Empresa Termoeléctrica Cienfuegos “Carlos Manuel De Céspedes” U.E.B. Mantenimiento Título: Coordinación de protecciones de sobrecorriente en CMC4. Autores: Ing. Dariel Jiménez Espín 90 % Ing. Jose M. Brenllas Alejo 5 % Ing. Juan Carlos León Gómez 5 % Abril 2021 RESUMEN RESUMEN El correcto funcionamiento de las protecciones eléctricas, es decir, que cuenten con un alto grado de fiabilidad, seguridad y selectividad, juega un papel fundamental para lograr que un sistema de suministro sea confiable y de calidad. A lo largo de los años las unidades de generación presentes en la CTE CMC han sufrido importantes cambios en su esquema de suministro eléctrico, lo que hacía necesario un estudio de corto circuito y coordinación de protecciones para detectar, de forma oportuna, posibles fallas de selectividad en el sistema de protecciones eléctricas. Tras evaluar cortocircuitos en barras, alimentadores y motores de 6 kV en CMC 4, se llegó a la conclusión, que el sistema de protecciones no era selectivo, dado que fallas en motores provocaban disparos indeseados en alimentadores de barras, lo que podría provocar el disparo de la unidad de generación. A partir de ahí, se proponen y aplican modificaciones en los ajustes del sistema de protecciones de 6 kV, todos con el objetivo de lograr un sistema selectivo, fiable y seguro, que garantice confiabilidad y calidad del suministro eléctrico. Este trabajo se considera una racionalización, dado que es una solución útil a un problema técnico de la entidad y su aplicación aporta un beneficio técnico económico. Palabras Clave: protecciones eléctricas, selectividad, fiabilidad, seguridad ÍNDICE INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 1 Central Termoeléctrica Carlos Manuel de Céspedes ............................................................ 3 1.1 Esquema de suministro. Filosofía de operación ................................................................ 3 1.2 Protecciones Eléctricas en media tensión CMC 4 .............................................................. 6 Estudio de niveles de cortocircuito y coordinación de protecciones .............................. 10 2.1 Análisis de fallas y coordinación............................................................................ 12 2.1.1 Cortocircuito en la Bomba de Agua Alimentar (BAA4A)........................................... 12 2.1.2 Cortocircuito por primario del transformador T40 .................................................. 14 2.2 Reajuste de protecciones y pruebas de coordinación ........................................ 17 2.2.1 Cortocircuito en la BAA4A ...................................................................................... 19 2.2.2 Cortocircuito por primario del transformador T40 .................................................. 20 2.3 Valoración Económica ............................................................................................. 21 CONCLUSIONES...................................................................................................................... 24 RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 25 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 26 ANEXOS .................................................................................................................................... 27 INTRODUCCIÓN La calidad del servicio en el suministro de energía eléctrica se mide, básicamente, en término del número y duración de las interrupciones en el suministro, así como por el mantenimiento de la tensión y frecuencia dentro de unos límites prefijados o nominales. El crecimiento de los sistemas eléctricos fue generando nuevas necesidades, entre las cuales se incluyen los sistemas de protección [1]. Los Sistemas Eléctricos de Potencia deben diseñarse de manera que los relés de protección operen para detectar y aislar fallas rápidamente, limitando el alcance y la duración de las interrupciones del servicio. Dichas protecciones son de vital importancia en los sistemas eléctricos industriales porque pueden evitar grandes pérdidas de producción debido a interrupciones innecesarias del equipo o daños innecesarios al equipo que se produzcan como resultado de una avería o sobrecarga [2]. Con el fin de lograr un suministro eléctrico confiable y de calidad se le otorga vital importancia al correcto funcionamiento de las protecciones eléctricas, para ello dichas protecciones deben ser seleccionadas y ajustadas de manera que cuenten con un alto grado de fiabilidad, seguridad y selectividad. Por lo que se hace sumamente necesario el estudio de coordinación de las protecciones para otorgarle al sistema el más alto grado de tan vitales propiedades. Los objetivos de la coordinación de sobrecorriente son determinar las características, clasificaciones y ajustes de dispositivos de protección contra sobrecorriente que minimizan el daño e interrumpen cortocircuitos lo más rápido posible. Estos dispositivos se aplican generalmente de modo que, ante una falla o condición de sobrecarga, sólo se interrumpe una mínima parte del sistema de energía. Un estudio de coordinación de sobrecorriente es la comparación y selección de los tiempos de operación de los dispositivos de protección que logran los objetivos del sistema de protección bajo condiciones anormales de operación. Este estudio debe incluir todos los dispositivos desde el equipo de utilización hasta la fuente [2]. Con esto en mente es fácil inducir que en el Sistema Eléctrico de Potencia de la Central Termoeléctrica Carlos Manuel de Céspedes (CTE CMC) la selectividad, fiabilidad y seguridad del sistema de protecciones eléctricas cobra dimensiones mayores, debido a que una mala selectividad ante fallas podría desencadenar un disparo innecesario de la unidad de generación. A lo largo de los años las unidades de generación japonesas presentes en la CTE CMC han sufrido importantes cambios y modernizaciones en su esquema de suministro eléctrico, lo que hacía necesario un estudio de cortocircuito y coordinación de protecciones para detectar, de forma oportuna, posibles fallas de selectividad en el sistema de protecciones. Cabe destacar que durante años de explotación de la CTE no fue posible realizar dichos 1 INTRODUCCIÓN estudios debido a la falta de una herramienta profesional que permitiera un análisis acertado y profundo del estado de los niveles de cortocircuito y la coordinación de las protecciones. En la actualidad, con el avance de las tecnologías informáticas de análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia, se cuenta con un software especializado capaz de llevar a cabo complejos cálculos, lo que hace posible realizar, por primera vez en la empresa, un estudio de este tipo. A partir de estos antecedentes, el presente trabajo responde a la siguiente interrogante científica: ¿Cómo lograr que las protecciones de la CTE CMC operen de forma selectiva, fiable y segura para evitar disparos innecesarios de las unidades ante fallas en el sistema de suministro? Para solucionar el problema científico se plantea el siguiente objetivo general: Proponer acciones para una respuesta selectiva, segura y fiable de las protecciones de 6 kV de la CTE CMC. Para cumplir con dicho objetivo se plantean los objetivos específicos siguientes: Realizar la actualización del monolineal de la CTE CMC y simulación de protecciones y fallas con software especializado. Mostrar la coordinación gráfica de las protecciones y acciones a realizar. 2 Central Termoeléctrica Carlos Manuel de Céspedes 1.1 Esquema de suministro. Filosofía de operación La planta de generación termoeléctrica CMC cuenta con un esquema de suministro como el que se muestra en la figura 1.1, considerado estándar para este tipo de plantas. Figura 1.1 Esquema de suministro CTE CMC Dicha planta cuenta con dos generadores Hitachi de 158 MW cada uno, cuya tensión de salida se encuentra sobre los 17 kV. Cada unidad generadora, Unidad No.3 y Unidad No.4, se encuentra acoplada a un Transformador Principal de 190 MVA que eleva la tensión a 110 kV o 220 kV respectivamente, como se muestra en la figura 1.1. Entre el Generador y el Transformador Principal no se intercala interruptor de potencia alguno, por lo que ambos forman una sola unidad, denominada Bloque, como se muestra en la figura 1.2. 3 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 1.2: Bloque Generador-Transformador. El acoplamiento entre el Generador y el Transformador Principal se realiza a través de los Ductos de Barras Aisladas, figura 1.3. Figura 1.3: Ductos de Barras Aisladas La planta de generación CMC cuenta con motores de gran potencia, denominados equipos auxiliares, y que son imprescindibles para el arranque y operación de dicha central, entre los que se encuentran las Bombas de Agua Alimentar (BAA), Bombas de Agua de Circulación 4 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 (BAC), Bombas de Extracción de Condensado (BEC), Ventiladores de Tiro Forzado (VTF) y Ventiladores Regenerativos (VRG). Estos equipos se alimentan a partir de barras trifásicas denominadas Barra de Servicio Auxiliar, en este caso dos barras de 6 kV las cuales reciben energía a partir de un transformador de potencia denominado Transformador Auxiliar de la Unidad o de Uso Planta. El Transformador Uso Planta reduce la tensión desde el nivel de generación,17 kV, hasta el nivel de media tensión, 6 kV, para alimentar las Barras de Servicio Auxiliar, a media tensión, de la Estación Generadora y cuenta con una potencia de 12 MVA. Dicho transformador está conectado a una derivación de las barras de salida del Generador Trifásico de la Unidad, antes de su acoplamiento con el Transformador Principal, como se muestra en la figura 1.4. Figura 1.4: Acoplamiento de Transformador Uso Planta al Generador. Por otro lado, a una de las Barras de Servicio Auxiliar se encuentra acoplado un transformador de 1650 kVA (figura 1.1), que reduce la tensión a 400 V para alimentar el Power Center, el cual a su vez alimenta cargas como los Centros de Control de Motores de Caldera, Turbina, Esencial y Común, Cargadores de baterías, otros transformadores de 5 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 fuerza y alumbrado, y motores de gran potencia como Bomba Auxiliar de Aceite, Bomba de Agua de Enfriamiento, Compresor de Aire de Servicio, entre otros. La CTE CMC cuenta además con un Transformador de Arranque de 18 MVA, el cual consiste en una unidad trifásica que toma energía de las barras de la Subestación de Transmisión de la Central a 110 kV y lo reduce al nivel de media tensión, 6 kV, para alimentar la Barra de Arranque de la Unidad. La Barra de Arranque posee interruptores de potencia de interconexión de barras (figura 1.1), a través del cual se le suple energía a las Barras de Servicio Auxiliar a media tensión de cada unidad, cuando las unidades están fuera de servicio, para propiciar la puesta en marcha de la misma. Debido a esta aplicación es que se le suele denominar Barra de Arranque. De lo dicho con anterioridad queda establecido que el Transformador de Arranque debe ser de una capacidad tal que pueda llevar simultáneamente la carga de la Barra Arranque, y la de la Barra de Servicio Auxiliar de una de las Unidades de la central a la vez, en la fase de arranque o puesta en marcha de dicha Unidad. Existe un enclavamiento eléctrico entre el interruptor de salida del Transformador Uso Planta y el interruptor de interconexión de barras. La finalidad de este enclavamiento es transferir la carga de los servicios auxiliares al Transformador Uso Planta después de la sincronización del Generador al sistema eléctrico interconectado. Al cerrar el disyuntor de línea de entrada del servicio auxiliar, el enclavamiento eléctrico actúa para disparar el interruptor de interconexión de barras a media tensión. Luego de completada esta transferencia, el interruptor de interconexión de barras queda abierto llevando los Transformadores Uso Planta y de Arranque la carga de sus respectivas barras de manera independiente. La Barra de Arranque alimenta también a un transformador de 1650 kVA que reduce la tensión a 400 V y alimenta a su vez al Power Center Común, desde donde son alimentadas cargas comunes a ambas unidades como la Planta de Tratamiento Químico del Agua. A este nivel de tensión existe también una interconexión con la barra de 400 V de la Unidad, lo que permite la alimentación desde la reserva si fallara el Uso Planta. 1.2 Protecciones Eléctricas en media tensión CMC 4 Las protecciones instaladas en las salidas de cargas motoras son MiCOM P225, mientras que para entradas de alimentación a las barras de 6 kV y para las salidas a transformadores son MiCOM P122 pertenecientes a la firma Areva T&D, como se muestra en la figura 1.5, las cuales poseen un número elevado de funciones que pueden ser implementadas. 6 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 1.5: Ubicación de relés de protección 6 kV CMC 4. La gama P122 se presenta como dispositivos de protección diseñados para un amplio abanico de aplicaciones en instalaciones eléctricas de potencia tales como motores, generadores, transformadores, líneas y cables. Presentan posibilidad de lógicas programables y varios grupos de ajuste; además ofrecen una protección integral de sobrecorriente de fase y tierra, secuencia negativa y conductor roto, haciéndolas adecuadas para aplicaciones en redes eléctricas industriales [3]. Por otro lado, la gama P225 está diseñada para la protección de motores y presenta un set completo de funciones de protección basados en mediciones de voltaje, corriente y temperatura, lo que permite una protección y explotación más eficiente de los motores. Para motores cuyo suministro de corriente contiene un grado considerable de distorsión, el relé proporciona una imagen térmica de base RMS que permite protección eficaz contra los fenómenos de sobrecarga debido a la presencia de componentes armónicos. Dichos relés de protección presentan un amplio rango de numerosas funciones como monitoreo, protección, diagnóstico y herramientas para análisis de fallas. Además, ofrece protección de sobrecorriente de fase y tierra, desbalance, rotor bloqueado, excesivo tiempo de arranque y pérdida de carga [4]. 7 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Seguidamente se resumen las potencialidades generales que poseen los relés P122, en cuanto a las funciones de protección que pueden ser implementadas [3]: Protección de sobrecorriente de fase y tierra [50/51] [50/51N]: Están disponibles tres umbrales independientes, ya sea para protección de falla de fase o de tierra. Para el primer y segundo umbral, el usuario puede seleccionar independientemente la temporización a tiempo definido (PSTD) o a tiempo inverso (PSTI) con diferentes tipos de curvas (CEI, IEEE/ANSI, RI, RECT, EDF BPN). El tercer umbral se puede configurar para detección de picos y sólo a tiempo definido. Cada umbral y su temporización correspondiente se pueden programar para proporcionar la máxima selectividad. Está disponible un cuarto umbral de sobreintensidad de tierra basado en el cálculo derivado de intensidad de tierra en los MiCOM P122 (cuando no hay disponible un TI de tierra). Sobrecarga Térmica [49]: Los transformadores y los cables deben protegerse teniendo en cuenta sus características térmicas particulares. Los relés P122 incluyen un elemento de imagen térmica basado en el valor real eficaz (RMS) de la intensidad, hasta el décimo armónico. Los umbrales de alarma y sobrecarga, así como las constantes de tiempo, son totalmente programables para que se corresponda con el requerimiento de cada aplicación. Sobreintensidad de secuencia inversa [46]: Los relés MiCOM P122 incluyen una función programable especialmente diseñada para detectar condiciones de carga desequilibrada o de falla. Los tres umbrales de sobreintensidad de secuencia inversa tienen los mismos rangos de ajuste y temporización que la sobreintensidad de fase. Conductor Roto [46BC]: Una falla típica de desequilibrio que puede ocurrir en la red es una falla de circuito abierto. Esta falla puede surgir de un conductor roto, de la discrepancia de la posición de los polos de un equipo de conmutación o de la quema de un fusible. Los relés MiCOM P122 son capaces de medir la relación de intensidad de secuencia inversa a directa (I2/I1). Esta función, completamente programable, permite más sensibilidad y estabilidad que la simple medición de la secuencia inversa. Seguidamente se resumen las potencialidades generales que poseen los relés P225, en cuanto a las funciones de protección que pueden ser implementadas [4]: Protección de sobrecorriente de fase [50/51]: Tres etapas independientes están disponibles en P225 para protección de falla de fase. Para la primera y segunda 8 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 etapa, el usuario puede seleccionar independientemente el retardo de tiempo definido (DTOC) o el tiempo inverso retardo (IDMT) con diferentes tipos de curvas (IEC, IEEE / ANSI, RI). La tercera etapa es tiempo definido solamente. Cada umbral y su temporización correspondiente se pueden programar para proporcionar la máxima selectividad. Protección de sobrecorriente de tierra [50/51N]: Hay dos umbrales disponibles. Cada umbral tiene señal instantánea y retardada en su disposición. El rango de ajuste para el umbral de la corriente de tierra varía de 0,002 a 1 Ien, lo que permite máxima sensibilidad para la detección de fallas a tierra. La entrada de corriente de tierra del relé se puede conectar a un núcleo CT equilibrado o a la suma de las tres fases CT. Desbalance [46]: Dos elementos de sobrecorriente basados en la componente de secuencia negativa de la corriente está disponible. Uno está asociado con una característica IDMT, mientras que el otro tiene una característica de tiempo definido. Los dos elementos permiten diferenciar entre un desequilibrio de amplitud corta o baja y un fenómeno más marcado como la pérdida de fase o monofásico. Sobrecarga térmica [49] True RMS Base: La imagen térmica del relé MiCOM P225 permite la protección simultánea del rotor y bobinados del estator del motor, cualquiera que sean las condiciones de funcionamiento de la máquina, bajo y condiciones de funcionamiento de sobrecarga, durante el arranque, con rotor bloqueado o con motor apagado. Las imágenes térmicas clásicas I2t ofrecen protección a los devanados del estator, pero no tienen en cuenta el sobrecalentamiento en el rotor durante una corriente desequilibrada. Del mismo modo, la presencia de corrientes con componentes armónicos provoca sobrecalentamiento adicional de los devanados del estator. Con el fin de tener debidamente en cuenta este sobrecalentamiento, el relé P225 separa la corriente de secuencia negativa y la reconstituye con el verdadero valor RMS de las corrientes del estator absorbidas por el motor. El resultado es una mejor protección contra sobrecargas y por lo tanto una marcada disminución en el riesgo de daños en el motor. Tiempo de arranque excesivo [48]: Si el motor está descargado o acoplado a una carga pesada, esta función supervisa la duración de la fase de arranque del motor. La elección del criterio de detección de arranque del motor hace posible utilizar esta 9 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 función, sea cual sea el modo de puesta en marcha del motor: ej., directo en línea, estrella-triángulo, autotransformador, inserción de resistencias, etc. Rotor bloqueado en funcionamiento o al arrancar [51S]: Durante el arranque del motor, se detecta un rotor bloqueado con la ayuda de una entrada de switch de velocidad en relés P225. Estudio de niveles de cortocircuito y coordinación de protecciones Para llevar a cabo el estudio de cortocircuito y coordinación de protecciones se desarrolla una planificación inicial en la que se construye el diagrama monolineal del sistema y se recopilan los datos necesarios para los cálculos de cortocircuito y el análisis de las protecciones, estos datos se introducen en el software Etap 12.6, herramienta profesional para el análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia. A continuación se muestran los datos requeridos [2]: Datos de barras y disyuntores: Muestra el voltaje, la corriente, la corriente que soporta o de interrupción, y sus tiempos de disparo. También indique disyuntores normalmente abiertos o cerrados. Datos de transformadores: Muestra los ratings de voltaje (devanados primarios y secundarios), ratings de kilovoltampere (auto-refrigerado, refrigerado por ventilador), impedancia (incluye tolerancias si el equipo no ha sido fabricado), conexiones de bobinado, posiciones del tap y tipo de puesta a tierra del sistema (si está conectado a tierra por resistencia, muestre el tamaño o amperaje de la resistencia). Datos del generador: Mostrar reactancia subtransitoria, transitoria y sincrónica; kilovoltampere rating; voltaje; conexión y tipo de puesta a tierra del sistema; y factor de potencia. Datos de cables: Mostrar tamaños y longitudes de conductores, tipo de conductor, temperatura y configuraciones de conductores. Datos del suministro: Voltaje del suministro, la capacidad de MVA de cortocircuito (por ejemplo, la Impedancia por unidad mostrada en una base específica de 10 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 kilovoltios y kilovoltamperes o capacidad de corriente de cortocircuito) y relaciones X / R (por ejemplo, trifásico, monofásico a tierra). Información de los dispositivos de protección: mostrar todas las ubicaciones y conexiones de relés, fusibles, disyuntores y TC, junto con sus circuitos de disparo asociados. Esta información debe incluir el número o nombre de dispositivo y la cantidad de relés; corriente mínima de fusión, limpieza máxima y corriente continua de los fusibles; y las relaciones de TC (incluida la indicación de TC de múltiples relaciones). Muestra los ratings de amperios de disparo de MCCB (Molded-case circuit breakers), ICCB (insulated-case circuit breaker) y LVPCB (Low-voltage power circuit breakers). Esta información debe Incluir clasificaciones de sensores y enchufes y funciones de disparo (por ejemplo, tiempo largo, tiempo corto, instantáneo, falla a tierra). Datos de cargas: Ratings de potencia del motor o kilovoltampere e indique el total de cargas conectadas y cargas de reserva (por ejemplo, amperios de carga completa del motor, amperios de rotor bloqueado, factor de potencia, tiempos de parada seguros, tiempos de aceleración, reactancia transitoria y subtransitoria del motor). A continuación, se muestra el diagrama monolineal de CMC 4, desarrollado en el software Etap 12.6. 11 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 2.1: Esquema monolineal CMC 4 2.1 Análisis de fallas y coordinación Para el desarrollo del análisis de corticircuito y coordinación de protecciones se usa la herramienta profesional Etap 12.6, antes mencionada, en la que se simulan fallas de diferentes tipos (trifásica, bifásica, bifásica a tierra y monofásica) en distintos puntos del sistema con el objetivo de analizar la respuesta de las protecciones y la secuencia de operación para determinar posibles problemas de fiabilidad, seguridad o selectividad. 2.1.1 Cortocircuito en la Bomba de Agua Alimentar (BAA4A) Con el objetivo de analizar la respuesta del sistema, se simularon fallas trifásica y bifásica en el alimentador de la BAA4A, en el software Etap 12.6, lo que arrojó los siguientes resultados gráficos. Figura 2.2: Secuencia gráfica de operación. 12 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 2.3: Secuencia de eventos. Como se observa en las figuras 2.2 y 2.3, la secuencia de operación de las protecciones no es la correcta, pues debería disparar solo la BAA4A, lo que evidencia un problema grave de selectividad, debido a la incorrecta actuación de la protección de sobrecorriente de las bombas de circulación. Por otro lado, en la figura 2.3 se observa que el tiempo de operación de la protección de la BAA4A y el del relé 51MA P122, ubicado en el alimentador de la barra A de 6 kV, presenta una diferencia de solo 2 ms, lo que tendría como consecuencia un disparo del interruptor que alimenta la barra A. En el análisis de la siguiente figura se observa que, ante una falla en la BAA4A, los relés de protección de sobrecorriente de las bombas de circulación, ubicadas en la barra A y B respectivamente, son los primeros en enviar la señal de disparo; este fenómeno es debido a que dichos motores presentan un aporte al cortocircuito de aproximadamente 463 A (figura 2.3), mientras que el ajuste de sobrecorriente se encuentra en 375 A con un tiempo de 50 ms. 13 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 2.4: Gráfico de coordinación para falla en la BAA4A. La situación antes señalada evidencia un evidente peligro para la correcta operación del sistema, debido a que una falla en la BAA4A provocaría un disparo de ambas bombas de circulación, el interruptor de alimentación de la barra A de 6 kv y la BAA4A, lo que desencadenaría inevitablemente un disparo intempestivo de la unidad de generación. 2.1.2 Cortocircuito por primario del transformador T40 En las figuras 2.5 y 2.6 se evidencia que para una falla en el primario del transformador T40, el sistema de protecciones responde con una total falta de selectividad, pues el disparo del interruptor L44, asociado a la protección de sobrecorriente 50-51 P122 ubicada por el lado de alta tensión del transformador, ocurre luego de haber disparado ambas bombas de circulación y el alimentador de la barra A. 14 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 2.5: Secuencia gráfica de operación. Figura 2.6: Secuencia de eventos. 15 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 2.7: Gráfica de coordinación para falla por primario del T40. La figura 2.7 muestra con claridad la situación antes descrita, las bombas de circulación presentan un ajuste de sobrecorriente que se encuentra por debajo de su aporte a un cortocircuito. Por otro lado, se observa que la curva de disparo de la protección del alimentador de la barra de 6 kV se encuentra por debajo de la curva del relé 50-51 P122, lo que provoca una secuencia de operación incorrecta y por tanto falta de selectividad. Cabe destacar que la condición descrita anteriormente es inaceptable para el esquema de suministro de una planta de generación, pues, de ocurrir, podría provocar el disparo de la unidad. 16 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 2.2 Reajuste de protecciones y pruebas de coordinación Con el objetivo de solucionar los problemas de coordinación evidenciados en el epígrafe anterior se realiza un reajuste de las protecciones de sobrecorriente, siguiendo la filosofía de operación japonesa y las reglas de coordinación de protecciones industriales descritas en [2]. A continuación, se muestran los nuevos ajustes de cada relé de protección y se realiza un nuevo análisis para validar su correcto funcionamiento. Tabla 2.1: Ajustes relés de protección de sobrecorriente. Descripción/función BAA4A VRG BC4A VTF4A BEC4A Fabricante Areva T&D Areva T&D Areva T&D Areva T&D Areva T&D Modelo P225 P225 P225 P225 P225 TC de fase 300/5 75/5 75/5 150/5 75/5 Curva DT DT DT DT DT Pickup X CT sec 10,2 7 12 10,2 8,2 Time Dial 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Pickup ---- ---- ---- ---- ---- Delay (sec) ---- ---- ---- ---- ---- Sobrecorriente (51) Instantáneo (50) Tabla 2.2: Ajustes relés de protección de sobrecorriente. Descripción/función BAA4B BAA4C BC4B VTF4B BEC4B Fabricante Areva T&D Areva T&D Areva T&D Areva T&D Areva T&D Modelo P225 P225 P225 P225 P225 TC de fase 300/5 300/5 75/5 150/5 75/5 Curva DT DT DT DT DT Pickup X CT sec 10,2 10,2 12 10,2 8,2 Time Dial 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Pickup ---- ---- ---- ---- ---- Delay (sec) ---- ---- ---- ---- ---- Sobrecorriente (51) Instantáneo (50) 17 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Descripción/función Fabricante 51MA Areva T&D 51MB Areva 51MA 51MB 50-51 Entrada Entrada Alimentación Reserva Reserva 400 V Areva T&D Areva T&D Areva T&D T&D Modelo P122 P122 P122 P122 P122 TC de fase 1000/5 1000/5 1000/5 1000/5 200/5 ANSI- ANSI- ANSI- ANSI- IEC-Very Moderately Moderately Moderately Moderately Inverse Inverse Inverse Inverse Inverse Pickup X CT sec 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 Time Dial 0,3 0,3 0,3 0,3 0,24 Pickup ---- ---- ---- ---- 10 Delay (sec) ---- ---- ---- ---- 0,01 Sobrecorriente (51) Curva Instantáneo (50) 18 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 2.2.1 Cortocircuito en la BAA4A Con el objetivo de validar el correcto funcionamiento del sistema de protecciones ante una falla, se simularon fallas trifásica y bifásica en el alimentador de la BAA4A, en el software Etap 12.6, lo que arrojó los siguientes resultados gráficos. Figura 2.8: Secuencia de eventos. Como se observa en la figura anterior, la secuencia de eventos es la correcta pues el interruptor que alimenta la BAA4A dispara y aísla la falla, dejando así el sistema de suministro en condiciones aceptables de operación y cumpliendo con la selectividad requerida. En la siguiente figura se puede observar cómo existe una coordinación gráfica entre las curvas de disparo de la BAA4A y el relé de protección del alimentador de barra, lo que garantiza la correcta operación de las protecciones ante una falla. 19 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 2.9: Coordinación gráfica para falla en la BAA4A. 2.2.2 Cortocircuito por primario del transformador T40 Como se observa en la figura 2.10, la secuencia de operación es la correcta y los tiempos de operación de las protecciones son adecuados, pues todos están por debajo de un segundo. Figura 2.10: Secuencia de eventos. 20 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 2.11: Coordinación gráfica para falla por primario del T40. En la figura 2.11 se puede observar que la coordinación entre las curvas de disparo es la correcta, pues el primer relé en enviar la señal de disparo es el 50-51 P122 ubicado en el primario del T40. 2.3 Valoración Económica La evaluación económica del estudio en cuestión está dada por la diferencia del costo de la contratación de una empresa extranjera para realizar el estudio, debido a que en nuestro país no existe una empresa que se dedique a realizar estudios de esa magnitud de forma profesional, menos el costo de llevar a cabo el estudio e implementación de las soluciones por parte del personal de nuestra empresa. La necesidad de llevar a cabo dichos estudios radica en lograr un suministro eléctrico confiable y de calidad con un sistema de protecciones eléctricas que cuente con el más alto grado de fiabilidad, seguridad y selectividad. 21 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Por tanto se tiene que: Ec= [Gr1-Gr2]*Q2 Siendo: Ec: Efecto económico Gr1: Precio de los estudios contratados Gr2: Costo de la solución realizada en el centro Q2: Cantidad de veces aplicado. Precio de los estudios contratados (Gr1): Para ello se tomaron como referencia las cotizaciones de la Empresa Mexicana IEBTSA, Proyectos y Servicios de Ingeniería Eléctrica, con los valores que se muestran a continuación. El contenido de dichas cotizaciones se muestra en los anexos. Figura 2.12 Cotización Levantamiento de datos. Figura 2.13 Cotización Estudios de Cortocircuitos y Coordinación de protecciones eléctricas. Gr1=1 689 350.60+3 685 790.00 Gr1=5 375 140.60 MXN Conversión: 5 375 140.60 MXN=6 103 687 MN La conversión fue basada en el cambio oficial de Bandec. 22 CAPÍTULO 3. TÍTULO DEL CAPÍTULO 3 Figura 2.14: Cambio oficial Bandec. Costo de la solución realizada en el centro (Gr2) Mano de obra: Calificación del operario # horas Salario devengado Salario Total en 1 hora (CUP) (CUP) 1 TNS en Adiestramiento 200 19.9895 3997.9 1 Especialista A en Mtto Ind 48 23.14 1110.72 1 Especialista B en Mtto Ind 48 22.09 1060.32 TOTAL GASTOS EN RECURSOS HUMANOS Ec= [Gr1-Gr2]*Q2 Ec= [$ 6 103 687 - $ 6168.94] ˙1 Ec= $ 6 097 518 ˙ 1 Ec= $ 6 097 518 23 $ 6168.94 CONCLUSIONES La actualización del monolineal y esquema de protecciones de la CTE CMC y la simulación de su respuesta ante diferentes fallas en el software ETAP, permitió realizar un análisis integral de afectaciones, así como evaluar la selectividad del sistema ante cortocircuitos. Las protecciones de 6 kV de CMC 4, con su configuración actual, presentan una total falta de selectividad ante cortocircuitos en barras, alimentadores o motores. La modificación de los ajustes de las protecciones de 6 kV, por otros que garanticen el correcto funcionamiento del sistema, constituye la solución ante la falta de selectividad. La entidad obtiene un efecto económico que asciende a los 6 097 518 de pesos en moneda nacional (MN), dado que el estudio se realizó por personal de nuestra empresa, dejando a un lado la contratación de una empresa extranjera para realizar el estudio. 24 RECOMENDACIONES En trabajos posteriores se pueden realizar estudios que complementen el análisis realizado en este trabajo, como son: Extender el análisis realizado a las protecciones de la unidad de generación CMC 3. Generalizar el análisis teniendo en cuenta las protecciones del Power Center 400 V. Actualizar el monolineal y realizar nuevos estudios cuando el sistema sufra cambios considerables. 25 BIBLIOGRAFÍA [1] [2] [3] [4] D. D. D. Yera, "ANÁLISIS DE LAS PROTECCIONES DE LA FÁBRICA CLORO SOSA POR EVENTOS EN LÍNEAS DE 34,5 kV," UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS, Santa Clara, 2015. IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems, 2001. "Guía de aplicación MiCOM P120/P121/P122/P123," A. T&D, Ed., ed. "MiCOM P220 and P225 Motor Protection Relays," A. T&D, Ed., ed. 26 ANEXOS Figura 1: Cotización oficial de Levantamiento Técnico. 27 Figura 2: Cotización oficial de Levantamiento Técnico. 28 Figura 3: Cotización oficial de Levantamiento Técnico. 29 Figura 4: Cotización oficial de Estudios de cortocircuito y coordinación de protecciones. 30 Figura 5: Cotización oficial de Estudios de cortocircuito y coordinación de protecciones. 31 Figura 6: Cotización oficial de Estudios de cortocircuito y coordinación de protecciones. 32
