ESTUDIO DE COORDINACIÓN PARA LA PROTECCIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN TIPO PEDESTAL DE 100kVA y 300kVA 3F, UBICADO EN EL ALIMENTADOR 5006 -JULIACA PARA LA OBRA: “MEJORAMIENTO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN PRIMARÍAS Y SECUNDARIAS EN LA CIUDAD DE PUNO Y JULIACA, EN CUMPLIMIENTO A LA NTCSE” PROPIETARIO ELECTRO PUNO S.A.A. CONTRATISTA CONSORCIO AURA UBICACIÓN JULIACA – SAN ROMAN - PUNO AGOSTO DEL 2019 ÍNDICE I. DESCRIPCIÓN DE LOS ALIMENTADORES 5004 - 5006 .....................................................................3 1.1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 3 1.2. OBJETIVO ....................................................................................................................... 3 1.3. UBICACIÓN GEOGRÁFICA ................................................................................................ 4 1.4. ALCANCE DEL ESTUDIO .................................................................................................. 4 1.5. INFORMACIÓN DE REFERENCIA Y HERRAMIENTA UTILIZADA .......................................... 4 1.6. NORMAS EMPLEADAS .................................................................................................... 4 1.7. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL SISTEMA .............................................................. 5 II. DEMANDA.........................................................................................................................................6 III. FLUJO DE POTENCIA ........................................................................................................................7 3.1. DATOS TÉCNICOS DE LOS TRANSFORMADORES SECOS DE DISTRIBUCIÓN ................... 7 3.2. RESULTADOS DEL FLUJO DE POTENCIA ......................................................................... 8 IV. CORTO CIRCUITO .............................................................................................................................9 4.1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 9 4.2. TIPOS DE FALLAS ........................................................................................................... 9 4.3. RESULTADOS DE CORTO CIRCUITO .............................................................................. 10 V. COORDINACIÓN DE LAS PROTECCIONES........................................................................................11 5.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 11 5.2. EQUIPOS DE PROTECCIÓN ............................................................................................ 11 5.2.1. Fusibles tipo expulsión ............................................................................................... 11 5.2.2. Relé Orion IPR-D ....................................................................................................... 13 5.3. CÁLCULO DE AJUSTES ................................................................................................. 15 5.3.1. Ajuste de Relés en las subestaciones de distribución.................................................. 15 5.3.2. Selección de fusible para el alimentador ..................................................................... 16 5.4. VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................................... 19 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................20 2 I. DESCRIPCIÓN DE LOS ALIMENTADORES 5004 - 5006 1.1. INTRODUCCIÓN Según el estudio definitivo del proyecto “MEJORAMIENTO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN PRIMARÍAS Y SECUNDARIAS EN LA CIUDAD DE PUNO Y JULIACA, EN CUMPLIMIENTO A LA NTCSE”, se realizó debido a que las subestaciones de distribución existentes se encuentran saturadas por el crecimiento de la demanda, en algunos casos con suministros individuales y en otras con un solo suministro para atender cargas especiales, razón por la cual ELECTRO PUNO S.A.A. realiza el concurso de méritos para la elaboración del Estudio Definitivo denominado “MEJORAMIENTO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN PRIMARIAS Y SECUNDARIAS EN LA CIUDAD DE PUNO Y JULIACA, EN CUMPLIMIENTO A LA NTCSE“ a nivel de ejecución para la normalización y formalización de clientes mediante la implementación de redes de distribución primaria y reforzamiento de redes secundarias en la ciudad de Puno y Juliaca a fin de orientar y viabilizar un proyecto integral que garantice la calidad de servicio y la seguridad de sus instalaciones eléctricas, en cumplimiento de las NTCSE. Anteriormente se ha presentado el estudio de flujo de potencia y coordinación de protección de los alimentadores 5004 y 5006 indicando los lugares donde se instalará los Reclosers, además de eso la Obra consta de la instalación de dos Transformadores Trifásicos secos encapsulados en resina epóxica juntamente con sus celdas y tableros de distribución tipo pedestal. Los transformadores secos se protegerán con relés de protección con las funciones de 50 y 51, es por ellos que requiere un estudio de coordinación de protección de forma que actúen de manera selectiva, para lo cual se proporcionaron datos como se menciona a continuación: Cuadro de demanda de los dos trasformadores, esta se tomó del proyecto. Especificaciones técnicas de la celda de llegada de 24kV 630A 20KA MODELO "TMBKP+(2) TM-KP". Especificaciones técnicas de los Transformadores Trifásicos secos encapsulados en resina epóxica. Catálogo del Relé de protección IPR-D marca Orión. Para el cálculo de las corrientes de cortocircuito y caídas de tensión se ha conectado al DU realizado en el DIgSILENT. 1.2. OBJETIVO El presente tiene como objetivo realizar el “ESTUDIO DE COORDINACIÓN PARA LA PROTECCIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN TIPO PEDESTAL DE 100kVA y 300kVA 3F, UBICADO EN EL ALIMENTADOR 5006 -JULIACA” de esta manera determinar los ajustes adecuados de los dispositivos de protección instalados, los cuales deben garantizar los criterios básicos de la ingeniería de protecciones (selectividad, sensibilidad, rapidez, fiabilidad y seguridad). 3 1.3. UBICACIÓN GEOGRÁFICA Las localidades comprendidas en el presente estudio se encuentran ubicados dentro del área de concesión de ELECTRO PUNO S.A.A. específicamente de acuerdo al siguiente detalle: Distrito : Puno Provincia : San Roman Departamento : Juliaca Coordenadas UTM : X= 0378434, Y= 8286291 1.4. ALCANCE DEL ESTUDIO El presente estudio de flujo de potencia y coordinación de protección comprende el siguiente alcance: Determinación de las corrientes de cortocircuito bifásico y trifásico para la protección de transformadores. Calculo del dimensionamiento del fusible tipo expulsión del alimentador de transformadores. Determinación del ajuste del relé de sobrecorriente en las Celdas de llegada de cada Transformador. Recomendaciones y conclusiones. 1.5. INFORMACIÓN DE REFERENCIA Y HERRAMIENTA UTILIZADA Para el desarrollo del presente estudio se tomaron como referencia la siguiente información técnica: Norma IEEE Std. 242-1986, IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems (IEEE Buff Book). Criterios de ajustes y coordinación de los sistemas de protección del SEIN (COES- marzo 2008). La herramienta usada para el desarrollo del presente Estudio de Flujo de Potencia y Coordinación de Protección de los alimentadores, se utilizó el software DIgSILENT – Power Factory V15.1.7. 1.6. NORMAS EMPLEADAS El estudio presentado ha sido desarrollado en base a las siguientes normas IEEE Std. 242-2001™ Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems. IEEE C37.48.1 Guide for the Operation, Classification, Application, and Coordination of Current-Limiting Fuses with Rated Voltages 1 – 38kV IEEE C37.112 Standard Inverse-Time Characteristic Equations for overcurrent Relays. IEC 60282-1 High-Voltage Fuses - Part 1: Current-Limiting Fuses. IEC 60787 Application Guide for the Selection of Fuse-Links of HighVoltage Fuses for Transformer Circuit Applications. 4 1.7. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL SISTEMA El estudio de coordinación de protecciones se desarrolló para el nivel de tensión primaria de 10 kV sistema trifásico delta. En el estudio definitivo el conductor del alimentador es Cu N2XSY -70mm2. Los transformadores se instalarán en el alimentador 5006. Las principales características del sistema son las siguientes: Tensión nominal del sistema : 10.0 kV Configuración : Trifásico Tensión máxima de servicio : 10.5 kV Frecuencia nominal : 60 Hz Factor de Potencia : Variable Conexión del sistema : Delta. Potencia de cortocircuito : 577.5MVA (Barra de 138kV). Altitud : 3825 m.s.n.m Temperatura Mínima : -15 °C Temperatura Media : 10 °C Temperatura Máxima : 20 °C 5 II. DEMANDA La demanda se ha tomado del estudio definitivo (Proyecto), para el transformador de 300kVA se muestra en la siguiente tabla: Tabla 1: Cuadro de máxima demanda para el Transformador 100kVA CUADRO DE CARGAS S.E. N° CIRCUITO C-1 C-2 C-3 06 CIRCUITO C-1 C-2 C-3 SERVICIO PARTICULAR CARGAS POTENCIA N° LOTES ESPECIALES S.P. Y C.E (kW) (kW) 119 9.00 55.65 91 12.00 49.13 111 18.00 61.51 ALUMBRADO PUBLICO N° LAMPARAS N° LAMPARAS POTENCIA (70W) 23 19 47 (150W) 0 0 0 SECTORES DOMESTICO CARGAS ESPECIALES Acometidas 3Ø (kW) CORRIENTE (A) 162.71 143.65 179.86 CORRIENTE (A) 1.88 1.55 3.84 ALUMBRADO PUBLICO (70W) 0.08 SUB TOTAL PERDIDAS EN DISTRIBUCION (3%) SUB TOTAL (kW) SOBRE CARGA (25%) TOTAL (KW) POTENCIA TOTAL (COS$=0,9) KVA POTENCIA DE DISEÑO KVA 223.45 300 8.53 7.05 17.43 CARGAS A ALIMENTAR S.E. N° 06 M.D. CANTIDAD (kW) 0.80 321 3.00 POTENCIA TOTAL (kW) VARIABLE TOTAL (kW) 127.29 13 1.00 39.00 89 1.00 7.26 173.55 5.21 178.76 44.69 223.45 248.27 F.S. Del otro transformador no se tiene en el proyecto, por lo que se supondrá en base al cuadro de demanda mostrada en la tabla 1. 6 III. FLUJO DE POTENCIA El objetivo principal del flujo de potencia es evaluar el funcionamiento de los sistemas existentes y proyectados para su control y planificación para expansiones futuras, en el cual se define principalmente las potencias activa y reactiva y los perfiles de tensión, con el cual se definen los calibres de los conductores a utilizar, los equipos de protección y maniobra apropiados para mejorar la confiabilidad del suministro eléctrico, garantizar la oferta disponible y determinar el incremento de pérdidas producido por la integración del proyecto al sistema eléctrico existente. El punto de partida son las barras de salida del Alimentador que se encuentran dentro de la Subestación de Potencia de Juliaca, para lo cual se ha tomado en cuenta el equivalente Thévenin en la barra de 138kV, cuya información se calculó del SEIN 2018. El estudio de flujo de potencia nos proporciona información sobre: Corriente del Sistema (I) Voltaje en las barras (V) Potencia Activa (P) Potencia Reactiva (Q) Factor de potencia (Fp) 3.1. DATOS TÉCNICOS DE LOS TRANSFORMADORES SECOS DE DISTRIBUCIÓN TRANSFORMADOR TRIFÁSICO ENCAPSULADO DE 100 KVA POTENCIA DE TENSIÓN : 100KVA TENSIÓN PRIMARIA : 10.0 kV TENSIÓN SECUNDARIA : 0.22 kV GRUPO DE CONEXIÓN : Dd0 FRECUENCIA : 60 HZ ENFRIAMIENTO : AIRE NATURAL NIVEL DE AIS. PRIMARIO : 12/ 28/ 75 KV NIVEL DE AIS. SECUNDARIO :1,1/3/-- kV BIL. EXT : 170 kV ALTURA DE OPERACIÓN : 4500 msnm TIPO DE AISLAMIENTO : CLASE F TIPO DE MONTAJE : SERVICIO INTERIOR SISTEMA DE DISIPACIÓN DE CALOR: SNAN REGULACIÓN EN A.T. : +- 2 X 2,5% Nº BORNES PRIMARIO :3 Nº BORNES SECUNDARIO :4 7 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO ENCAPSULADO DE 300 KVA POTENCIA DE TENSIÓN : 300KVA TENSIÓN PRIMARIA : 10.0 kV TENSIÓN SECUNDARIA : 0.38-0.22 kV GRUPO DE CONEXIÓN : Dyn5 FRECUENCIA : 60 HZ ENFRIAMIENTO : AIRE NATURAL NIVEL DE AIS. PRIMARIO : 12/ 28/ 75 KV NIVEL DE AIS. SECUNDARIO : 1,1/3/-- kV BIL. EXT : 170 kV ALTURA DE OPERACIÓN : 4500 msnm TIPO DE AISLAMIENTO : CLASE F TIPO DE MONTAJE : SERVICIO INTERIOR SISTEMA DE DISIPACIÓN DE CALOR: SNAN REGULACIÓN EN A.T. : +- 2 X 2,5% Nº BORNES PRIMARIO :3 Nº BORNES SECUNDARIO :4 3.2. RESULTADOS DEL FLUJO DE POTENCIA El escenario de análisis es en máxima demanda en donde en el punto de alimentación se presenta una caída de tensión del 8%, las recomendaciones se dieron en el informe anterior. Figura 1: Flujo de potencia en maxima demanda 8 IV. CORTO CIRCUITO 4.1. INTRODUCCIÓN En el análisis de corto circuito, las fallas del sistema se manifiestan como condiciones anormales de operación que nos podrían conducir a uno de los siguientes fenómenos: Indeseables flujos de Corrientes. Presencia de Corrientes de magnitudes exageradas que podrían dañar los equipos. Caída de Voltaje en la vecindad de la falla que puede afectar adversamente la operación de las maquinas rotatorias. Creación de condiciones peligrosas para la seguridad del personal. 4.2. TIPOS DE FALLAS Falla trifásica Modelo de falla trifásica Falla monofásica a tierra Modelo de falla de línea a tierra 9 4.3. RESULTADOS DE CORTO CIRCUITO Para el cálculo de las corrientes de cortocircuito se usó el método completo. Figura 2: Falla trifásica Corriente de cortocircuito en el primario del transformador de 300kVA 𝐼𝐶𝐶 = 404.28𝐴. Corriente de cortocircuito en el primario del transformador de 100kVA 𝐼𝐶𝐶 = 201.67𝐴. Figura 3: Falla bifásica Corriente de cortocircuito en el primario del transformador de 300kVA 𝐼𝐶𝐶 = 352.49𝐴. Corriente de cortocircuito en el primario del transformador de 100kVA 𝐼𝐶𝐶 = 174.37𝐴. Estas corrientes de cortocircuito se han usado para determinar los ajustes de los relés 10 V. COORDINACIÓN DE LAS PROTECCIONES 5.1. INTRODUCCIÓN Los resultados de flujo de carga y Corto Circuito mostrados en las secciones anteriores, es la base para el ajuste y coordinación de las Protecciones del Sistema de Distribución. 5.2. EQUIPOS DE PROTECCIÓN 5.2.1. Fusibles tipo expulsión El fusible es el medio más sencillo de interrupción automática de corriente en caso de cortocircuitos o sobrecargas. En alta tensión, se encuentran hasta de 400 Amperes y de 10 a 138 kV, con potencias de 0.1 a 20 MVA. En general, un fusible está constituido por un elemento sensible a la corriente (en adelante, elemento fusible) y un mecanismo de soporte de éste. El elemento fusible se funde cuando circula por él, una corriente peligrosa durante un tiempo determinado. El mecanismo de soporte establece rápidamente una distancia eléctrica prudente a fin de minimizar el tiempo que dura el arco. La curva característica de un fusible se puede separar en las siguientes partes, tal como se muestra en la Figura 4 a. Curva de tiempo mínimo de fusión: Relaciona la corriente con el tiempo mínimo al cual el fusible se funde. b. Curva de tiempo máximo de fusión o de aclaramiento: Se obtiene adicionando un margen de tolerancia (en corriente) a la curva a. c. Curva de tiempo total para la extinción del arco: Se obtiene adicionando a la curva b, el tiempo necesario para la completa extinción del arco. d. Curva tiempo-corriente de corta duración: Relaciona la corriente y el tiempo máximo permisible para que el fusible no quede debilitado en caso de sobrecargas de corta duración. Se obtiene estableciendo un margen debajo de la curva a. Figura 4: Características de operación de fusibles 11 Figura 5: Curvas tiempo corriente de los fusibles tipo K 12 5.2.2. Relé Orion IPR-D Gracias a la medición de las corrientes de tierra mediante transformador de corriente (TC), relé de protección de corriente IPR-D. Puede realizar funciones de protección según las normas ANSI, IAC o IEC. Gracias también a las indicaciones en las entradas digitales que el dispositivo puede informar, por ejemplo, sobre el estado del disyuntor o seccionador al que se encuentra acoplado, operar en las salidas y deshabilitar algunas funciones. Aplicaciones Protección primaria o secundaria para sistemas de generación y distribución. Protección de transformadores, líneas aéreas, cables, motores y generadores. Funcionalidades y protecciones del Relé Selección de la corriente pickup Para una adecuada protección, de modo que el Recloser tenga la sensibilidad para detectar todos los posibles corrientes de cortocircuito, su ajuste debe satisfacer la siguiente ecuación (KINDERMANN G. , 2005). ([email protected]) ∗ 𝐼𝐷𝑒𝑚_𝑀𝑎𝑥 𝐼𝐶𝐶 𝑀𝑖𝑛.𝑎𝑙 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑃𝑟𝑜𝑡𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 ≤ 𝐼𝑃𝐼𝐶𝐾𝑈𝑃 ≤ 𝑅𝑇𝐶 1.1 ∙ 𝑅𝑇𝐶 13 Curva de sobre corriente Las curvas de tiempo extremadamente inverso son adecuadas para aplicaciones tales como alimentadores de sistemas de distribución de las empresas eléctricas, donde se tenga una temporización suficiente para permitir la Re energización del circuito sin que haya disparos innecesarios en el periodo inicial de avalancha (picos de corriente generados por motores eléctricos) y al mismo tiempo coordine bien con los fusibles de alto poder de ruptura. El tiempo de operación y la sobrecorriente del Relé Orion están relacionados por una ecuación que define la curva de operación característica del relé según la Norma IEC (ORION ITALIA, 2006): Tabla 2: Parámetros para la ecuación de tiempo corriente 14 5.3. CÁLCULO DE AJUSTES 5.3.1. Ajuste de Relés en las subestaciones de distribución TRANSFORMADOR TRIFÁSICO ENCAPSULADO DE 100 KVA TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN (Trifasico) POTENCIA DEL TRANFORMADOR (S) TENSIÓN DE LINEA (V) 100 kVA 10 kV In = S/(Raiz(3)*V) 5.77 A Cálculo de la corriente Nominal en el Lado Primario Ix = 1.2*In 6.93 A Corriente de Sobrecarga Iinrush = 12*In 69.28 A Icc Corriente de Inrush (Inicial) 174.37 A Corriente de Corto circuito Este valor se ha calculado con el programa DIgSILENT en la sección 4.3. Corriente de cortocircuito mínima 𝐼𝐶𝐶𝑚𝑖𝑛 = 174.37𝐴 Corriente de cortocircuito máxima 𝐼𝐶𝐶𝑚𝑎𝑥 = 3429𝐴 Transformador de corriente 𝑇𝐶 = 𝑀𝑎𝑦𝑜𝑟 {6.93A; 3429𝐴 20 } = 171.45 ⇒ Entonces se recomienda un transformador de TC=200/5 Corriente de ajuste del Relé 𝐼𝐴𝑗𝑢𝑠𝑡𝑒 = 6.93 ≈ 0.18𝐴 200/5 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO ENCAPSULADO DE 300 KVA TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN (Trifasico) POTENCIA DEL TRANFORMADOR (S) TENSIÓN DE LINEA (V) 300 kVA 10 kV In = S/(Raiz(3)*V) 17.32 A Cálculo de la corriente Nominal en el Lado Primario Ix = 1.2*In 20.78 A Corriente de Sobrecarga Iinrush = 12*In Icc 207.85 A Corriente de Inrush (Inicial) 352.49 A Corriente de Corto circuito Este valor se ha calculado con el programa DIgSILENT en la sección 4.3. Corriente de cortocircuito mínima 𝐼𝐶𝐶𝑚𝑖𝑛 = 352.49𝐴 Corriente de cortocircuito máxima 𝐼𝐶𝐶𝑚𝑎𝑥 = 3429𝐴 15 Transformador de corriente 𝑇𝐶 = 𝑀𝑎𝑦𝑜𝑟 {20.78A; 3429𝐴 20 } = 171.45 ⇒ Entonces se recomienda un transformador de TC=200/5 Corriente de ajuste del Relé 𝐼𝐴𝑗𝑢𝑠𝑡𝑒 = 20.78 ≈ 0.52𝐴 200/5 5.3.2. Selección de fusible para el alimentador Este fusible 20K del alimentador es una selección previa por el momento sin embargo el fusible final se determinará con el ajuste de protección del relé instalado en las celdas. 16 Figura 6: Diagrama de selectividad de Relés y el Fusible 50K (Con curvas extremadamente inversas) Figura 7: Diagrama de selectividad de Relés y el Fusible 30K (No coordina) 17 Figura 8: Diagrama de selectividad de Relés y el Fusible 50K (Si coordina) Tabla 3: Planilla de Ajuste de cada uno de los Relés de las celdas Modelo R elé UBICACIÓN kV TC I> CURVA t> Rele Orion Celda 100kVA 10 200/5 0.18 ANSI/IEEE extremly inverse Rele Orion Celda 300kVA 10 200/5 0.52 ANSI/IEEE 0.23 extremly inverse 0.4 I>> t>> 3 0.01 8.5 0.01 OBSERVACIONES Se debe tener cuidado en el dial ya que el Relé Orion calcula así M=10*TD, el TD es el que se muestra en el diagrama de coordinación. Se debe tener cuidado en el dial ya que el Relé Orion calcula así M=10*TD, el TD es el que se muestra en el diagrama de coordinación. 18 5.4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En la sección 5.3.2. se presenta una selección previa del fusible del alimentador, sin embargo, este fusible debe coordinar con el Relé y las curvas de los transformadores. En la figura 6 se muestra el diagrama de selectividad con curvas extremadamente inversas y el fusible de 50K, esta propuesta es la mejor que se adecua con las curvas de sus transformadores. En la figura 8 se presenta el diagrama de coordinación según las sugerencias hechas por parte de la empresa concesionaria Electro Puno S.A.A. (Carta N˚ 352-2019-ELPU/GT). En la Tabla se presenta la planilla de ajustes de los Relés de la figura 8. La curva de tiempo definido se recomienda ajustar a lo más mínimo posible. El transformador de corriente recomendado es 200/5 para ambas celdas. Las líneas discontinuas de la figura 8 representan las curvas de daño térmico y curvas de Inrush con carga fría. En condiciones de máxima demanda en el punto de alimentación la caída de tensión es 8%, se debe preveer este caso por parte de la Empresa concesionaria Electro Puno. Para fallas a tierra se puede activar la función de sobretensión homopolar, ya que es un sistema delta. 19 VI. BIBLIOGRAFÍA Arce Lazo, E. S. (2010). Estudio de coordinación de protecciones en alta y media tensión en la subestación “machala” propiedad de la corporación nacional de electricidad s.a. - regional el oro. Ecuador. Balbás García, F. (2017). Sistemas de energía eléctrica en alta tensión. Santander: Cantabria. CHILET, C. (s.f.). Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia. Lima. Galeas Arana, R. (2010). Líneas de Transmisión Eléctrica. Lima: Megabyte. GERS O., J. M. (1993). Aplicación de Protecciones Eléctricas a Sistemas de Potencia. Colombia: Universidad del Valle. Gonen, T. (2008). 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