Estudio de las protecciones de Sagua 110kV y Calabazar 110kV

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(2) Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Título: Estudio de Las Protecciones de Sagua 110kV y Calabazar 110kV Autor: Trevlon Alexander Pyle. Tutor: Dra. Marta Bravo de Las Casas. Santa Clara 2009 "Año del 50 Aniversario del Triunfo de La Revolución".

(3) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Título: Estudio de Las Protecciones de Sagua 110kV y Calabazar 110kV. Autor: Trevlon Alexander Pyle Email: [email protected]. Tutor: Dra. Marta Bravo de Las Casas Email: [email protected] Dpto. de Electroenergética Facultad de Ingeniería Eléctrica, UCLV Santa Clara 2009 “Año del 50 Aniversario del Triunfo de La Revolución ".

(4) 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 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 Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(5) PENSAMIENTO. Los simples heredarán necedad; mas los prudentes se coronarán de sabiduría. (Proverbios 14:18). i.

(6) DEDICATORIA. Este trabajo se dedica a mi Padre, Madre, hermana y mis tres hermanos que siempre me han apoyado infatigablemente en todo.. ii.

(7) AGRADECIMIENTOS. A mi futura esposa Candice Rayside que con su amor y cariño me animaba durante los cinco años de mis estudios. A mis Padres William Pyle y Terrie Pyle por todo. A la Revolución Cubana y la República de Guyana por la oportunidad de hacer este sueño una realidad. A mi Tutora que me atendía como si yo fuese su propio hijo y exigía excelencia. A los amigos de la Empresa Eléctrica brindaron criterios imprescindibles para la realización de este trabajo. A mis Pastores y hermanos de la Iglesia que oraban mucho por mí para que Dios me fortaleciese en mis estudios. A Dios que nunca me ha abandonado ni desamparado sino que siempre fue fiel conmigo mostrándome su amor y dándome su misericordia, gracia y favor divino por Cristo Jesús.. iii.

(8) TAREA TÉCNICA. Para alcanzar el objetivo de este trabajo resulta imprescindible realizar las siguientes tareas técnicas: 1. Realizar estudio bibliográfico de los efectos de la Generación Distribuida sobre los sistemas de protecciones. 2. Obtener utilizando el PSX, los niveles de cortocircuito actuales en las barras atendidas por las Subestaciones Calabazar y Sagua 110 kV. 3. Obtener utilizando el PSX, los valores de las corrientes de falla para todos los alimentadores de la Subestaciones Calabazar y Sagua 110 kV. 4. Ajustar, teniendo en cuenta los resultados anteriores, las protecciones de las subestaciones, chequear sensibilidad de dichos ajustes y coordinar en los casos necesarios. 5. Confeccionar el informe final.. Firma del Autor. Firma del Tutor. iv.

(9) RESUMEN. El estudio de las protecciones de las subestaciones de subtransmisión denominadas Sagua110kV y Calabazar110kV, ubicadas en la provincia Villa Clara, se encuentra desactualizado. Se persigue realizar un estudio de las protecciones de las subestaciones de 110/34,5 kV de Sagua y Calabazar en los nuevos escenarios con Generación Distribuida. Se recopila la información necesaria de las subestaciones, para realizar los ajustes de las protecciones y auxiliado por el PSX 2.81, se estudian todos los niveles de cortocircuitos. La introducción de la Generación Distribuida ha hecho que la sensibilidad de las protecciones aumente en algunos casos debido a los incrementos en los niveles de cortocircuito, mientras que en otros ha decrecido, no de forma notable debido a los efectos de generación intermedia producidos por los centrales azucareros. Para tales variaciones en los niveles de cortocircuitos los ajustes actuales de las protecciones no están a altura de los retos propuestos, se notan cambios en los valores de arranque, falta de coordinación y de sensibilidad de algunos de los relés producto de estas variaciones. Se proponen soluciones para mejorar las operaciones de las protecciones en los nuevos escenarios de Generación Distribuida en el sistema.. v.

(10) TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ........................................................................................................ i DEDICATORIA......................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................... iv RESUMEN ............................................................................................................... v INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1.. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones. Eléctricas.. 7. 1.1.1. Beneficios de la Generación Distribuida ........................................................ 8. 1.1.2. Uso de la Generación Distribuida.[10] ............................................................. 9. 1.1.3. Tecnologías usadas en la Generación Distribuida. [11,35] ................................ 9. 1.2. Problemas Relacionados con la Introducción de GD en la Red de. Distribución. ....................................................................................................... 11 1.2.1. Nuevos requerimientos para las redes de distribución con GD. [18].............. 12. 1.3. Efecto de la Generación Distribuida en las Protecciones ............................ 13. 1.4. La generación distribuida en otros países................................................ 21. CAPÍTULO 2.. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kv. Y Calabazar 110kV. .............................................................................................. 24. vi.

(11) 2.1. Modelación y actualización de la Subestación Sagua 110 kV ................. 24. 2.1.1. Condiciones de Operación .......................................................................... 27. 2.1.1.1. Condición Normal de Operación. ................................................................ 27. 2.1.1.2. Condiciones de Emergencia ....................................................................... 30. 2.1.1.2.1. Configuración de Emergencia 1 .................................................................. 30. 2.1.1.2.2. Configuración de Emergencia 2 .................................................................. 31. 2.1.1.2.3. Configuración de Emergencia 3 .................................................................. 32. 2.1.1.2.4 Configuración de Emergencia 4 ........................................................ 33 2.1.1.2.5. Configuración de emergencia 5................................................................... 34. 2.1.1.2.6. Configuración de emergencia 6................................................................... 34. 2.1.1.2.7. Configuración de emergencia 7................................................................... 35. 2.1.1.2.8. Configuración de Isla .................................................................................. 35. 2.2. Modelación y actualización de subestación Calabazar 110kV ................. 35. 2.2.1. Condiciones de operación ........................................................................... 37. 2.2.1.1. Condición Normal de Operación. ................................................................ 37. 2.2.1.2. Configuraciones de Emergencia ................................................................. 38. 2.2.1.2.1. Configuración de emergencia 1................................................................... 38. 2.2.1.2.2. Configuración de Emergencia 2 .................................................................. 38. 2.2.1.2.3. Configuración de Emergencia 3 .................................................................. 39. 2.2.1.2.4. Configuración de emergencia 4................................................................... 40. 2.2.1.2.5. Configuración de emergencia 5................................................................... 40. 2.2.1.2.6. Condición de Isla ........................................................................................ 40. CAPÍTULO 3.. Cálculo de Cortocircuitos y Ajustes de las Protecciones de la. Subestación Sagua 110kV. ................................................................................... 42 3.1. Esquema Actual de Protecciones. ........................................................... 43 vii.

(12) 3.2. Actualización de los niveles de cortocircuito ............................................ 44. 3.3. Chequeo de las capacidades de los interruptores de la subestación....... 45. 3.4. Ajustes de las Protecciones de Fase vista desde el Sistema .................. 46. 3.4.1. Ajuste Elemento Instantáneo en Condiciones Normales de Operación 47. 3.4.2. Ajuste y coordinación Elemento Retardo de Tiempo Definido. Condiciones Normales de Operación. ............................................................... 49 3.5.1. Ajuste Elemento Retardo de Tiempo Definido. ..................................... 54. 3.5.2. Ajuste Elemento Instantáneo de Tierra................................................. 56. 3.6. Coordinación de las Protecciones............................................................ 56. CAPÍTULO 4.. Cálculo de Cortocircuitos y Ajustes de las Protecciones de la. Subestación Calabazar 110kV. ............................................................................. 58 4.1. Esquema Actual de Protecciones. ........................................................... 58. 4.2. Actualización de los niveles de cortocircuito ............................................ 59. 4.3. Chequeo de las capacidades de los interruptores de la subestación....... 60. 4.4. Ajustes de las Protecciones de Fase vista desde el Sistema. ................. 61. 4.4.1. Ajuste del Elemento Tiempo Inverso .................................................... 61. 4.4.2. Ajuste del Elemento Instantáneo .......................................................... 63. 4.5. Ajustes de las Protecciones de Tierra vista desde el Sistema. ................ 63. 4.5.1. Ajuste del Elemento Tiempo Inverso .................................................... 63. 4.5.2. Ajuste del Elemento Instantáneo .......................................................... 64. 4.6. Coordinación de las Protecciones de los alimentadores con los fusibles de. las subestaciones de distribución. ..................................................................... 64 4.7. Coordinación del Totalizador con los relés de los interruptores de salida.66. CONCLUSIONES .......................................................................................................... 67 viii.

(13) RECOMENDACIONES ................................................................................................. 69 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 70 ANEXOS ......................................................................................................................... 74. ix.

(14) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. Los temas de la conservación de los recursos naturales y la protección al medio ambiente, han alcanzado gran importancia en la última década. La generación de energía es una de las áreas de problemas medioambientales grandes y son muchos los esfuerzos que hay que promover a fin de obtener un porvenir más esperanzador para las generaciones futuras, ¿qué mundo sino el que le vamos a legar a nuestros descendientes? En este sentido, uno de los logros más significativos es sin duda, el desarrollo de nuevas actitudes respecto del uso racional de energía y políticas que fomentan al máximo el uso de energías renovables, tales como la eólica, solar, hidráulica y biomasa, que reducen las emisiones de gases que producen el calentamiento del planeta. Una de estas políticas es el Protocolo de Kioto, el cual tiene como objetivo reducir sustancialmente las emisiones de dióxido de carbono (CO2), y son muchos los países, entre ellos Cuba, que tienen programas con objetivos concretos de incremento del uso de estas energías renovables. En este contexto, en los últimos tiempos se ha producido un fuerte impulso en el desarrollo y utilización de distintas tecnologías de generación a pequeña escala, en particular aquellas relacionadas con fuentes renovables. [1] Este tipo de generación denominada “Generación Distribuida (GD)” se define como el uso de unidades de generación eléctrica, instaladas en forma aislada para proporcionar un servicio específico, o interconectadas a las redes de distribución de electricidad en la cercanía de los circuitos locales. El uso de la GD ayuda a solucionar parte de los problemas del mundo energético actual, convirtiéndose en una prometedora alternativa, para el suministro energético en países desarrollados, donde paralelamente sus sistemas eléctricos están siendo objeto en los. 1.

(15) INTRODUCCIÓN. últimos años de importantes cambios regulatorios, económicos y tecnológicos, introduciendo mecanismos de libre competencia. 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 con 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 todo el país) 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 MQW 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 Cuba. Por otro lado está el ahorro del consumo de combustible, 210 gramos / kW.hora como promedio de Diesel o Fuel Oil, según el tipo de motor y su objetivo. [2] La GD se ha diseminado por todas las provincias cubanas debida a que es técnicamente y económicamente posible. Generalmente los grupos Diesel están 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.. Estas. plantas. pueden. funcionar. aisladas. del. Sistema. Electroenergético Nacional, pues los mismos equipos pueden 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 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. 2.

(16) INTRODUCCIÓN. volvería a crear una crisis como la de 2004.. [3]. Pero a su vez trajo consigo también sus. desventajas, tales como en las regulaciones de voltaje y en los requerimientos impuestos a las protecciones de las redes. La introducción de GD modifica la magnitud y dirección de la corriente de falla, cambiando al mismo tiempo el modo de operación de la red. El tipo de fallo más frecuente y peligroso es el cortocircuito, pues da lugar a avalanchas grandes de corrientes y caídas de voltajes 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, por lo tanto 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 o con la GD sin la necesidad de tener el sistema conectado. [4] Se pueden identificar aspectos de la protección de GD tales como: la protección de los equipos de generación para fallas internas, protección de las redes de distribución para cortocircuitos alimentados desde la GD, la protección de aislamiento y pérdida de la principal, y el impacto de esta GD sobre los dispositivos ya existentes en las redes. Siendo todos estos aspectos de importancia y que deben estudiarse cuidadosamente. [5] Frente a una revolución energética en que se ha visto involucrado a todo el país y ante el desafío de seguir suministrando electricidad continua y de calidad; en las subestaciones de 110 kV de Calabazar y Sagua la Grande, ambas del municipio de Villa Clara, cuentan en su red de subtransmisión (34,5 kV) con la filosofía de tal generación. Emplazamientos de Máquinas Fuel –Oil se han sumado a la potencia sustancial inyectada a su sistema; además de contar con el ya antiguo aporte de generación, en tiempos de zafra, de algunas Centrales Azucareras sincronizadas al SEN.. PROPUESTA DE SOLUCIÓN En este trabajo se realizó un estudio de las subestaciones de 110 / 34,5 kV de Calabazar y Sagua, ubicadas en la provincia de Villa Clara con el objetivo de determinar el efecto de la introducción de la GD en sus protecciones. En ambas subestaciones se encuentran instaladas ocho máquinas de Fuel de 2,2 MVA cada una.. 3.

(17) INTRODUCCIÓN. Se estudiaron los efectos de los mismos en los niveles de cortocircuito y en las protecciones, de sobrecorriente principalmente de la subestación, así como se expondrán algunas propuestas teniendo en cuenta los cambios sufridos en los esquemas de conexiones que se pudieran utilizar en diversos casos en la red de la subestación. Para hacer los cálculos de cortocircuito necesarios para los ajustes de las protecciones se utilizó el software PSX versión 2.81, otro programa utilizado secundariamente como herramienta de cálculo fue el MATLAB, ya que con la misma se realizaron cálculos y obtenciones de curvas en gráficos para una mayor comprensión y análisis de los resultados. El objetivo principal de este trabajo fue realizar los ajustes de las protecciones eléctricas de estas subestaciones por 34,5 kV así como analizar como afecta la GD ubicada en las subestaciones los ajustes efectuados y proponer soluciones que eviten un funcionamiento de las protecciones que puede ser. mal. provocado por este tipo de. generación. Problema: ¿Cómo se afectan los niveles de cortocircuito con la introducción de la GD? Es una de las Interrogantes Científicas que resolverá este trabajo. A pesar de los beneficios inherentes a la GD, integrar puntos de generación al sistema que, tradicionalmente, poseían apenas una dirección de flujo de potencia no es tarea fácil. Nuevos problemas como los consecuentes disturbios en el Sistema de Protección y la dificultad de operación de la red, son retos a ser enfrentados. Surge la inevitable necesidad de reevaluar el sistema actual de protección fruto del posible cambio de los niveles de cortocircuito y de la no obviedad de la dirección de las corrientes de fallo. Pérdidas de sensibilidad, liberación inadecuada de fallos o simplemente la no actuación de la protección correspondiente a determinada falta son nuevos problemas a tenerse en cuenta. De manera que otra de las interrogantes seria: ¿Cuál es la influencia que tienen las variaciones de los niveles de cortocircuito en las protecciones instaladas? ¿Por qué es necesario la era de los relés electrónicos programables en lo circuitos radiales con GD a partir de los resultados obtenidos en los ajustes de los relés para las diferentes condiciones de trabajo de la red y con la GD y sin ella?. 4.

(18) INTRODUCCIÓN. Objeto de estudio: Protecciones eléctricas de los alimentadores y totalizadores de las dos subestaciones de 110 / 34,5 kV en los nuevos escenarios con Generación Distribuida. Objetivo general: Realizar un estudio de las protecciones de las subestaciones de 110 /34,5 kV de Sagua y Calabazar en los nuevos escenarios con Generación Distribuida. Objetivos específicos: 1. Recopilar la información necesaria de las subestaciones y de las características de las protecciones las cuales permitirán realizar los ajustes de las protecciones con la ayuda del software PSX. 2. Calcular los niveles de cortocircuitos y los ajustes de las protecciones en todos los escenarios de trabajo de las subestaciones, incluyendo las configuraciones de emergencia. 3. Proponer soluciones en los casos en que las protecciones no cumplan los requerimientos impuestos. En el Capítulo 1 se hace un análisis bibliográfico de conceptos y teorías imprescindibles para el cumplimiento de los objetivos de este trabajo; sobre todo haciendo énfasis en el efecto que puede traer le GD sobre el SEN. En el segundo capítulo se hace una descripción lo más detallada posible de las condiciones de operación de las subestaciones en estudio, Subestación Sagua 110 kV y Calabazar 110 kV. El tercer capítulo es para los cálculos relacionados con la subestación Sagua 110 kV. Se describe el procedimiento que se siguió en la utilización del programa PSX para el cálculo de los cortocircuitos necesarios para los ajustes de las protecciones de fase y tierra de esta subestación y de las principales funciones de los relés utilizados. Se utilizan para los alimentadores relés de sobrecorriente tiempo constante de dos escalones AT12 y AT31 de fabricación checa y en el caso del totalizador se utiliza un relé digital IM30. Por último se exponen los cálculos para los ajustes de los relés y la coordinación de estos con los diferentes dispositivos. Como colofón a este trabajo se brindarán una serie de conclusiones que permitirán hacer proposiciones que se consideran muy útiles para la Organización Básica Eléctrica (OBE).. 5.

(19) INTRODUCCIÓN. El cuarto capítulo es para la subestación Calabazar 110 kV, quedando semejante al anterior. Aquí se utilizan relés 7SJ600 de la SIEMENS de tecnología digital para los alimentadores y el totalizador.. 6.

(20) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas.. Introducción La planificación de las protecciones es una parte indispensable del diseño de un sistema eléctrico de potencia. Se requiere un análisis de los niveles de fallos, condiciones de prefallo, y condiciones de postfallo para una selección correcta de los dispositivos de interrupción (breakers), ajustes y coordinación de los relés de protección. [6] El incremento de la corriente de fallo depende de varios factores entre los que se encuentran la medida de la GD, su impedancia transitoria, localización del fallo, voltaje de prefallo de la GD. [6] 1.1. Generación Distribuida. La Generación Distribuida se ha convertido en un fenómeno generalizado en los sistemas de potencia a nivel mundial, sin embargo, no existe un acuerdo sobre la definición de la misma,. [7]. ni tampoco a la hora de denominarla bajo un nombre, la misma juega un papel. según la nacionalidad ya que, en países angloparlantes es común la utilización del término Generación In-Situ, en Norteamérica se cataloga como Generación Dispersa mientras que en Europa y en algunos países de Asia se le denomina Generación Descentralizada. [11] Una definición muy conocida es la del IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers):. "Generación. Distribuida. es. la. producción. de. electricidad. por. instalaciones que son suficientemente pequeñas en relación con las grandes centrales de generación, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema eléctrico. Es un subconjunto de recursos distribuidos". [1] En esta definición no se hace ninguna referencia al margen de potencias de los generadores, pero en general se acepta que va desde unos 3 a 5 kW los más pequeños, hasta 10-20MW los de mayor tamaño. A este respecto, en la referencia [7] se consideran Generadores Dispersos los de 5 kW a 500 kW que se conectan a la red de distribución de. 7.

(21) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. BT y Generadores Distribuidos, desde 2 MW hasta 10 MW, estando conectados a la red de distribución de MT. En general, aunque no existe una definición universalmente aceptada sobre que es generación distribuida y en que se diferencia de la generación centralizada, algunos atributos que caracterizan a la GD son: [8] - No es planificada. - Menor de 50 – 100 MW. - Conectada al sistema de distribución. 1.1.1. Beneficios de la Generación Distribuida. En los últimos años el uso de la GD ha incrementado, su implementación en los sistemas de distribución lo cual resulta beneficiosa para el SEP y para los usuarios. Para las compañías eléctricas la Generación Distribuida tiene bastantes 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 Generación Distribuida 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. No obstante, existen también algunas 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 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. Otro aspecto importante que puede condicionar el desarrollo de la GD, es la participación de ésta en los servicios complementarios (o servicios del sistema) de la red. Los posibles servicios que esta nueva forma de generación puede proporcionar a la red al nivel de distribución incluyen el soporte de voltaje, la potencia reactiva, la liberación de congestiones, y el servicio de reserva de emergencia para restaurar el servicio en una. 8.

(22) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. zona limitada de consumidores. Estos servicios, en el nivel de distribución afectan también al nivel superior del sistema de transmisión, de forma que proporcionan también apoyo a este sistema. Por último estarían los problemas relacionados con los cambios en el flujo de las corrientes de cortocircuitos y su efecto sobre las protecciones eléctricas, más los problemas relacionados con la estabilidad del sistema. Estas desventajas se pueden reducir por la adopción de medidas adecuadas y por las ventajas propias que tiene acentuadas por los avances tecnológicos. La GD aparece como una opción a los sistemas de transmisión. Para cada caso particular habrá que decidir cuál de las dos opciones es la mejor solución desde del punto de vista técnico-económico. [9] Sin embargo, un marco regulatorio que no reconozca los costos y beneficios reales involucrados en el sistema eléctrico y en particular los de la GD producirá que se vuelva no competitiva y distorsionará un desarrollo eficiente del SEP. 1.1.2. Uso de la Generación Distribuida.[10]. La Generación Distribuida puede explotarse de distintas maneras: Como carga base: esta consiste en utilizarla en modo de isla, es decir ella misma regula su generación alimentando a la carga en ausencia de un sistema potente. Para aliviar picos de demanda: esta es otra forma en que se conecta la generación distribuida al sistema con el objetivo de suplir algún déficit de energía en los momentos en que la demanda se hace superior o en horarios en que la energía sea más cara. Para elevar la fiabilidad: esta variante se usa en caso de que pueda ocurrir alguna falla en las líneas y se tienen las pequeñas plantas para mantener el servicio en zonas afectadas por lo que se eleva la calidad y disminuye el tiempo sin servicio eléctrico. 1.1.3. Tecnologías usadas en la Generación Distribuida. [11, 35]. Varias son las tecnologías usadas en la generación distribuida con diferentes grados de éxito y aplicación, las cuales serán mencionadas a continuación.. 9.

(23) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. a) La energía solar. Placas fotovoltaicas. Los sistemas fotovoltaicos son conocidos usualmente como paneles solares. Los paneles solares fotovoltaicos están conformados por celdas individuales conectadas entre sí, que convierten radiación lumínica en electricidad. Descripción: convierten la luz del sol en electricidad. Disponibilidad: es una tecnología muy desarrollada, conocida y difundida que, en el caso de su aplicación a pequeña escala, tiene que resolver todavía problemas de eficiencia y precio para que sea realmente competitiva. b) La energía eólica. Las turbinas de viento, son consideradas las alternativa más económica entre el portafolio de energías renovables, lo cual se pone de manifiesto en la creación de grandes parques eólicos. Cada unidad de estas puede generar hasta 4 MVA de potencia siendo esta una tecnología muy limpia. c) Hidráulica. En las pequeñas presas, pequeñas hidroeléctricas, esta tecnología es muy aprovechada en países que tienen grandes recursos hídricos además de su aprovechamiento en pequeña magnitud. d) Celdas de combustible Esta tecnología se encuentra en pleno surgimiento y está poco difundida debido a los altos precios a los que todavía se cotiza en el mercado internacional. e) Microturbina. La tecnología básica utilizada es derivada de los sistemas de potencia auxiliares de los aviones, los motores Diesel y diseños de automotores. [35] Ya hay numerosos restaurantes, centros comerciales etc., que las utilizan para cubrir sus necesidades de electricidad y calefacción. También en este caso el reto está en reducir su tamaño y precio, así como el ruido que produce. f) Placas fotovoltaicas Descripción: A diferencia de las térmicas, que convierten la luz del sol en calor, las placas fotovoltaicas la convierten en electricidad. [10]. 10.

(24) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. Disponibilidad: es una tecnología muy desarrollada, conocida y difundida que, en el caso de su aplicación a pequeña escala tiene que resolver todavía problemas de eficiencia y precio para que sea realmente competitiva. g) Generadores de combustión interna. Estos consisten en la instalación de pequeñas unidades entre unos pocos kVA hasta los 10 MVA. Se utilizan para incrementar la fiabilidad del sistema, usándose como sistemas de respaldo en caso de emergencias, para eliminar el pico eléctrico durante períodos de alta demanda o alto costo de la energía. Estos generadores tienen la desventaja de ser ruidosos, usan combustible caro, y contaminan el medio ambiente. [12] 1.2. Problemas Relacionados con la Introducción de GD en la Red de Distribución.. La GD es una forma de generación de energía eléctrica a pequeña escala que proporciona energía en un punto cercano a la carga. Las redes de distribución en su mayoría son circuitos diseñados para que el flujo de potencia fluya en una sola dirección. Una de las características de estas redes es que permiten la liberación de una falla interrumpiendo la red en un solo punto. De este modo, la introducción de la GD modifica la magnitud y dirección de la corriente de falla, cambiando al mismo tiempo el modo de operación de la red. La potencia puede fluir en más de una dirección, con cargas alimentadas por más de una fuente de suministro, esto complica la seguridad y confiabilidad en el suministro y la calidad de la energía entregada a los consumidores. En principio la GD aumenta las corrientes de cortocircuito, lo cual es una consecuencia de la reducción de la impedancia equivalente de Thévenin vista desde una barra dada cuando se adiciona la GD,. [13]. pero también la puede disminuir dependiendo de la. localización del relé y del fallo, de la localización de la GD.. [14]. Aparecen una serie de. consecuencias producto del aumento o disminución de la corriente de cortocircuito como son: cambios en la coordinación de las protecciones, la hace más compleja, disminución de la sensibilidad,. [4]. así como la operación de los equipos de control asociados. Por otro. lado se puede reducir el alcance de los relés. El sistema de protección requiere que tanto la operación de la GD como la interconexión sea segura y fiable, incluyendo la coordinación con los dispositivos de protección de la. 11.

(25) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. red de distribución. Por lo tanto, para la protección, es necesaria mirarla desde el punto de visto de la red eléctrica, la interconexión y la propia GD. [15] Los niveles funcionales de la protección de la interconexión de una fuente de GD a la red de distribución varían dependiendo de factores como: tamaño del generador, tipo de interconexión con la red de distribución, tipo de generador y configuración del transformador de interconexión. En los esquemas de distribución donde la red opera en paralelo con fuentes de GD, la función principal de los dispositivos de protección de la interconexión es detectar cualquier disturbio en la red que pudieran dañar a la fuente de GD o a la misma red; además de proporcionar protección adicional de respaldo para fallas internas. En estos esquemas la GD, puede alimentar tanto carga local como exportar energía excedente a la red. Estas fuentes pueden estar conectadas en forma directa o a través de un transformador de interconexión.. [16]. Por lo que se debe manejar. efectivamente la generación distribuida (GD) para asegurar que la potencia entregada al sistema mantenga el control de la estabilidad del sistema y una regulación de voltaje aceptable. Por lo que esto significa que hay que utilizar sistemas informatizados y automatizados para lograr dicho control. [17] 1.2.1. Nuevos requerimientos para las redes de distribución con GD. [18]. El conectar GD a una red de distribución es siempre una tarea compleja. En la mayoría de los países se realizan estudios técnicos detallados y se estableces normativas para la interconexión, las cuales no son de fácil creación dada la variedad de tecnologías de GD. Desde el punto de vista técnico hay dos aspectos predominantes: el control y la protección. El término control se refiere al control de voltaje y como es lógico este está unido al control de la frecuencia y la potencia en situaciones importantes. La protección se convierte en importante no solo por el problema monetario en cuanto a los posibles daños si la falla no se elimina a tiempo, sino también por problemas de seguridad. La protección con GD tiene nuevos conceptos, métodos y problemas que resolver. Entre ellos están: 1. La protección de pérdida de la principal. 2. Las funciones de autorecierre. 3. Los cambios de los niveles de fallos.. 12.

(26) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. 4. Coordinación de la protección. 5. La localización del fallo. Como resulta lógico, hay varias formas de solución a estos problemas y que resultan novedosas, y algunas de ellas se pueden adoptar desde la red de alto voltaje. 1.3. Efecto de la Generación Distribuida en las Protecciones. Los esquemas de protección de los sistemas radiales están acordes a los niveles de cortocircuito, corrientes de carga máxima, voltaje del sistema y nivel de aislamiento. La adición de GD en los alimentadores altera los flujos de corriente en varias partes del alimentador de acuerdo al lugar del cortocircuito. Pueden ocurrir operaciones incorrectas, fallo de los esquemas de fusibles, reducción del alcance potencial de localizar fallas de la protección. El problema en general es a causa de que las redes eléctricas están diseñadas para transmitir la potencia en un solo sentido, direccionalmente, es decir redes pasivas, llevando la potencia desde centrales generadores hasta las distintas cargas. Esto significa, que la potencia va desde altos valores de voltaje a valores más bajos usados por los usuarios. Las corrientes de falla circulan por lo tanto de manera similar. Con estos conceptos expuestos anteriormente las protecciones de los alimentadores son fáciles de ajustar. [19] Al adicionar a la red la GD las redes que antes eran pasivas por lo antes expuesto se tornan activas. Por lo que todos estos conceptos pierden validez, ya que los niveles de cortocircuito se incrementan además de que puede variar la dirección de los mismos por lo que son necesarias protecciones en la que se puedan tener en cuenta todos estos fenómenos. Por lo tanto los esquemas de protección convencionales se tornan inapropiados.. [20]. Esto está avalado por los recientes estudios realizados en los cuales se. puede observar como disminuye la sensibilidad al encontrarse en varios nodos de la red de generadores pequeños. a) Disparos incorrectos La protección opera innecesariamente para fallas en otras zonas de protección, producto de la contribución de la GD. Un ejemplo puede ocurrir para el caso de la figura 1.1. El relé ubicado en A y el restaurador no son direccionales. Para el caso de una falla en B puede ocurrir un disparo incorrecto por la cantidad de GD, es decir el relé ve la falla.. 13.

(27) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. Fig. 1.1 Esquema de distribución con generación distribuida. Muchas empresas utilizan esquemas de restauradores con fusibles, con una buena coordinación entre el restaurador y el fusible. Normalmente el primero y/o segundo disparo del restaurador es rápido y los otros dos retardados. En los dos primeros disparos el fusible no se debe fundir, pero debido a la GD puede que el flujo de corriente haga que esto no se cumpla. Otro problema es la falta de sensibilidad de la protección de sobrecorriente para fallas dentro de su zona de operación. Sin GD solo existe alimentación al cortocircuito desde la fuente de suministro de la empresa, y la corriente de cortocircuito en una red radial se calcula de forma fácil. Normalmente los especialistas de protección coordinan estos dispositivos para que la corriente de arranque del mismo sea superior a la falla mínima esperada, la cual se corresponde con la impedancia de falla mayor. La sensibilidad de la protección se reduce sin embargo cuando existe GD entre el dispositivo y la falla. Esto se debe a que la GD sube el perfil de voltaje en la parte superior del alimentador, lo cual reduce la corriente vista por el relé y reduce la sensibilidad a la falla, de manera que la falla tiene que estar más cercana al dispositivo de protección para que la detecte. Otra forma de describir la situación es que la falla está en un punto más lejano como resultado de la GD. Para la generación distribuida se pueden usar varios tipos de generadores, pero el de más impacto sobre la protección es el generador sincrónico. En [14] se dan algunos resultados asociados con la conexión de generadores trifásicos sincrónicos como GD de capacidades en el orden de 500kW a 10 MW en instalaciones simples o grupos de instalaciones.. 14.

(28) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. ¿La localización de la GD desensibiliza la protección de fase y tierra del alimentador? ¿Cuán importante es la localización de la fuente GD en el circuito? La Fig. 1.2 muestra un diagrama monolineal típico de un circuito de distribución radial y sus dispositivos de protección en varios de sus puntos. La capacidad de carga del circuito está en el orden de 10 a 25 MVA para voltajes entre 12, 5 y 34 kV. A la salida de la subestación hay un interruptor de potencia o un restaurador (52). Se tiene una combinación de protección instantánea y de retardo de tiempo para fase y tierra. A lo largo del circuito hay fusibles laterales para varios consumidores o un restaurador donde el dispositivo de la subestación no llega. Los dispositivos de sobrecorriente del alimentador están coordinados de manera que una falla cercana al dispositivo en cuestión provoca que el mismo dispare.. Subestación Alimentadores de medio. Interruptor Recerrador. de. transferencia. Alimentadores Red de transmisión. Interruptor Fusibles Laterales. Fig. 1.2. Esquema de distribución típico con protección de sobrecorriente. En el caso de los fusibles se utiliza el criterio de que no se fundan hasta que el dispositivo de la subestación haya hecho uno o dos disparos instantáneos, donde el mismo es bloqueado por el recierre 79, y la operación es con el dispositivo de retardo normal. La posible pérdida de sensibilidad puede ser observada en la Fig. 1.3, la cual se muestra como el área que se alcanza al estar funcionando la GD disminuye,. [20]. en la misma se. muestra el cubrimiento de los dispositivos 50L, 50H y elementos de fase.. 15.

(29) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. Fig. 1.3. Efecto de la generación distribuida en el alcance de la protección del alimentador El dispositivo 50H instantáneo se ajusta de manera que no opere para una falla en F2 sobre el lado del OCR. El 51 de fase debe ser sensible para una falla en el extremo más alejado de la sección de circuito, F3. Cuando el dispositivo de transferencia F3 está cerrado la longitud del circuito aumenta, siendo la zona de protección mayor, por lo tanto es necesario un ajuste más bajo de la corriente de arranque del mismo. La Tabla 1.1 representa la distribución de la corriente de falla entre la subestación y un generador sincrónico de 3.0 MW conectado directamente en varios puntos del alimentador. Localización de la GD Localización del fallo División de la corriente C1. F1. Isum = 80%; IGD = 20%. C2. F2. Isum = 50%; IGD = 50%. C2. F3. Isum = 40%, IGD = 60%. Tabla 1.1 División de la corriente de cortocircuito trifásica entre el suministro y la GD La Fig. 1.4 se representa la red de secuencia positiva para una falla trifásica en los diferentes puntos. 16.

(30) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. Fig. 1.4. Red de secuencia positiva. Si el relé está ajustado para la capacidad de un circuito de 10 MVA a su tercera parte de la carga transferencial, su arranque será 600 A por primario. En la localización de la GD en C1 la impedancia relativa para la falla en F1 es tal que da un 80 % del sistema y 20 % de la GD de la división total de la corriente. La protección de la subestación tiene 20 % menos corriente de falla cuando la GD está trabajando, pero aún tiene posibilidades de operar la misma. Para la localización de la GD en C2 y falla en F2, la razón ahora es 50/50, lo que puede alcanzar la corriente mínima del sobrecorriente, de manera que se debe considerar un cambio en el ajuste del sobrecorriente. Si hubiera un relé digital como se pueden variar lo ajustes desde una subestación remota esto no es problema. Con GD en C2 y falla en F3, la GD es la mayor fuente con el 60% de la falla. Se afectan los elementos 50L y 51 de la subestación, no serán sensibles, por eso se necesita otro dispositivo de protección en la vecindad de C2, para dar la protección adecuada. La explicación dada para la protección de fase de falta de sensibilidad dependiendo de la localización del relé, también es válida para la protección de tierra. Si la GD se conecta en la entrada del circuito por medio de un transformador de subida aterrado, habrá falta de sensibilidad de la protección de tierra, aún si la GD no está en línea. Las ventajas de una protección de sobrecorriente numérica multifuncional en la subestación están dadas por la variedad de formas de característica de tiempo con lo que se logra una mejor coordinación, además de un amplio intervalo de valores de corrientes de arranque los cuales no son posibles en los otros relés. Además, se tiene la posibilidad de seleccionar grupos de ajustes dependiendo de la condición de operación.. 17.

(31) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. Sin embargo, si se aplican relés digitales a los alimentadores de distribución, los especialistas de protección se deben cuidar contra contingencias simples de la protección, fallas de la misma. La tendencia es usar en una sola caja la protección de respaldo y primaria, si la protección falla el alimentador se podría quedar sin protección. En el caso de los relés electromecánicos hay la ventaja de la redundancia, es decir un relé de una fase puede fallar, pero están los de las otras dos fases. La aplicación de los relés numéricos multifuncionales requiere que se solapen varias de las protecciones del sistema (barras, transformadores, etc.) con la del alimentador para evitar este problema. En casos extremos se puede poner otro equipo al alimentador, para la redundancia. El autodiagnóstico y la capacidad de comunicación de los relés digitales pueden alertar al usuario de algún problema de mal funcionamiento en el sistema y permitir la solución en una condición antes de que ocurra la falla que es el momento en que debe actuar el relé. b) Protección de respaldo para fallas sobre alimentadores adyacentes o el sistema de transmisión En la Fig. 1.5 se muestran dos situaciones de fallas en que las corrientes circulan hacia el interruptor A.. Cargas Subestación. de. Distribución. Transformador Corriente desde la GD. de Interconexión. Fig. 1.5. Distribución de corriente por A, fallo en F5. Si la GD está pegada a la subestación la corriente tendrá un valor tal que hará operar una protección de sobrecorriente no direccional ubicada en la subestación para una falla en F4 (alimentador de distribución) o en F5 (lado de alto voltaje). Para evitar esta operación incorrecta se necesitan los elementos de sobrecorriente dirección 67 y 67N en el lugar de los elementos no direccionales 50/51 de fase y neutro.. 18.

(32) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. En la Fig. 1.6 se muestran varios de los elementos posibles en una protección numérica de sobrecorriente con entradas de voltaje. Se pueden notar los elementos 67 para prevenir operaciones incorrectas para fallas en alimentadores adyacentes y en la parte de alto voltaje. Se utiliza una entrada de voltaje para polarizar los elementos de sobrecorriente de fase y tierra, para brindar la direccionalidad. La protección de la barra actuará para la falla mostrada en F4.. Barra Corriente de la GD Relé. multifuncional. de. corriente y de voltaje INTERRUPTOR DEL ALIMENTADOR. Dirección de disparo 67. Fig. 1.6. Bloque de protección de un alimentador con GD. c) La GD respaldo para fallas en el sistema de transmisión La mayoría de las empresas usan transformadores de potencia con el lado alto voltaje conectado en delta y el de bajo voltaje en estrella aterrada a través de baja impedancia o sólida. Cuando se adiciona GD a los alimentadores se pueden respaldar fallas en el lado de alto voltaje, por ejemplo F5, de la Fig. 1.5. Después que el interruptor de alto voltaje haya operado para una falla monofásica, la GD puede mantener energizada la línea sin flujo de corriente a la falla debido a la conexión delta, que evita la circulación de corriente de secuencia cero a la falla, se abre la red de secuencia cero. El sistema de alto voltaje puede continuar energizado como un sistema no aterrado de no instalarse la protección correspondiente para que no detecte esta condición.. 19.

(33) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. Por otro lado, tanto para una red en anillo como para la radial, la característica tiempo inverso da retardos de tiempo menores asegurando una selectividad mejor, el beneficio será mejor mientras más unidades GD haya. [4] d) GD de respaldo a un circuito aislado de distribución Una situación que puede ocurrir cuando la GD se conecta al circuito de distribución donde el interruptor de la subestación A dispara para una condición de falla y debido a la mala operación o ajuste incorrecto del relé en el punto de interconexión (PCC Point of Common Coupling), la GD continua alimentando las cargas de la empresa. Esta es una condición de Isla (Isolating). Las islas no son buenas por varias razones, tales como posibilidad de operación riesgosa de los trabajadores en la red cuando la línea continúa energizada, aún cuando el interruptor de la subestación está abierto. La GD suministrará una carga con voltaje de operación y frecuencia fuera de las normas regulatorias. La protección para esta condición está en la interconexión de la GD y no como un paquete de la empresa, o del alimentador, por eso es necesario el disparo transferido. Los elementos 27/59 (bajo y sobrevoltaje), 81 O/U (baja y sobre frecuencia) y razón de cambio de la frecuencia 81R deben estar en la protección multifuncional en el punto de interconexión de la GD. Se debe tener especial cuidado en la razón generación a carga para establecer el arranque de los elementos de voltaje y frecuencia. e) Recierre fuera de sincronismo del breaker del alimentador La mayoría de estos circuitos tiene recierre automático de alta velocidad (20 o 30 ciclos) después que la falla fuera eliminada. La GD debe separarse del circuito por el disparo transferencial o por la protección de respaldo dentro de los primero 20 a 30 ciclos antes que el breaker recierre para prevenir daños al generador que trabaje fuera de sincronismo con la empresa. Estos elementos requieren elementos de bajo voltaje, 27P o 25 VM (Recierre condicional del voltaje), lo cual normalmente no es posible como parte del esquema de protección del alimentador, para bloquear el cierre del breaker del alimentador hasta que la GD haya sido quitada. f) Operación en isla También hay que tener en cuenta que al adicionar la GD, esta puede operar en la denominada isla. Esto trae consigo que disminuyan considerablemente los niveles de cortocircuito por lo que la coordinación entre las protecciones puede perderse la. 20.

(34) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. coordinación, además de la pérdida de sensibilidad de las protecciones, de manera que se incumple con los requerimientos de las protecciones, lo cual se muestra en la Fig. 1.7. [21]. Fig. 1.7. Esquema de ejemplo de coordinación de las protecciones con GD El efecto de la generación distribuida en la coordinación depende del tamaño, tipo y lugar donde esté ubicada la GD usada, ya que existen algunos márgenes en los cuales la coordinación puede mantenerse en ciertas circunstancias. [22] Cuando se instala GD en una red de distribución, normalmente requiere que la empresa eléctrica reajuste sus tiempos de recierre. Por lo general la protección de la GD debe detectar la falla y desconectar a la misma del sistema o red eléctrica dentro del intervalo sin corriente del restaurador o recerrador, dando tiempo a que la falla se limpie. De lo contrario, si no se ha eliminado el arco eléctrico en el momento del recierre la falla se puede convertir en permanente con los consabidos daños para la red y equipos conectados a la misma. Se recomiendan tiempos de recierre de 1 s o más. [23, 24] 1.4. La generación distribuida en otros países. En el contexto internacional el uso de la GD ha sido impulsado por diversos factores. De acuerdo con datos de la CIGRE de 1999, en diversos países del mundo se ha incrementado el porcentaje de la potencia instalada de GD, en relación con la capacidad total instalada. Así, en países como Dinamarca y Holanda, alcanza valores de hasta el. 21.

(35) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. 37%, y en otros, como Australia, Bélgica, Polonia, España y Alemania, tan solo del 15% y en el caso de Estados Unidos, del 5%. En lo relativo al potencial en GD en el mundo, se cuenta con la siguiente información: . Se estima que en los próximos 10 años el mercado mundial para la GD será. del orden de 4 a 5 mil millones de dólares. . Estudios del Electrical Power Research Institute y del Natural Gas Foundation. prevén que, de la nueva capacidad de generación eléctrica que se instalará al año 2010 en Estados Unidos, del 25% al 30% será con GD. . Con base en estimaciones de la Agencia Internacional de Energía, los países. desarrollados serán responsables del 50% del crecimiento de la demanda de energía eléctrica mundial en los próximos 20 años, equivalente a 7 millones de MW, donde el 15% de esta demanda le corresponderá a GD. [10] 1.5. Generación Distribuida en Cuba. La GD llega a Cuba de forma rápida ya que el país en el 2004 se encontraba en medio de un gran déficit energético debido a que las plantas que se encontraban trabajando no daban a vasto para suplir la demanda dado por el deterioro natural de los años, por lo que se recurrió a la vía rápida para responder a esta crisis, la cual fue la instalación de generadores Diesel los cuales tienen la ventaja de tener un rápido montaje y aprovechando sus ventajas ya que nuestro país es azotado con frecuencia con fenómenos atmosféricos de gran envergadura. Esta se lleva a cabo mediante la instalación de las denominadas baterías, que no son más que ocho generadores interconectados sincronizados al Sistema Electroenergético Nacional, ubicados en las subestaciones de 110-34,5 kV y en algunas de 34,5-13,8 kV. Además también se han instalado bloques aislados también sincronizados de dos generadores. En estos momentos se encuentran ya trabajando las varias unidades de Fuel, por ejemplo en Sancti Spíritus, Cruces, Santa Clara, Calabazar, Sagua etc., etapa que se viene desarrollando a lo largo de todo el país. En menor medida se cuenta ya con parques eólicos, Gibara, e Isla de la Juventud, lo cual es un modo de generación que esta comenzando.. 22.

(36) CAPÍTULO 1. Impacto de la Generación Distribuida en Las Protecciones Eléctricas. Las nuevas formas de generación adoptadas como estrategias por el Estado Cubano significan un conjunto ventajas ya que se deja de tener un sistema de generación centralizada, con equipos antiguos y altamente ineficientes. Pero 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.. 23.

(37) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kv Y Calabazar 110kV.. Introducción Antes de hacer cualquier corrida en el programa PSX,. [36]. el cual se utilizó para hacer los. cálculos de los cortocircuitos en este estudio de las protecciones, se hizo necesario e inevitable modelar y actualizar las dos subestaciones en cuestión. En este capítulo se describen los pasos seguidos para dicha modelación y actualización de ambas subestaciones Sagua 110 kV y Calabazar 110 kV. 2.1. Modelación y actualización 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. Se alimenta desde la Subestación Santa Clara 220 kV mediante dos líneas radiales, los interruptores 8330 y 8430, con derivación a la Subestación Calabazar 110 kV; brinda es responsable del suministro de energía eléctrica a aproximadamente 30 000 de ellos el 95.07% son residenciales y el 4.92% estatales. Registra actualmente una demanda máxima de 14,04 MVA en horario de la madrugada, 25,28 MVA por el día, siendo su pico máximo de 33,14 MVA. Actualmente cuenta con GD, 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. 24.

(38) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. Plantas con cuatro máquinas por transformadores sumando un total de 20 MVA. Generan a un nivel de voltaje de 4,16 kV. Por 110 kV, la subestación se caracteriza por un esquema de barra auxiliar y barra principal seccionalizada (Fig. 2.1), se conecta mediante desconectivos a dos transformadores de origen ruso, T-1 y T-2 ambos de 25 MVA, 115 / 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 1 o primaria (BUS 1) seccionalizada por medio del interruptor 1460, que tiene conectados los alimentadores 1205, 1210, 1220 (el desvío), y el 1215 que se pueden apreciar en la Fig. 2.1, e interruptor 1225 que no está en la figura señalada. 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 1225, CloroSosa. Actualmente el interruptor 1205 se encuentra Normalmente Abierto (NA), luego la alimentación de su circuito se garantiza por el interruptor de desvío 1220, (Fig. 2.1). La subestación cuenta con una casa de control donde se encuentran sus equipos auxiliares: paneles de medición y control, paneles de protecciones eléctricas, automática y señalización, sistemas de corriente directa y alterna así como los equipos de comunicación.. 25.

(39) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. Figura 2.1 El esquema actual de la subestación Sagua 110 kV. El esquema mostrado fue modelado en el Power System Xplorer se conectó por 110 kV una máquina equivalente la cual constó de dos regímenes de trabajo denominados régimen de mínima generación y régimen de máxima generación. Se le puso el nombre SAGUAEQUIV y se utilizaron los niveles de MVAcc trifásico (3Ø) y monofásico (1Ø) obtenidos de la red nacional para los regímenes de máxima como de mínima cuyos valores aparecen en la Tabla 2.1.. 26.

(40) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. MVA. Régimen. MVA. Ø. Máximo. 687. 597. Mínimo. 518. 511. Ø. Tabla 2.1 Valores de MVAcc de la máquina equivalente Sagua 110 kV Con estos valores, por medio de la ecuación (2.1), se obtuvieron las reactancias de secuencia cero (Xo) de la máquina equivalente en mínimo y máximo.. = 3. Ø Ø. −2. (2.1). Se tomó el criterio que la impedancia de secuencia positiva igual a la negativa, e igual a 1 p.u. Para estos cálculos no se consideraron las condiciones de prefalla, es decir, Vpf igual a 1p.u. 2.1.1. Condiciones de Operación. Sagua 110 kV trabaja en función de siete condiciones de operación. La condición normal de operación y los denominados seis lazos de emergencia. Estas siete condiciones de operación fueron modeladas en el PSX. 2.1.1.1 Condición Normal de Operación. En condiciones normales de operación los cuatro alimentadores de Sagua 110 kV 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 posee un alimentador que brinda servicio exclusivo a la Fábrica CloroSosa, siendo este su principal cliente. Además, en tiempos de zafra azucarera posee tres industrias de este tipo, siendo dos de ellas sincronizadas al Sistema Eléctrico Nacional (SEN), el CAI Panchito Gómez Toro con 6,5 MW, es decir 2 turbogeneradores, uno de 4 MW y uno de 2,5 MW y el CAI Quintín Banderas con 7,5 MW, 3 turbogeneradores, uno de 4 MW, uno de 2 MW y uno de 2,5 MW. El transformador T-1 brinda servicio al municipio Sagua teniendo entre sus principales clientes: Fundición 9 de Abril, Electroquímica y Fábrica de Bujías, y en tiempos de zafra, un Central Azucarero sincronizado al SEN, el CAI Héctor Rodríguez 8 MW, 2 turbogeneradores de 4 MW.. 27.

(41) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. En condiciones normales de operación, los alimentadores de 34,5 kV asociados a subestación Sagua 110 kV presentan las siguientes configuraciones (Fig. 2.2):. Fig. 2.2. Esquema ampliado de operación de la provincia Villa Clara.  Alimentador 1210: Alimentado por T-1 y limitado por los desconectivos 178 y 1135 (Rancho Veloz), brinda servicio a 11614 clientes, de ellos 802 del municipio Sagua, 6508 clientes del municipio Quemado de Güines y 4304 clientes del municipio Corralillo, siendo los principales clientes los Centrales Azucareros Quintín Banderas y Panchito Gómez Toro (Fig. 2.3).. 28.

(42) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. Figura 2.3 Condiciones normales de operación del 1210 En esta configuración del sistema se corrió el PSX para cuatro escenarios distintos. 1. SISTEMA por 110 kV para el cual se obtuvo la máquina equivalente representando al sistema por 110 kV.. 2. Este segundo escenario tuvo en cuenta al Sistema y a la GENERACIÓN DISTRIBUIDA (GD). Las doce máquinas de Fuel de Sagua representan la GD.. 3. SISTEMA, GD más los CENTRALES azucareros sincronizadas al SEN. La red en cuestión involucra tres centrales Panchito Gómez Toro, Quintín Banderas (los dos en la línea del 1210) y Héctor Rodríguez (por el 1215).. 4. El último caso que se estudió fue la condición de ISLA. Para esta condición se desconecta la máquina equivalente y se hacen los estudios de cortocircuito en base a la GD que incluye a los centrales azucareros..  Alimentador 1225: Alimentado por T-1, brinda servicio a la Fábrica de Hielo y CloroSosa, siendo este último el principal cliente.  Alimentador 1205 (1220): Alimentado por T-2 y limitado por el 1302, brinda servicio al municipio de Sagua siendo 16723 clientes, entre ellos los principales Electroquímica, Fabrica de Bujías, Fábrica de Calderas y Fundición 9 de Abril.  Alimentador 1215: Alimentado por T-2 y limitado por el 1302 y 159 (Cifuentes), brinda servicio a 1516 clientes, de ellos 349 clientes del municipio Sagua, 1167 clientes del municipio Cifuentes, siendo sus principales clientes CAI Héctor Rodríguez y Taller de Tolvas en Sitiecito. En la Tabla 2.2 se dan los datos de la carga de estos alimentadores, obtenida de mediciones cuya fuente de información fue suministrada por especialistas del Despacho Provincial de Carga.. 29.

(43) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. Madrugada. Día. Pico. P(MW). Q(MVAr). P(MW). Q(MVAr). P(MW). Q(MVAr). 12.5. 6.4. 22.5. 11.52. 29.5. 15.104. 1205. 4.0. 2.048. 8.5. 4.352. 12.5. 6.4. 1210. 3.5. 1.792. 7.5. 3.84. 10.5. 5.376. 1215. 0.5. 0.256. 1.5. 0.768. 2.0. 1.024. 1225. 4.5. 2.304. 5.0. 2.56. 4.5. 2.304. Línea. Tabla 2.2 Datos de la carga promedio en MW y MVAr. 2.1.1.2 Condiciones de Emergencia La subestación estudiada en condiciones de emergencia posibilita bajo determinadas circunstancias la extensión del alcance original de sus alimentadores. Actualmente cuenta con siete configuraciones de emergencia que a continuación se describen. 2.1.1.2.1. Configuración de Emergencia 1. En este esquema se alimenta por el 1210 hasta Quemado de Güines con el 828 (en Quemado de Güines) abierto. El interruptor 178 se queda abierto en este caso, Fig. 2.4. Para este lazo se hicieron los estudios de cortocircuito para los casos de SISTEMA, SISTEMA más GD, SISTEMA más GD más CENTRALES y también el de ISLA al igual que el caso de condiciones normales de operación. Con relación a los centrales en este lazo, solo se tomó en cuenta el de Héctor Rodríguez puesto que el lazo llega hasta el 828 y el de Quintín y de Panchito se quedan fuera del lazo.. 30.

(44) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. Figura 2.4 Configuración de emergencia 1 Todas las otras líneas de alimentación se mantienen en su estado de condiciones normales de operación. 2.1.1.2.2. Configuración de Emergencia 2. En este caso se alimenta por el 1210 hasta el 1715 abierto en Santo Domingo con el 828 abierto y el 178 cerrado. Fig. 2.5. Se hicieron los cuatro (4) estudios en estas condiciones de emergencia. Se tuvieron en cuenta los GE Aislados de Santo Domingo de 3 MW junto a las máquinas de Fuel de Sagua. Solamente se tomó en cuenta el central de Héctor Rodríguez puesto que el lazo llega hasta el 828.. 31.

(45) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. Figura 2.5 Configuración de emergencia 2 2.1.1.2.3. Configuración de Emergencia 3. Consiste en alimentar a Cascajal con el esquema anterior cerrando el 1715. En este caso se alimenta con el 1210 las líneas del 1715 y 1720 de Santo Domingo 110 kV, sin alimentación por 110 en dicha subestación, Fig. 2.6. Se dejan los grupos de Santo Domingo de 3,6 y 1,8 MW (3 máquinas MTU, una de 2,36, y dos de 1,16).. 32.

(46) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. Figura 2.6 Configuración de emergencia 3 2.1.1.2.4. Configuración de Emergencia 4. Se alimenta la línea del 1210 cerrando el 1135 y abriendo el 4608 al final dicha línea Fig. 2.7. El interruptor 1135 se encuentra normalmente abierto y el 4608 cerrado en condiciones normales de operación.. Figura 2.7 Configuración de emergencia 4. 33.

(47) CAPÍTULO 2. Modelación Y Actualización De Las Subestaciones Sagua 110kV Y Calabazar 110kV.. Los cuatro (4) estudios mencionados en los otros lazos fueron realizados aquí también más en esta ocasión los tres CENTRALES ya que la línea del 1210 está abierta hasta el 4608. 2.1.1.2.5. Configuración de emergencia 5. Se alimenta a través del interruptor 1210 llegando hasta Rancho Veloz con el 178 abierto, Fig. 2.8. Fig. 2.8 Configuración de emergencia 5 2.1.1.2.6. Configuración de emergencia 6. En este esquema con alimentación por 110 kV en Sagua se alimenta por el 1215 hasta el 1965 (abierto), con el 159 cerrado y el 1302 abierto. El 1965 es el interruptor de esa línea que sale de Calabazar 110kV y el 159 el enlace en Cifuentes, Fig. 2.9.. Figura 2.9 Configuración de emergencia 6. 34.