestación Sancti Spíritus 220/110 kV --------------------------------------53. 3.3.4. Estado de máxima demanda y generación, con el funcionamiento de la subestación Sancti Spíritus 220/110 kV --------------------------------------55. 3.3.5. Estado de máxima demanda y generación, con el funcionamiento de la subestación Sancti Spíritus 220/110 kV y la batería fuel oil de Cabaiguán ----------------------------------------------------------------------------------------56. 3.4. Estudio de cortocircuito en las líneas -------------------------------------------58. 3.4.1. Protecciones de líneas --------------------------------------------------------------58. x.

(12) 3.5. Resultados de fallas en las líneas de 110 kV que parten desde la subestación Sancti Spíritus 220/110 kV, ante una estado de mínima generación ------------------------------------------------------------------------------59. 3.5.1. Línea Tuinucú – Jatibonico -------------------------------------------------------59. 3.5.2. Línea Tuinucú 110 kV – Cabaiguán --------------------------------------------60. 3.6. Resultados de fallas en las líneas de 110 kV que parten desde la subestación Sancti Spíritus 220/110 kV, ante un estado de máxima generación ----------------------------------------------------------------------------- 62. 3.6.1. Línea Tuinucú 110 kV – Yaguajay --------------------------------------------- 62. 3.6.2. Línea Tuinucú 110 kV – Cabaiguán ------------------------------------------- 63. 3.6.3. Línea Tuinucú 110 kV – Jatibonico -------------------------------------------- 64. 3.6.4. Línea Cabaiguán – Tuinucú ------------------------------------------------------65. 3.6.5. Línea Cabaiguán – Placetas -----------------------------------------------------66. 3.7. Resultados de fallas en las líneas de 110 kV que parten desde la subestación de Cabaiguán 110/ 34.5 kV, después de la puesta en marcha de Sancti Spíritus 220/110 kV y el emplazamiento fuel oil de Cabaiguán, ante un estado de máxima generación -------------------------67. 3.7.1. Línea Cabaiguán – Tuinucú ------------------------------------------------------67. 3.7.2. Línea Cabaiguán – Placetas -----------------------------------------------------68. Conclusiones -------------------------------------------------------------------------------------70 Recomendaciones ------------------------------------------------------------------------------71 Referencias ---------------------------------------------------------------------------------------72 Anexos----------------------------------------------------------------------------------------------75 Anexo #1 ------------------------------------------------------------------------------------------75 Anexo #2 ------------------------------------------------------------------------------------------83 Anexo #3 ------------------------------------------------------------------------------------------89. xi.

(13) Introducción 2012. Introducción. 1.

(14) Introducción 2012. Introducción La energía eléctrica se ha ganado el calificativo de “forma perfecta de energía”, dada la ventaja de ser fácil de transportar y utilizar (Casas, 1977). Los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP), no hubieran sido posibles sin el descubrimiento. de. la. corriente. alterna. y. el. posterior desarrollo. del. transformador de potencia, lo cual dio lugar a la interconexión de todos los generadores y consumidores a través de las líneas y transformadores (Barrenetxea, 2000). El correcto funcionamiento de todos estos dispositivos provoca el buen trabajo de la totalidad de sus elementos. Esto solo se ve afectado bajo condiciones anormales de operación, inducidas por estados transitorios de trabajo como: cortocircuitos, salida de servicios de generadores, conexión y desconexión repentina de grandes cargas. En este mundo cada vez más dependiente del consumo energético, las redes se hacen más complejas cada día y la calidad y continuidad en el suministro se convierte en premisa indispensable para su funcionamiento. Precisamente porque la energía eléctrica es uno de los recursos energéticos principales de la sociedad industrial actual, el usuario debe disponerla instantáneamente, en la cantidad exacta que necesita en cada momento y además, a la tensión y frecuencia correctas (Barrenetxea, 2000). Una de las particularidades de la actual etapa de la energética mundial es la unificación de centrales generadoras en sistemas eléctricos y la unificación de estos entre sí, formando potentes sistemas de importancia nacional e internacional. No siempre fue así, en sus primeros años de existencia las redes eléctricas operaban como sistemas aislados para cubrir la demanda en las diferentes zonas. Estas redes solo podían suministrar a una determinada cantidad de consumidores, los cuales debían estar relativamente cerca de las plantas suministradoras.. 2.

(15) Introducción 2012. A inicios del siglo XX cuando apareció la necesidad del suministro de energía a grandes bloques de consumidores y el aumento de la seguridad del servicio, surgió la idea de interconectar varios sistemas. Esto permitía traer energía de zonas lejanas como hidroeléctricas y parques eólicos. La unión de los consumidores ha reducido las oscilaciones relativas de la carga total, provocadas por la no coincidencia en tiempo de las grandes cargas. Por lo tanto, se puede mantener un régimen de operación estable, dando facilidades de regulación, de frecuencia y tensión. La creación de los sistemas eléctricos no sólo da ventajas económicas sino que eleva la garantía de operación y el suministro ininterrumpido de energía, facilitando la creación de reservas. Eleva además, la garantía de operación y posibilidad de un suministro de calidad. Sin embargo, esta unión ha traído una serie de problemáticas como son: a) Seguridad de operación del sistema y estabilidad de trabajo en paralelo de los generadores y consumidores. b) Limitación de las corrientes de cortocircuito. c) Garantía de la reserva de potencia activa y reactiva. d) Creación de un sistema racional de protección. e) Regulación de la frecuencia y tensión. f) Distribución racional de cargas activas y reactivas. De la oportuna solución de estos problemas depende el trabajo de todas las ramas de la economía, así como la operación económica del sistema eléctrico. Entre las particularidades tecnológicas de este sistema se tienen: a) La producción de energía eléctrica, su distribución y transformación en otras formas se produce simultáneamente, no se acumula. b) La rapidez con que se producen los procesos transitorios. c) La operación del sistema está entrelazada estrechamente con las demás ramas de la industria. La creciente crisis mundial electroenergética, así como la urgente necesidad de concientización ambiental, han impulsado a los responsables del sector eléctrico a la búsqueda urgente de nuevas alternativas de suministro energético. 3.

(16) Introducción 2012. que permitan el incremento modular y focalizado de energía, así como la reducción en tiempo de nuevos refuerzos al sistema de distribución. Dentro de la perspectiva general de promover la eficiencia energética, se postergan las necesidades de obras de generación de mayores escalas, así como las de racionalizar la configuración del sistema electroenergético. Se ha difundido a nivel nacional e internacional la posibilidad de contribución de la generación descentralizada o generación distribuida (GD), considerando las ventajas que pueden traer su conexión a los sistemas de distribución y las dificultades verificadas en la práctica efectiva de esa conexión. Varios aspectos de interés de las compañías distribuidoras hacen que la implantación de GD en los sistemas de distribución sea cada día más común. Como regla general, aproximar la generación a las cargas beneficia tanto a la transmisión como a la distribución, pues además de permitir que las empresas posterguen inversiones en la infra-estructura, posibilita reducir pérdidas y mejorar el perfil de tensión en los alimentadores. Con una configuración adecuada, la GD puede también aumentar la confiabilidad del sistema y mejorar la calidad de la energía que se entregue al consumidor. A pesar de esto, partidarios de los grandes bloques de generación centralizada, por conservadorismo, desconocimiento o por simple iniciativa anti mantener los medios energéticos monopolizados, persisten en obstaculizar tal tecnología. Especialmente en Cuba, la GD ha llegado como una solución a la crisis energética que enfrentó el país en el 2004. Su rápida sincronización al Sistema Electroenergético Nacional (SEN), su facilidad de adaptación topológica y posibilidad de configuración en isla en caso de catástrofes naturales, son ventajas que han sobresalido a su costo de inversión inicial. Se trata de una revolución energética en la cual se ha visto involucrado a todo el país, ante el desafío de seguir suministrando electricidad, de forma continua y de calidad. En las redes de distribución se mantuvo el criterio de operación para brindar servicio eléctrico, sin tener en cuenta la mejor operación del sistema y sacrificando en muchas ocasiones parámetros de calidad, al incrementar las pérdidas eléctricas. 4.

(17) Introducción 2012. En estos momentos la Unión Nacional Eléctrica (UNE) está trabajando en la propuesta de un plan de reconfiguración y mejoramiento de las redes eléctricas, o sea, en la realización de un conjunto de inversiones, las que incluyen la modernización de las plantas de generación, de las subestaciones y líneas. Todo esto con el propósito de consolidar las medidas de seguridad, para garantizar un servicio energético fiable y con la calidad adecuada a los consumidores. Entre estas inversiones se encuentra la construcción de una nueva subestación de 220/110 kV en la provincia Sancti Spíritus, lo que permitirá que este territorio logre el enlace por 220 kV que hoy no existe. El servicio eléctrico obtendrá grandes beneficios con esta nueva subestación, que desde hace muchos años está proyectada y que por los problemas económicos del país durante el período especial no se había podido materializar. Esto, unido a las nuevas formas. de. generación (GD) introducidas en la provincia, las nuevas. subestaciones de 110/13,8 k V y otras inversiones que se vienen realizando en la misma, hacen necesario el análisis de la operación de la red en los nuevos escenarios. El tipo de fallo más frecuente y peligroso es el cortocircuito, pues da lugar a avalanchas grandes de corrientes y caídas de tensión en diferentes puntos de la red; dañando numerosos equipos y causando pérdidas de sincronismo en las máquinas, entre otros daños de envergadura, si las protecciones no actúan adecuadamente en el momento preciso. Al variar la GD, los niveles de cortocircuitos también varían, lo que a su vez traerá cambios en los ajustes de las protecciones eléctricas. Se hará necesaria la introducción de protecciones digitales con un amplio margen de ajuste para una operación más eficiente del sistema, en conjunto con la GD, sin ella o sin la necesidad de tener el sistema conectado (Dalke, 2002). La presente investigación consiste en un estudio de las condiciones de trabajo de la red de Sancti Spíritus, a partir de la entrada en funcionamiento de la nueva subestación de 220/110kV, que se ubicará en la zona de Tuinucú y permitirá conectar al territorio a la red nacional a través de una línea de 220kV. El estudio que se realizará tiene como objetivo determinar el efecto que tiene 5.

(18) Introducción 2012. este hecho sobre los valores de las corrientes de cortocircuito en toda la provincia y la operación en forma general. Para realizar el presente estudio se utilizó el software Power System Explorer (PSX) versión 2.87, desarrollado por el Centro de Estudios Electroenergéticos, Universidad Central Marta Abreu de Las Villas (UCLV). Problema científico. ¿Está. la. red eléctrica. de. Sancti Spíritus. preparada. para. operar. correctamente cuando las nuevas inversiones entren en funcionamiento? ¿Cómo se afectan los niveles de cortocircuito con la introducción de la nueva subestación Tuinucú 220 kV? Estas son las interrogantes científicas que se responderán a través de la presente investigación, ya que la nueva conexión de dicha subestación conducirá a la realización de otras investigaciones. Los nuevos retos y estudios surgirán a partir de la puesta en marcha de dicha instalación. Surge la inevitable necesidad de reajustar el sistema actual de protección, producto a los nuevos niveles de cortocircuito que se alcanzarán. En las protecciones existirán pérdidas de sensibilidad, liberación inadecuada de fallos o simplemente la no actuación de la protección correspondiente ante determinada situación. Objetivo general. Realizar un estudio de la operación de la red eléctrica de la provincia Sancti Spíritus tras la entrada en funcionamiento de la nueva subestación 220 /110 kV en Tuinucú, teniendo en cuenta los emplazamientos de fuel oil instalados y los futuros, así como nuevas subestaciones en otros niveles de tensión. Objetivos específicos. 1. Recopilar la información necesaria y características de la red, así como información de la nueva subestación. 2. Modelar la información recopilada en el software PSX versión 2.87. 3. Realizar las corridas de los flujos de cargas en los escenarios actual y futuro. 4. Calcular los niveles de cortocircuito en los escenarios actual y futuro.. 6.

(19) Introducción 2012. El trabajo se encuentra estructurado en una introducción donde se analizan los antecedentes y necesidades de la realización de la investigación, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. En el capítulo 1 se hace un análisis de teorías imprescindibles para el entendimiento y cumplimiento de los objetivos de este trabajo. El capítulo 2 hace una descripción detallada de la estructuración de la red de Sancti Spíritus. Asimismo trata la necesidad que obligó a la construcción de la nueva subestación. En el capítulo 3 se reflejan los cálculos relacionados con la subestación y se realiza una descripción del procedimiento seguido en la utilización del programa PSX para los cálculos requeridos. Por último se realizan un conjunto de conclusiones y recomendaciones muy valiosas e importantes para la toma de decisiones futuras y con las cuales se pretende mejorar la operación de la red eléctrica de la provincia.. 7.

(20) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. Capítulo 1 Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos. 8.

(21) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. Capítulo 1 Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 1.1 Característica del Sistema Electroenergético Nacional La red de transporte de energía eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los elementos necesarios para llevar la energía generada en las centrales hidroeléctricas, térmicas, de ciclo combinado, nucleares y/o fuentes renovables, a través de grandes distancias, hasta los puntos de consumo. El SEN se caracteriza por presentar una generación mayoritariamente dependiente de combustibles fósiles, explotando en menor escala el uso de energía renovable, como por ejemplo generadores eólicos instalados en Gibara, Isla de la Juventud y Turiguanó o pequeñas hidroeléctricas como Ramón Ponciano (en el macizo montañoso del Escambray), proyectos que han cobrado mayor fuerza en los últimas décadas. La generación base en Cuba se encuentra respaldada por grandes plantas termoeléctricas, mientras que en el pico se utilizan máquinas que emplean el combustible diesel y fuel oil, las cuales están distribuidas por diversos lugares del país, principalmente en aquellos sitios donde existen grandes cargas o problemas de tensión. Esto ha permitido adoptar el modelo de generación distribuida. Las características geográficas de Cuba, alargada y estrecha a la misma vez, produjeron que la construcción de la línea de 220 kV se extendiera a lo largo del país. Este hecho trajo consigo el inconveniente de formar una red radial muy débil ante el azote de desastres naturales como es el caso de los ciclones tropicales y huracanes, que afectan cada año al país. Esto también motivó que por provincias, como es el caso de Sancti Spíritus, no pase esta línea. Según informe emitido por el Ministerio de la Industria Básica, el nivel de electrificación a lo largo del país alcanza el 95,5% del territorio, con más de 3 millones de clientes (MINBAS, 2012).. 9.

(22) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. Actualmente el SEN se encuentra enfrascado en un programa de rehabilitación de sus redes eléctricas, para lo cual se han destinado cuantiosos recursos, tiene entre sus prioridades: Eliminación de zonas de baja tensión. Ejecución de. mejoras. en los circuitos de distribución primaria,. secundaria y los servicios. Rehabilitación del alumbrado público. Eliminación de tendederas. Electrificación de viviendas sin servicio. 1.2 Generación eléctrica Sin lugar a dudas la generación es el proceso más importante en un sistema eléctrico, al soportar todo el peso de todas las actividades humanas, tanto económicas como sociales. El proceso de transformación o conversión de energía se realiza en las plantas eléctricas, donde la diferencia reside en el combustible o fuente primaria utilizados, aunque el principio es básicamente el mismo: un motor o turbina, que hace girar por medio de un eje a un alternador (Casas, 1977) (Jack Casazza, 2003). Atendiendo al proceso de transformación de energía, estas plantas se pueden clasificar en tres aspectos fundamentales: a) Plantas térmicas. b) Plantas electronucleares. c) Plantas hidráulicas. d) Otras. (hidráulicas, eólicas, fotovoltaicas, etc.) que. se han venido. introduciendo a partir del uso de las energías renovables. 1.3 Plantas generadoras en Cuba La generación en el país en los últimos años se ha desarrollado bajo el modelo de generación distribuida, lo cual ha abierto el camino a la instalación de nuevas plantas generadoras, más pequeñas en diversos puntos del territorio nacional. A partir de fines de la década del 60 hasta la del 80 del siglo anterior, se instalaron una serie de termoeléctricas, lo que permitió elevar la generación en 10.

(23) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. el país, situación que se mantuvo estable hasta la caída del campo socialista a inicios de la década del 90, donde hubo una reducción en la generación producto a la reducción de las importación de combustible y sus derivados. A partir de 1995 el incremento de la extracción de crudo nacional y gas natural determinó el incremento de la generación de electricidad. En la Fig. 1.1 se muestra el nivel de generación del país a partir de 1959 hasta el 2009 (MINBAS, 2012). GW. Generación de Electricidad. Año. Fig. 1.1. Generación de electricidad en Cuba en el período 1959 a 2009.. Se puede notar un decrecimiento en la década de los 90, con un mínimo en 1993 y un crecimiento más acelerado a partir del 2005, con la introducción de la GD. A partir del año 1998 comienza la producción de energía eléctrica por la compañía EGERGAS S.A., que en sus turbinas usa gas natural acompañante de la extracción de petróleo, con una alta eficiencia en la generación (Varadero y Jaruco). En el año 2005 comenzó el uso de grupos electrógenos consumidores de combustible diesel, disminuyendo su empleo con la entrada en funcionamiento en 2009 de los grupos electrógenos a base de fuel oil. La Fig. 1.2 muestra la utilización de combustible diesel y fuel oil de los grupos electrógenos desde el año 2005 hasta 2009 (ONE, 2010).. 11.

(24) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. Miles de Ton de combustible convencional. Consumo de combustible diesel y fuel oil. Año Fig. 1.2. Empleo de combustible diesel y fuel oil en Cuba en el período 20052009. La tensión de generación de las grandes plantas de nuestro país son: 24 kV en la central termoeléctrica Antonio Guiteras, 17 y 13.8 kV en la Carlos M. de Céspedes y 15.75 kV en la Lidio Ramón (Felton). Mientras que en la GD la tensión es: 13.8 y 4.16 kV para las plantas de fuel oíl y 0.48 kV para las diesel. La potencia instalada es de alrededor de 3200 MW. En la Fig. 1.3 se muestran las principales centrales eléctricas del territorio nacional.. Fig. 1.3. Lugares en donde están instaladas las principales centrales eléctricas en Cuba. 12.

(25) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. 1.4 La frecuencia en los sistemas eléctricos La frecuencia es uno de los factores más importantes en un sistema eléctrico, ya que de ella depende la estabilidad y la calidad del mismo, una variación excesiva de su valor pudiera nos ser tolerado por muchos dispositivos y el sistema correría el peligro de perder la estabilidad. Ante una oscilación variable el generador esta sometido a cambios bruscos en su velocidad, afectando así las turbinas, lo cual pudiera crear daños severos si no actúan las protecciones. Los motivos de perturbaciones en un sistema pueden ser muy diversos, por ejemplo la conexión repentina de grandes consumidores y cortocircuitos (Saccomanno, 2003). En sus inicios fueron muchos los valores adoptados según el país o la región, entre estos se pueden mencionar 25, 50, 60 y 133 Hz, pero con el paso del tiempo fue necesaria su normalización para poder conectar diferentes territorios. En la actualidad coexisten dos valores estándar para la generación, transformación y transmisión de energía eléctrica, el de 60 Hz (USA, Canadá, Japón y Brasil) y 50 Hz (en Europa y las antiguas repúblicas soviéticas, Sudamérica, excepto Brasil) (Casas, 1977) (J. Duncan Glover, 2004). En Cuba la frecuencia básica es de 60 Hz, lo que viene dado por la fuerte influencia norteamericana que tuvo el país en la primera mitad del siglo pasado. La frecuencia de 60 Hz posee ventajas económicas sobre los 50 Hz, pues permite en las máquinas eléctricas una velocidad máxima de 3600 rpm en detrimento de los 3000 rpm que ofrece los 50 Hz. El uso de transformadores de 60 Hz permite un ahorro considerable en su construcción, utilizando una menor cantidad de material, (de un 10 a un 15% menos) tanto en cobre como en hierro, para uno de la misma potencia en la frecuencia de 50 Hz. Por el contrario, en el caso de las líneas, la frecuencia de 50 Hz tiene la ventaja de tener menos reactancia que las de frecuencia de 60 Hz, por lo que las pérdidas son menores (Saccomanno, 2003) (J. Duncan Glover, 2004).. 13.

(26) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. La regulación de la frecuencia de la red constituye uno de los elementos esenciales en la calidad de la operación. Las variaciones grandes de esta no se pueden tolerar, ni por los equipos de los consumidores finales de la energía eléctrica, ni por los generadores del sistema. 1.5 Subestaciones, componentes y función Las subestaciones son parte fundamental del sistema, siendo las encargadas de transformar los niveles de tensión. Están conformadas por uno o varios transformadores, lo cual depende del propósito que tenga cada una. Este tipo de instalación también tiene como objetivo la medición y protección para dar fiabilidad al sistema. Entre sus componentes se encuentran varios dispositivos como: transformadores de potencia y medición, interruptores, cuchillas, relés, barras, etc. La importancia de una subestación viene dada por la finalidad que cumple la misma dentro del sistema y por su costo (Casas, 1977). 1.6 Características de las líneas eléctricas Las líneas ocupan una posición importante dentro de un sistema eléctrico, tanto por el número como por la extensión, siendo las encargadas de realizar el intercambio de energía entre las diferentes regiones, transportándola desde los lugares de generación hasta las cargas, por lo que tienen mayor riesgo de averías. Las líneas tienen características que responden a la operación que cumplan dentro del sistema, ligado al nivel de tensión que se vaya a utilizar, así como a la transferencia de potencia a transferir. Por lo tanto el proceso de diseño y montaje debe ser llevado a cabo detalladamente (Casas, 1977). Las líneas están afectadas por dos factores fundamentales, la resistencia y la inductancia serie, los cuales son los culpables fundamentales de las pérdidas dentro de un sistema eléctrico. La resistencia (R) de los conductores es uno de los factores fundamentales involucrados en las pérdidas de las líneas, donde las pérdidas por fase están dadas por la ecuación:. Pperd. I 2 * Rlinea . (1.1) 14.

(27) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. Trayendo consigo también problemas con la regulación de tensión (Nasar, 1991). V. I * Rlinea . (1.2). La inductancia serie (L) es otro factor fundamental que afecta las líneas, esto es provocado por la separación asimétrica en cada una de las fases, lo cual trae consigo caídas de tensión y desbalances. Lo anterior es un hecho que ocurre aún para corrientes balanceadas, debido a que las impedancias mutuas dependen enteramente del arreglo físico de los conductores. Una manera muy común y barata de resolver este problema es mediante el empleo de la transposición o rotación de los conductores de la línea, provocando que cada una de las fases sufra de igual manera los efectos. El modo de transposición es mostrado en la Fig. 1.4. (Fenosa, 1995) (García, 2004). Según datos ofrecidos por el Ministerio de la Industria Básica (MINBAS), en Cuba existen un aproximado de 6816 km de líneas de 220 y 110 kV, así como 9234 km para la subtransmisión de 34,5 kV (MINBAS, 2012).. Fig. 1.4. Esquema de transposición de una línea.. 1.7 Líneas de Transmisión Las líneas de transmisión son las de mayor tensión en un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), las de mayor longitud y las que manipulan los mayores bloques de potencia. Enlazan entre sí las diferentes regiones del país. Su función es intercambiar energía entre las regiones que unen, por lo que la transferencia de potencia puede ser en ambos sentidos. La tensión en los circuitos de transmisión puede extenderse desde 69 kV hasta 750 kV, ya que a mayor tensión, menor es la corriente que circula por las. 15.

(28) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. líneas, por lo que se reducen así las pérdidas y se logra enlazar puntos distantes en un sistema eléctrico y trasferir grandes potencias. En Cuba las tensiones utilizadas para la transmisión son 220 y 110 kV. El primero se extiende a lo largo de todo el país, conectando las principales plantas generadoras (Fig. 1.5), mientras que el segundo se utiliza para alimentar determinadas zonas a las cuales no es económico suministrarlas con 220 kV, debido al costo de la instalación y equipamiento en comparación con las pérdidas.. Fig. 1.5. Red de transmisión de 220 kV del SEN.. La transmisión se lleva a cabo a través de las líneas sostenidas sobre las torres de transmisión, las cuales pueden ser de disímiles modelos, los que son cuidadosamente diseñados con el objetivo de soportar las pruebas climáticas de la zona en donde se van a utilizar. En este sentido, las estructuras deben ser galvanizadas para disminuir la corrosión, por la influencia del clima al que son expuestas (Casas, 1977) (Grigsby, 2001). 1.8 Líneas de Subtrasmisión Las líneas de subtransmisión nacen en las subestaciones de transmisión, sirven la energía eléctrica a una región dada (una ciudad, municipio, etc.) y en estas subestaciones se reduce la tensión a los valores adecuados, para suministrar energía a los consumidores de mayor tamaño. Muchos de estos circuitos tienen la desventaja de ser radiales, por lo que son alimentados por un. 16.

(29) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. solo extremo, aunque esto puede variar según la importancia que posea la carga a alimentar. En Cuba existen dos valores de tensión usados 34.5 y 110 kV. El uso de uno u otro está dado por la importancia de la carga, así como por la magnitud de la potencia que se vaya a transmitir y la longitud de la línea, por lo que es necesario realizar una valoración económica antes de emprender a construir un proyecto (Casas, 1977) (Grigsby, 2001) (Barrenetxea, 2000).. 1.9 Líneas de Distribución La. distribución. primaria. recibe. la. energía. de. una. subestación. de. subtransmisión, transfiriéndola directamente a consumidores medianos como: pequeñas. industrias,. talleres. de. maquinaria. ligera. y establecimientos. comerciales, es decir, sirven la energía eléctrica a un área geográfica más reducida. Las tensiones, longitudes y potencia que manipulan son menores, y su alimentación es por un solo extremo. En nuestro país las tensiones de distribución primaria, en muchos casos, están dadas por los transformadores que estén instalados en cada subestación de subtransmisión. La tensión preferida es de 13.8 kV, ya que estos circuitos pueden cubrir zonas mas extensas, que los de 4.16 kV, llegando en circuitos rurales, a longitudes de 10 a 15 km e incluso más. Pueden además asumir el crecimiento de las cargas y disminuir las pérdidas. Debido a todo esto los circuitos de 2.4/4.16 kV se encuentran en proceso de sustitución (Casas, 1977). En el caso de la tensión en los circuitos de distribución secundaria, está dada por la norma que rige en el país [Norma cubana NC 800-1, 2011]. Ejemplo de esto se encuentra la norma europea en donde las viviendas reciben tensión de 220 y 240V. La cubana, establece valores entre 110 y 125V con un valor nominal de 120 V. Las redes de distribución son instaladas en zonas urbanas y rurales, llegando a ser aéreas o subterráneas. Las segundas tienen el inconveniente de la generación de potencia reactiva, lo cual es un efecto poco deseado en un sistema eléctrico. En el caso de la industria se trabaja con tensiones de 380 y 415 V (Grigsby, 2001) (García, 2001).. 17.

(30) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. 1.10 Tipos de Redes Los sistemas eléctricos tienen diferentes tipos de redes, estos se clasifican según su estructura en: a) Redes radiales (Fig. 1.6): son aquellas que se alimentan por un solo extremo de la línea. Son de bajo costo, pero poco fiables ante una interrupción, incluso pueden dejar a todos los consumidores sin servicio. Estas redes pueden estar constituidas por un tronco principal del cual parten diversos ramales (Schlabbach, 2008) (Casas, 1977).. Fig. 1.6. Esquema de una red radial.. b) Redes en lazo (Fig. 1.7): un lazo es la conexión de dos circuitos radiales que trabajaban cerrados, esto da la ventaja de poder abrir un extremo de la línea continua para entregar energía por el otro extremo. Ante una situación como esta es necesario conocer si el extremo de la línea desde donde se va alimentar es capaz de transmitir la carga conectada, sin afectar a la totalidad de los consumidores. Este tipo de circuito está preparado para trabajar con el lazo tanto abierto como cerrado (Schlabbach, 2008) (Casas, 1977).. Fig. 1.7. Esquema de una red en lazo. 18.

(31) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. c) Redes en malla (Fig. 1.8): es una red totalmente interconectada, la cual es de alta fiabilidad ante cualquier avería. Este tipo de configuración es muy utilizada en la transmisión y la subtransmisión. Además es capaz de eliminar la subestación convencional y los alimentadores primarios largos, sustituyéndola por una serie de subestaciones estratégicamente conectadas entre sí a lo largo de toda la red (Casas, 1977) (Schlabbach, 2008) (J.C Gómez, 2009).. Fig. 1.8. Esquema de una red mallada. 1.11 Generación Distribuida La GD ha representado un cambio en el paradigma de la generación centralizada. Aunque se pudiera pensar que es un concepto nuevo, la realidad es que es tan viejo como lo inicios mismos de la generación eléctrica. Está conformada por plantas de baja potencia, donde su rendimiento no llega a alcanzar a las grandes centrales eléctricas, haciendo importante su instalación cerca de las carga, lo que provoca que se compense así su bajo rendimiento con la reducción en pérdidas por transmisión (CONAE, 2003). Una definición muy conocida de generación distribuida es la del “Institute of Electrical and Electronic Engineers” (IEEE): “Generación Distribuida es la producción de electricidad por instalaciones, que son lo suficientemente pequeñas en relación con las grandes centrales de generación, de forma que puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema eléctrico. Es un conjunto de recursos distribuidos” (Heras, 2005). Los criterios de la potencia en que se pueden clasificar los generadores de la generación distribuida son tan disímiles como su propia definición, pero por lo 19.

(32) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. general se aceptan márgenes que van desde unos 3 a 5 kW, hasta los más pequeños, mientras que los de mayor tamaño se aceptan desde 10 hasta 20 MW. 1.11.1 Tecnología en la Generación Distribuida El aumento y éxito de la generación distribuida está en la existencia de tecnologías de punta que permiten para pequeñas potencias, generar energía en forma eficiente, confiable y de calidad, sin tener que entrar en servicio una gran planta ante un aumento de la carga. Esto proporciona respuestas rápidas en casos necesarios o de contingencias (Garcías, 2006). Las tecnologías de generación se dividen en dos tipos, convencionales y no convencionales, cada una con diferentes grados de éxito o aplicación (Garcías, 2006) (Almeida, 2003). 1.11.2 Generación Distribuida en Cuba En Cuba el uso de la GD surge debido a la crisis energética enfrentada a partir del tiempo en que las plantas, debido a su deterioro, no podían cubrir el pico eléctrico, por lo que era necesario disminuir la carga en los horarios de máxima demanda, trayendo así problemas en el servicio eléctrico a la población, o sea, el denominado apagón. Por ello, como respuesta a esto el gobierno cubano inmerso en una revolución energética, introdujo en el país emplazamientos (ubicados a lo largo de toda la isla) de pequeñas plantas generadoras de combustión interna (fuel y diesel) con el objetivo de cubrir el déficit en los picos eléctricos. La importancia de la GD difiere por país, en Cuba tiene grandes virtudes, que radican en que la inversión financiera se reduce en un tercio, y en que en muy poco tiempo puede comenzar a funcionar. El costo de fabricación y equipamiento de una termoeléctrica es aproximadamente de 1.5 millones de dólares por MW instalado y tomaría alrededor de una década realizarla. Este proyecto en cambio, apenas tarda unos meses, tal y como se ha demostrado en la práctica en el país. La GD se ha diseminado por todas las provincias cubanas, debido a que es técnica y económicamente posible. Generalmente los grupos diesel están 20.

(33) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. concebidos para trabajar en horario pico, tanto del mediodía como de la noche, aunque en caso de contingencias pueden trabajar más tiempo. Los grupos fuel por el contrario, trabajan por tiempos prolongados. Hasta el 15 de enero del 2008 ya habían sido instalados 205 grupos electrógenos con capacidad para generar 253 500 kWh (Bohemia, 2008). La nueva concepción de generación tiene las siguientes ventajas (ICAP, 2004): Valores mínimos de consumo de combustible por kWh generado: 210 g/kWh como promedio de diesel o fuel oil, según el tipo de motor y su objetivo. Valores de potencia unitaria cuya capacidad, en caso de avería, no tiene impacto significativo en la disponibilidad del sistema. Distribución geográfica adecuada, lo cual contribuye a la protección del servicio eléctrico de la población y los objetivos económicos y sociales, ante huracanes y averías Disponibilidad mayor de un 90% y muy por encima del 60% de las plantas termoeléctricas en nuestro actual sistema. Estas plantas pueden funcionar aisladas del SEN, pues los mismos equipos tienen la capacidad de regular automáticamente la potencia entregada, de acuerdo con la demanda de los consumidores. Esto trajo consigo ventajas y desventajas, ya que al colocarse la generación más cerca de la carga se disminuyen las pérdidas por transmisión, energía y dinero a buen recaudo. En casos de catástrofes naturales el servicio puede estar disponible con mayor rapidez como se demostró a raíz de los huracanes que azotaron fuertemente al país durante la temporada del 2008. Además de ser fáciles de instalar, los equipos importados funcionan con bajo consumo energético, alta disponibilidad y mejores niveles de potencia utilitaria en comparación con las gastadas termoeléctricas. La parada coyuntural de algunos no volverá a crear una crisis como la de 2004. Por otro lado, el país ha contratado un total de 4 158 grupos electrógenos de emergencia, que representan un potencial de 711 811 kW. Los. grupos. electrógenos. de emergencia están ahí de reserva, pero. desempeñando una misión: en un hospital, en los frigoríficos, en los lugares donde se conservan los alimentos, donde hay industrias claves en las que no 21.

(34) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. puede faltar la electricidad un segundo. Hoy el esfuerzo principal es el aprovechamiento máximo de la capacidad instalada para utilizar eficientemente cada kW. Estos cambios también traen un conjunto de problemas técnicos, solubles pero que conllevan muchos estudios técnicos. Entre estos problemas se encuentra el de los retos que se le impone a las protecciones eléctricas. 1.12 Flujo de carga o flujo de potencia El flujo de carga o flujo de potencia es una herramienta que permite el análisis en estado estable de un SEP, teniendo en cuenta las condiciones de operación de este. El flujo de carga es utilizado para estudios de planificación y diseño de la expansión futura de los SEPs, así como en la determinación de las mejores condiciones de operación. Se puede decir que el flujo de carga es la herramienta más utilizada en las empresas eléctricas para el estudio de los SEP. Todo esto ha llevado a que en los últimos 40 años, debido al desarrollo de la computación digital, se haya dedicado gran esfuerzo en la investigación y desarrollo de métodos numéricos, para el proceso de cálculo de los flujos de carga (Zamora, 1998). El flujo de carga nos permite conocer: Tensión y ángulo de todas las barras del SEP. Flujos de potencia activa y reactiva en líneas y transformadores. Potencia reactiva de las unidades de generación. Potencia activa de determinado nodo para compensar las pérdidas de potencia en el SEP y cumplimentar el déficit de generación. Pérdidas de potencia activa y reactiva en el SEP. Esta valiosa información ha permitido un incremento agigantado de su uso para diversos propósitos como: la evaluación de seguridad ante salidas de líneas, transformadores, cargas. y plantas. generadoras. y en propósitos más. complicados como optimización y estabilidad. Además de ser usados para la planificación de la operación, la planificación de la red de transmisión y el control del SEP. Es una herramienta muy importante para evaluar la operación cotidiana del sistema de potencia (García, 2004). 22.

(35) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. En el flujo de carga se considera que el sistema está balanceado, por lo que se hace una representación monofásica de todos los elementos del SEP. De aquí que todos los estudios que se realizan con flujos de carga sean estudios monofásicos. Este flujo se formula como un conjunto de ecuaciones algebraicas no lineales donde se consideran a los generadores como fuentes de potencia, y no como fuentes de tensión y corriente, donde los elementos están ubicados en una red considerada lineal, balanceada, fija y con parámetros concentrados. El hecho de ser considerada fija supone que su topología no varíe el tiempo en el que se está realizando el estudio (Nasar, 1991). La información que se obtiene permite evaluar el comportamiento del sistema, observando las magnitudes de tensión y ángulo de la misma, así como los flujos de potencia activa y reactiva (Stevenson W. D., 1996) (García, 2004). Existen varios métodos para el análisis de los flujos de potencia, como es el caso del método Gauss y Gauss-Seidel, mientras que el otro método fundamental es el de Newton-Raphson. Las cinco propiedades principales que deben poseer los métodos de solución son (Arrillaga, 1991): alta velocidad computacional, baja capacidad de almacenamiento computacional, seguridad en la obtención de la solución, versatilidad y simplicidad. En sus inicios, la mayoría de los algoritmos se basaban en el método GaussSeidel, el cual requiere poco almacenamiento de memoria de las computadoras y converge tras pocas iteraciones para sistemas eléctricos de potencia relativamente pequeños. Propuesto por Seidel en 1874 (Academia de Ciencia, Múnich) con el objetivo de resolver los problemas de corridas de flujo (Kundur, 1994). La lenta convergencia de este método, junto con las oscilaciones ante la solución de sistemas de potencia de gran tamaño, así como los frecuentes fallos de convergencia para sistemas condicionados (radiales, poco mallados, muy cargados, etc.) llevó a desarrollar el método de la matriz impedancia, matriz (Z) “llena”, es decir carece de elementos desiguales de cero. Esta dificultad condujo al método Newton – Raphson, el cual fue desarrollado primero por Van Ness y Griffin y posteriormente por otros autores. Este propone resolver una 23.

(36) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. ecuación no lineal por medio de varias ecuaciones no lineales, método en el cual la solución se va aproximando a la solución del problema original, el cual converge en una menor cantidad de iteraciones, donde la mayor parte de los flujos de potencia resueltos utilizando en este método pueden converger en un valor menor a las diez iteraciones (Nassar, 1991) (Garcías, 2004) (Glover, 2004) (Laosa, 2011). Las modificaciones realizadas al método convencional de Newton – Raphson lo han hecho un método rápido y exacto pudiendo ser utilizado para problemas de análisis de contingencias. Los problemas de pérdida de la estabilidad en los sistemas eléctricos se identifican claramente con la aparición de grandes oscilaciones en las magnitudes de tensión en los nodos más importantes de una red eléctrica, así como grandes oscilaciones de las transferencias por las líneas que enlazan estos nodos. En el software PSX (González Cueto, 2000), (García, 2002) utilizado en este trabajo, se encuentran implementados dos métodos de flujo de carga, el Newton-Raphson Desacoplado Rápido (García, 2004) (Göran, 2004) y el Newton-Raphson Acoplado Rápido. El último no se encuentra afectado por la relación X/R de la red, algo que en el nivel de transmisión no influye, pero a nivel de subtransmisión y distribución, que son líneas de más baja tensión, puede tener relaciones cercanas a la unidad, afectando la convergencia del desacoplado (Ojeda, 2011).. 1.13. Cortocircuitos Los cortocircuitos en los sistemas de distribución, en líneas y equipos son condiciones anormales en los circuitos. Las causas de estos pueden ser innumerables, constituyen las averías más frecuentes y peligrosas en un SEP. Sin embargo, todas las empresas eléctricas tratan de clasificarlos y llevan estadísticas complejas con el objetivo de conocer en detalle el comportamiento de sus sistemas y componentes para instalar en lo posible, así como escoger y ajustar en forma adecuada, los equipos de protección (Kundur, 1994). En el diseño, planificación y operación de los sistemas de potencia los estudios de cortocircuitos son utilizados con diferentes propósitos. Por ejemplo para la 24.

(37) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. selección de un interruptor, para definir estrategias de operación sin violar los niveles de cortocircuito admisibles, y muy importante, para la selección adecuada de un sistema racional de protecciones. La aparición de cortocircuitos en un sistema eléctrico es de naturaleza aleatoria. El momento en que ocurre el cortocircuito, el tipo, el lugar donde ocurre, las fases involucradas, la evolución de la misma, etc., son aspectos importantes para su estudio. El cortocircuito puede cambiar el flujo normal de corriente. Al inicio fluyen corrientes diferentes, pasado unos ciclos más tarde, momentos antes que los interruptores sean llamados a abrir el elemento fallado la misma ha disminuido su magnitud, desaparece la componente de corriente directa. Por otro lado estas corrientes difieren grandemente de las que fluirían en estado estable. En un sistema eléctrico pueden existir cuatro tipos de cortocircuitos: trifásico, bifásico (estos dos involucran solo las fases), monofásico y bifásico a tierra (estos dos últimos involucran la tierra). Solo en el caso del cortocircuito trifásico el sistema se mantiene balanceado, en los restantes el sistema se desbalancea, lo que hace necesario su estudio por el método de las componentes simétricas. La experiencia ha mostrado que entre el 70 y el 80 % de los cortocircuitos en las líneas de transmisión son monofásicos o de fase a tierra, que se originan en el flameo de una línea a la torre y a tierra. Solo aproximadamente el 5% es trifásico, simétrico (Graiger, 1996). Los cortocircuitos provocan en las redes eléctricas modificaciones de los parámetros de servicio. El paso al nuevo estado va acompañado de fenómenos electromagnéticos y electromecánicos que definen las magnitudes y las variaciones temporales de la corriente de cortocircuito. Esta depende de diversos factores. Algunos de dichos factores son: . Instante de tiempo en que se produce el cortocircuito. El valor de la tensión al instante de producirse la avería influye en el valor máximo de la corriente, por la componente de corriente directa (CD).. . Fuentes de la corriente de cortocircuito. Cantidad de estas y su capacidad. 25.

(38) Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eléctricos 2012. . Estado previo de la carga. Aunque la corriente no depende de las cargas, si la carga hace depender el número de generadores y el valor de su fem. en el momento de cortocircuito.. . Ubicación del cortocircuito. Mientras más cerca de la fuente se encuentre el cortocircuito más severa será la corriente, esta solo es limitada por la impedancia entre la fuente y el punto de cortocircuito.. . Configuración de la red. Posibles trayectorias de la corriente.. . Duración del cortocircuito. Los dispositivos de protección fijan esta variable.. . Estas averías pueden ser limpias o sólidas, con arco o sin arco, el cual no es fácil de calcular debido a que varía con el tiempo. La resistencia de arco es directamente proporcional a la longitud del arco e inversamente proporcional a la corriente que pasa por este.. En el software PSX es posible realizar el cálculo de todos los niveles de cortocircuitos, trifásico, monofásico, bifásico y bifásico a tierra, en todos los nodos de la red que se deseen. Además, mediante los denominados “switchings” es posible representar diferentes condiciones anormales, aisladas o simultáneas, que permiten calcular todas las variables de la red en el momento de producirse o en un momento posterior, aprovechando las facilidades de simulación en el tiempo de la estabilidad (García, 2002).. 26.

(39) Modelación y actualización de la red 2012. Capítulo 2 Modelación y actualización de la red. 27.

(40) Modelación y actualización de la red 2012. Capítulo 2 Modelación y actualización de la red. Para la realización de este capítulo fue necesario recopilar información detallada de la estructura que presenta hoy la red eléctrica espirituana, así como de los nuevos proyectos en fase de ejecución y de las futuras inversiones que se piensan realizar en los próximos años. Los cambios más significativos son: la nueva subestación Sancti Spíritus 220/110 kV, que se construye al lado de la subestación Tuinucú 110/34.5 kV, así como la futura subestación Sancti Spíritus # 3 (SSP#3) de 110/13,8 kV, la cual tendrá como destino alimentar objetivos económicos y sociales de la ciudad Sancti Spíritus y zonas aledañas, y el emplazamiento de máquinas fuel oíl que se construirá en Cabaiguán. La información obtenida en esta etapa fue imprescindible para modelar la red eléctrica de la provincia, con el apoyo de los monolineales del software Sistema de Observabilidad de las Redes Eléctricas (SORE) y mediante el uso del software PSX, diseñado en el Centro de Estudios Electroenergéticos (CEE), de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, ubicada en la UCLV. Este software simula redes de transmisión y subtransmisión y a través del mismo se pudo realizar el nuevo esquema de la red eléctrica de Sancti Spíritus, para prever el comportamiento del sistema tras la realización de los proyectos mencionados. 2.1 Esquema actual de la provincia Sancti Spíritus La mayor parte de la energía eléctrica consumida por la provincia de Sancti Spíritus procede, desde el oeste, de la subestación Santa Clara 220 kV, a través del Interruptor 8420 y desde el este, de Vicente 220 kV por el interruptor V-103. A partir de la barra de Tuinucú se alimentan las subestaciones de Yaguajay, Sancti Spíritus #1 (SSP#1), Sancti Spíritus #2 (SSP#2). Por su parte, Cabaiguán y Jatibonico están conectados por derivaciones en las líneas de alimentación antes mencionadas, hacia Tuinucú. En Fig. 2.1 se muestra el esquema actual del sistema eléctrico de la provincia. 28.

(41) Modelación y actualización de la red 2012. Fig. 2.1 Esquema de la red de Sancti Spíritus en la actualidad.. En el horario del pico la subestación de Tuinucú puede llegar a demandar del sistema 50 MVA. Situación que puede aumentar en caso de limitaciones en la generación distribuida. La línea Santa Clara-Tuinucú tiene una longitud de 88.8 km, con dos derivaciones, una en Cabaiguán y otra en Placetas, mientras que la de Tuinucú-Vicente tiene 88 km y dispone de una derivación en Jatibonico y otra en la Fábrica de Cemento Siguaney, lugar este que ha contaminado tanto las líneas como los aisladores, transformadores y demás dispositivos que provocan su salida de servicio ante lluvias e imposibilita su uso hasta que seque. Se pudiera decir que esta es la causa de la mayoría de las interrupciones que ocurren en el servicio eléctrico del territorio espirituano. Ante situaciones como por ejemplo la de la lluvia, la subestación de Tuinucú queda conectada al SEN por un solo lado, lo que en el caso del pico puede 29.

(42) Modelación y actualización de la red 2012. crear caída de tensión en esta y elevar la demanda por la línea Santa Clara – Tuinucú a 40 MVA, ante condiciones normales de la generación distribuida. La Fig. 2.2 está representado el esquema de barras actual de la subestación Tuinucú 110/34.5 kV.. Fig. 2.2. Esquema de barra de la subestación Tuinucú 110/34.5 kV.. En la Fig. 2.3 se muestra la red de transmisión y subtransmisión de la provincia, así como los valores de los transformadores instalados en cada una de las subestaciones.. 30.

(43) Modelación y actualización de la red 2012. Yaguajay 25 MVA 110/ 34.5 kV. Cabaiguán 25 MVA 110/ 34.5 kV SSP2 2X25 MVA 110/ 34.5 kV. Siguaney 20 MVA 110/ 13.8 kV. SSP2 SSP2 25 MVA 25 MVA 110/ 13.8 kV 110/ 13.8 kV. Jatibonico 2X25 MVA 110/ 34.5 kV. Trinidad 2X25 MVA 110/ 34.5 kV 110/ 13.8 kV. Fig. 2.3. Esquema actual de la subtransmisión por 110 kV en la provincia, así como los transformadores instalados en cada territorio. 2.2 Generación de la provincia Sancti Spíritus La provincia cuenta con generación proveniente de plantas fuel oil y diesel, las cuales están distribuidas por diferentes lugares. Asimismo, la potencia instalada en este territorio alcanza un valor de 62.94 MVA. Sin embargo, tras la instalación del futuro emplazamiento fuel de Cabaiguán, se pretende que la generación alcance los 97.06 MVA. En la tabla 1 que se muestra a continuación aparecen los datos y características de cada uno de los emplazamientos del territorio, incluyendo los futuros proyectos.. 31.

(44) Modelación y actualización de la red 2012. Localidad. Cantidad. Modelo MTU2000. Potencia (MVA) 2.36. Potencia Total (MVA) 18.88. Combustible utilizado Diesel. Yaguajay. 8. Simón Bolívar (Yag.) Sancti Spíritus. 2. MTU4000. 1.15. 2.3. Diesel. 5. MAN. 4.88. 24.4. Fuel. Papelera (Jatib) Fomento. 2. MTU2000. 1.15. 2.3. Diesel. 24. Scania. 0.43. 10.32. Diesel. Trinidad. 8. MTU2000. 2.36. 18.88. Diesel. Trinidad. 4. MAN. 4.88. 19.52. Fuel. Cabaiguán (inversión) PCHE Zaza. 7. MAN. 4.88. 34.16. Fuel. 2.35. 4.7. Hidráulica. 2. Tabla 1. Estado de la generación distribuida de la provincia. 2.3 Características de la red eléctrica de la provincia en la actualidad La provincia de Sancti Spíritus cuenta con siete subestaciones de 110 kV por alta, encargadas de suministrar energía eléctrica a todo el territorio, además cuenta con una en proceso de construcción. Con respecto a su generación, se puede decir que está respaldada por plantas fuel y diesel, las cuales entregan energía a todos los municipios y al SEN. Esta previsto el montaje de un nuevo emplazamiento fuel oil en el territorio de Cabaiguán. Para el año 2017 quedara construida una hidroeléctrica en el rio Agabama, la cual estará conectada al SEN. 2.3.1 Subestación Tuinucú 110/34.5 kV Tuinucú es la subestación encargada de suministrar la mayor parte de la carga industrial y residencial del municipio cabecera y sus zonas aledañas. Incluye 32.

(45) Modelación y actualización de la red 2012. dos transformadores de 25 MVA, cuya tensión de operación es de 110/ 34.5 kV y presenta problemas con la tensión de alimentación, alcanzando valor record de 96 kV. Aunque es importante agregar que esto ha ocurrido por la salida de grandes plantas generadoras, pero normalmente está en 105 kV con un 5% de variación. Por la barra de 34.5 kV, cuenta con un banco de capacitores, que tiene como objetivo mejorar la tensión de subtransmisión, contribuyendo con la generación de reactivo. A partir de Tuinucú se alimentan a través de 110 kV las subestaciones de: Yaguajay, Sancti Spíritus #1 y Sancti Spíritus #2. Tuinucú tiene conectado a la barra de 34.5 kV, el central Melanio Hernández, el cual tiene conectado a su vez dos generadores de capacidad nominal 4 MVA cada uno, pero solo es capaz de entregar al sistema 2 MW en conjunto. 2.3.2 Subestación Sancti Spíritus #1 110/13.8 kV La subestación Sancti Spíritus #2 cuenta con un transformador de 25 MVA, el cual opera con nivel de tensión de 110/ 13.8 kV. Está localizada en la zona industrial del municipio, junto al emplazamiento fuel oíl de Sancti Spíritus, que se compone por cinco máquinas MAN de capacidad total 24.4 MVA. Las barras de 13.8 kV de estas dos instalaciones se unen a través del interruptor S-865, con motivo de mejorar la operación de la red. Esta subestación está alimentada en estos momentos desde la barra de 110 kV de Tuinucú 110/34.5 kV, por medio del interruptor TI-105, a una distancia de 10.2 km. La línea que une estas dos subestaciones se encuentra montada sobre el tipo de estructuras H y TF, la cual puede transferir una potencia de 25 MVA. Dicha subestación presenta una salida en la barra de 110 kV con el objetivo de conectarla a la futura subestación Sancti Spíritus #3 para su alimentación. En la Fig. 2.4 se muestra el esquema de la subestación Sancti Spíritus #1, donde se muestran los interruptores de salida, el de entrada y los diferentes desconectivos que componen dicha subestación Además aparecen los emplazamientos de fuel oil que están trabajando actualmente.. 33.

(46) Modelación y actualización de la red 2012. Fig. 2.4. Esquema de la subestación de 110/13,8 kV Sancti Spíritus #1. 2.3.3 Subestación Sancti Spíritus #2 110/13.8 kV La subestación Sancti Spíritus #2 presenta un transformador de potencia nominal de 25 MVA (Fig. 2.5), con tensión de operación 110/13.8 kV. Está localizada en la periferia de la zona suroeste de la cabecera provincial y la carga que suministra es básicamente residencial, incluyendo algunos objetivos económicos. Esta subestación se encuentra alimentada en estos momentos desde la barra de 110 kV de Tuinucú 110/34.5 kV, a través del interruptor TI- 104, por una línea montada sobre estructuras H y TF a una distancia de 14.9 km, diseñada para transferir una potencia de 25 MVA. Dicha subestación tiene una salida para conectarla con la subestación Sancti Spíritus #3, lo que cerrará un lazo en el territorio cabecera, que traerá consigo un aumento de la fiabilidad y una mejora en la operación del servicio eléctrico en el territorio. 34.

(47) Modelación y actualización de la red 2012. Fig. 2.5. Esquema de la subestación Sancti Spíritus #2. 2.3.4 Subestación Yaguajay 110/34.5 kV Yaguajay se alimenta en estos momentos de forma radial desde la barra de 110 kV de Tuinucú 110/34.5 kV, por medio del interruptor 9660. La línea tiene una longitud de 40.5 km sobre estructura Benetty, la cual permite alcanzar una transferencia de potencia de 70 MVA. El territorio es apoyado por un grupo de ocho máquinas diesel de las cuales normalmente trabajan siete. Este municipio tiene problemas de tensión de operación en la barra de 110 kV, la cual normalmente está en valores de 104 kV en el período de pico eléctrico, con una variación del 5%. Se prevé para los próximos años su enlace con los municipios del norte de la provincia de Villa Clara, lo cual tendrá la importancia de crear un nodo fiable en la zona de Remedios y Caibarién, que viene dado con el fin de alimentar el importante polo turístico de la cayería norte de estos territorios desde el SEN. 35.