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Implementación de un esquema de protecciones diferenciales de línea en un circuito de 110 kV
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Instituto Profesional DuocUC
Escuela de Ingeniería
“Desarrollo ingeniería básica y de detalle para
esquema diferencial de línea de 2 puntas”
Juan Bautista Catipillán Acevedo
Alejandro Fernando Egli Tascón
Trabajo de Titulación para obtener el Título de
Ingeniero de Ejecución en Electricidad y Electrónica
Profesor Guía: Luis Orlando Campos González
Santiago, Chile, 2011
i
Resumen
Este proyecto muestra el desarrollo de un esquema de protección
diferencial de línea de dos puntas, a implementarse en el circuito de 110 kV
entre las subestaciones Puente Alto y Costanera ambas pertenecientes a la
Empresa Eléctrica Puente Alto Ltda, en adelante EEPA.
Durante el desarrollo del presente proyecto los alumnos modificaron:
planos elementales de corriente alterna, planos elementales de corriente
continua, planos de disposición y planos de alambrado. Además desarrollaron
un estudio de ajustes tentativos para los nuevos equipos de protección a utilizar
y una memoria explicativa que contempla contingencias a considerar por los
nuevos equipos de protección.
Se concluyó que si bien existe un esquema de impedancia con
respaldo de sobre corriente, al perder los potenciales de medida, el esquema
actual perderá la selectividad y la coordinación con el resto de los equipos de
protección del paño Costanera en S/E Puente Alto. En base a lo anterior nace
la necesidad del esquema de protecciones propuesto, debido a que ante la
contingencia de pérdida de potenciales no habrá descoordinación ni se perderá
la selectividad.
ii
Después de terminado el proyecto los alumnos tendrán la
experiencia para afrontar desafíos similares en el resto del sistema eléctrico, ya
sea nuevamente para la EEPA o bien para cualquier compañía transmisora o
distribuidora del país.
iii
INDICE
Desarrollo ingeniería básica y de detalle para esquema protección diferencial de línea de
2 puntas para Empresa Eléctrica Puente Alto Ltda.
RESUMEN I
INDICE III
LISTADO DE FIGURAS Y TABLAS IV
GLOSARIO V
INDICACIÓN NEMA. V
OTRAS SIGLAS USADAS. VI
CAPÍTULO 1. 1
INTRODUCCIÓN 1
1.1 PROPÓSITO 51.4 MOTIVACIÓN 61.5 CONTEXTO Y SITUACIÓN PREVIA SOBRE EL TEMA 6
CAPÍTULO 2. 7
2.1 DESARROLLO DEL PROYECTO 72.1 DESARROLLO TÉCNICO Y TEÓRICO DEL PROYECTO 72.2 TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO ESQUEMA DIFERENCIAL 72.3 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DE EQUIPOS DE PROTECCIÓN Y CONTROL.
102.3.1 Equipos de protección 102.3.2 Elementos de control y conexionado 13
2.4 INGENIERÍA DE DETALLES 142.5 EVALUACIÓN ECONÓMICA Y FINANCIERA 162.6 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN 17
CAPÍTULO 3 RESULTADOS Y CONCLUSIONES 20
Anexos de respaldo 21
iv
Listado de figuras y tablas
Imágen 1 Esquema diferencial propuesto. 4
Imagen 2 Principio de funcionamiento 87L 8
Imagen 3 Esquema de comunicación 87L 9
v
GLOSARIO
Indicación NEMA.
21 Relé de impedancia.
27 Relé de sub-tensión en corriente alterna.
50 Relé de sobre corriente instantáneo en corriente alterna.
51 Relé de sobre corriente temporizado en corriente alterna.
52 Interruptor o contactor de corriente alterna
59 Relé de sobre tensión en corriente alterna
79 Relé de reconexión de corriente alterna.
86 Relé o dispositivo de bloqueo.
81 Elemento de frecuencia, puede ser sobre o baja.
87 Relé diferencial de corriente
89 Elemento seccionador de corriente alterna
vi
Otras siglas usadas.
EEPA Empresa Eléctrica Puente Alto Ltda.
PAIS Puente Alto Ingeniería y Servicios Ltda.
CDEC Centro de Despacho Económico de Carga.
SEC Superintendencia de Electricidad y Combustibles
SIC Sistema Interconectado Central
DEI Dispositivos Electrónicos Inteligentes.
MPG Block de pruebas para intervención de equipos de protección en
servicio o mantenimiento.
7SD61 Protección diferencial de línea marca Siemens.
Capítulo 1.
Introducción
Este proyecto se realizó basándose en los conocimientos adquiridos
a lo largo de los años de estudio en DUOC UC por parte de los alumnos,
considerando además la oportunidad entregada por la compañía distribuidora
de electricidad EEPA para mejorar su sistema de protecciones.
Actualmente el circuito en 110 kV entre las subestaciones Puente
Alto y Costanera cuenta con: una protección de impedancia (21/21N) marca
SIEMENS modelo 7SA511 versión 2.2 y un esquema de sobrecorriente de
fases (50/51) marca ABB modelo MicroShield, ambos ubicados en el bastidor
número 1 en el extremo Puente Alto del circuito. Como equipamiento primario
cuenta con un desconectador de barra, un interruptor de poder, un
desconectador de línea, un desconectador de puesta a tierra solidario al
desconectador de línea y un juego de transformadores de corriente(3) con una
relación de transformación de 200/1 Amper.
Para el extremo Costanera manteniendo el sentido de equipos
indicado en el párrafo anterior, es decir desde la barra número 1 de 110 kV
hacia la subestación Costanera, se tiene un desconectador de puesta a tierra,
un desconectador de línea, una barra en 110 kV, un desconectador de barra, un
juego de pararrayos de 110 kV, un transformador de poder de 110/12,5 kV de
25 MVA, un interruptor de poder en salida 12 kV del transformador de poder y
tres alimentadores de salida en 12 kV (52C1, 52C2, 52C3), todo esto se
muestra en el anexo 3 plano A01-22-52a-2 V4 unilineal de potencia de
subestación Puente Alto y anexo 4 plano A02-23-52a-1 unilineal de potencia
subestación Costanera.
Se debe tener en consideración el hecho de que en 110 kV de S/E
Costanera no existe interruptor de poder, por lo tanto el despeje de las fallas en
la línea o el transformador de poder se debe hacer a través del interruptor 52H2
en S/E Puente Alto, considerando además que los alimentadores en 12 kV no
deben estar anillados. Para evitar esto se considera la desconexión de los
interruptores 52H2 en S/E Puente Alto y 52CT en S/E Costanera para todo tipo
de fallas en los tramos antes mencionados.
El esquema de protecciones para el este extremo del circuito es:
protección diferencial de transformador (87T), marca ABB, modelo TPU200R,
protección de sobrecorriente (50/51, 50N/51N) para el lado de 12 kV del
transformador de poder marca ABB, modelo SPAJ140C, 3 reconectadores
marca Cooper, modelo Kyle Form5 con funciones de sobrecorriente de fase y
residual (50/51 50N/51N), de sobre y subtensión (27/59) y función de
reconexión automática (79).
A continuación se detalla el esquema de protecciones utilizado previo
al proyecto desarrollado por los alumnos, esto asociado al circuito antes
mencionado. En subestación Puente Alto: un esquema de impedancia (21/21N)
y un esquema de sobrecorriente (50/51). Para el extremo Costanera se tiene
un esquema diferencial de transformador (87T), un esquema de sobrecorriente
(50/51 50N/51N) para interruptor general 52CT (salida transformador de poder),
además de 3 protecciones en equipos de control de los alimentadores 52C1,
52C2 y 52C3 con las siguientes funciones de protección habilitadas: 50/51
50N/51N, 27, 59, 79.
La concepción del proyecto se basó en la necesidad de mejorar el
esquema antes mencionado, para ello se pensó un esquema diferencial de
corriente de dos puntas (87L), con capacidad de ser además protección de
transformador (87T). Con esto se conseguirá eliminar la protección de
sobrecorriente ABB, incorporándola como función de emergencia en la
protección 21/21N, supervisada además por la nueva protección 87L. Esto para
el extremo Puente Alto del circuito. Para el extremo Costanera se reemplazará
la actual protección ABB TPU 2000R por la nueva protección diferencial de
línea, la cual traerá incorporada la capacidad de protección para el
transformador de poder. Además se podría eliminar la protección SPAJ 140C
implementando la protección 50/51 como función en el nuevo relé 87L. En la
ilustración 1 se presenta el esquema propuesto como ingeniería básica para el
desarrollo del proyecto.
Imágen 1 Esquema diferencial propuesto.
1.1 Propósito
Mejorar los sistemas de protección existentes, incorporando un
esquema diferencial de línea entre las subestaciones Puente Alto y Costanera,
aumentando con esto la selectividad y seguridad del sistema eléctrico de EEPA
ante eventuales fallas en su sistema de sub-transmisión.
1.2 Objetivo General
El objetivo general de este proyecto fue que los alumnos demostraran
sus conocimientos y dominio técnico, adquirido en la institución Duoc UC a lo
largo de su carrera.
1.3 Objetivo Especifico
El objetivo específico de este proyecto fue lograr una confiabilidad de
alto estándar del sistema de protecciones entre las subestaciones Puente Alto y
Costanera y del esquema eléctrico actual, para ello se pensó un esquema
diferencial de dos puntas (87L), con capacidad de ser además protección de
transformador (87T). Con esto se conseguirá eliminar la protección de
sobrecorriente ABB, incorporándola como función de emergencia en la
protección 21/21N, supervisada además por la nueva protección 87L. Esto para
el extremo Puente Alto del circuito. Para el extremo Costanera se reemplazará
la actual protección ABB TPU 2000R por la nueva protección diferencial de
línea, la cual traerá incorporada la capacidad de protección para el
transformador de poder. Además se podría eliminar el equipo de protección
SPAJ 140C implementando la protección 50/51 como función en el nuevo relé
87L.
1.4 Motivación
En este proyecto los alumnos sintieron la necesidad de poner en práctica
los conocimientos adquiridos Duoc Uc y para esto buscaron brechas técnicas
en sus fuentes laborales para y para ellas buscar soluciones prácticas, fáciles
de implementar y rentables para cualquier empresa del rubro eléctrico.
1.5 Contexto y situación previa sobre el tema
Con este proyecto se pretende solucionar en parte la problemática de
una desconexión indebida en una subestación eléctrica. Hacer conciencia que
es lo que significa en materia económica y aminorar las eventuales multas de
la autoridad por estos eventos.
Capítulo 2.
2.1 Desarrollo del proyecto
2.1 Desarrollo técnico y teórico del proyecto
A continuación encontrará los criterios técnicos, desarrollo
conceptual para la ingeniería básica y de detalle, los inconvenientes
encontrados a través del proyecto y los eventuales conflictos que podrían
aparecer en la implementación de nuestro proyecto pensando en la
incorporación del esquema diferencial de dos puntas para el circuito de 110 kV
entre las subestaciones Puente Alto y Costanera de EEPA.
2.2 Teoría de funcionamiento esquema diferencial
La protección diferencial está basada en la comparación de los
valores de intensidad. Para ello se debe instalar un equipo en cada extremo de
la zona a proteger. Los equipos intercambian sus valores medidos por vías de
comunicación. En cada equipo se realiza una comparación de las intensidades
y en caso de reconocerse un cortocircuito interno se efectúa una orden de
disparo al interruptor de potencia correspondiente.
Imagen 2 Principio de funcionamiento 87L
Si el elemento protegido esta localizado en un solo lugar - como en el
caso con generadores, transformadores, barras colectoras-, los valores pueden
ser procesados inmediatamente. Esto es diferente para líneas, donde la zona
protegida se extiende más o menos distanciada de una estación a otra. Para
que sea posible procesar los valores medidos de ambos extremos de la línea en
cada extremo de la línea, es preciso que sean transmitidos de forma adecuada.
De este modo se puede comprobar la condición de disparo en cada extremo de
la línea, accionando eventualmente el interruptor de potencia local respectivo.
En 7SD610 se codifican los valores medidos en telegramas digitales
y se transmiten a través de canales de comunicación. Para esto, cada equipo
dispone de al menos un interfaz de activación.
La imagen 3 muestra esto para una línea. Cada equipo mide la
intensidad de corriente local y manda información sobre su intensidad y ángulo
de fase al extremo opuesto. El interfaz para esta comunicación de protección se
denomina interfaz activación. De esta manera, cada equipo puede sumar las
intensidades de corriente y continuar procesándolas.
Imagen 3 Esquema de comunicación 87L
2.3 Criterios para la elección de equipos de protección y control.
2.3.1 Equipos de protección
Se deberá utilizar un equipo que cumpla con las siguientes
características:
Capacidad para proteger además de la línea de 110 kV el
transformador de poder al final de esta.
Fuente de alimentación para 125 Vcc.
Entradas análogas para 5 Amper nominales, 1 Amper nominal,
120 Volts nominales en el extremo Costanera y 115 Volts
nominales en el extremo Puente Alto.
Al menos 3 contactos para manejo de altas corrientes
orientados al disparo de los interruptores y relés de
enclavamiento.
Al menos 8 contactos para señalización.
Con capacidad de al menos 10 entradas digitales para los
envíos de “intertrip” entre subestaciones.
Comunicación a través de fibra óptica monomodo (existente)
Manejo de protocolos de comunicación eléctricos (IEC61850,
DNP 3.0 ethernet)
Capacidad de almacenar eventos y osciligrafías con
estampa de tiempo (norma técnica).
En base a lo anterior se optó por el modelo de protección marca SIEMENS
modelo 7SD61 con el siguiente código de pedido: (ANEXO 5)
S/E Puente alto: 7SD610-14BE-090BN1 / 1G
S/E Costanera: 7SD610-54BE-090BN1 / 1G
En base a los equipos individualizados se consideró la funcionalidad de contar
con la función de protección de transformador trabajando en conjunto con la
función de línea, ambas como función primaria de la protección 7SD61.
Considerando además las funciones de sobrecorriente para que trabaje en
modo emergencia, es decir, si se produce la interrupción de las comunicaciones
entre los relés de protección 7SD61, junto con esto se contempla el envío de
señales de apertura desde la subestación Costanera hacia la subestación
Puente Alto tanto por control como por protección ya que la subestación
Costanera no cuenta con equipo de maniobra adecuado (interruptor de poder)
en el lado de 110 kV para el despeje de fallas.
Se consideró tarjetas de comunicación en fibra óptica del tipo mono modo para
aprovechar la existente entre ambos puntos. Los equipos tienen capacidad
para lograr una separación entre ellos de hasta 24 kilómetros sin necesidad de
un amplificador de señal entre ellos. La distancia entre ambas subestaciones
alcanza a los 3,6 kilómetros.
2.3.2 Elementos de control y conexionado
Para este ítem se consideró el uso de elementos similares a los
existentes en ambas instalaciones de EEPA, para ello se realizó un
levantamiento, el cual se detalla a continuación:
Block de pruebas tipo MPG de 10 contactos con R1 – S1 y R2
– S2 normalmente abiertos y el resto normalmente cerrado.
Cable de control para señales análogas en sección 2,5 mm2
en color negro.
Cable de control para señales de control en sección 1,5 mm2
en color negro.
Borneras de conexión libre de mantenimiento marca WAGO.
Marcas para cables internos Brady
Fungibles menores (terminales de crimpado i/o ferrules,
amarras plásticas, bases plásticas adhesivas, etc)
2.4 Ingeniería de detalles
Se realizó la ingeniería tomando como base los planos existentes y en poder
del centro de despacho de EEPA, de los cuales se modificaron según el
siguiente detalle.
S/E Puente Alto
Número de plano
Descripción
A01-22-52a-2 V4 Diagrama unilineal 110 / 12 kV
A02-22-52b-3 Diagrama elemental de corriente alterna, 52H2 línea Costanera protecciones y medida
A02-22-52c-8 Diagrama elemental de corriente continua, 52H2 línea Costanera, control interruptor.
A02-22-52c-40 Diagrama elemental de corriente continua, controlador automático, controles y señalización
A02-22-52d-1 Diagrama de alambrado interno línea Costanera - Trafos 1/2 - SS/AA C.A.
A02-22-52d-2 Diagrama de alambrado interno PLC S/E PAL, Bastidor N°2.
S/E Costanera
Número de plano
Descripción
A02-23-52a-1 Diagrama unilineal 110 / 12 kVA02-23-52b-1 Diagrama elemental de corriente alterna, 52H2 línea
Costanera protecciones y medidaA02-23-52b-3 Diagrama elemental de corriente continua, 52H2 línea
Costanera, control interruptor.A02-23-52c-1 Diagrama elemental de corriente continua, controlador
automático, controles y señalizaciónA02-23-52c-5 Diagrama de alambrado interno línea Costanera - Trafos 1/2 -
SS/AA C.A.A02-23-52c-6 Diagrama de alambrado interno PLC S/E PAL, Bastidor N°2.A02-23-52c-7
A02-23-52c-12 A02-23-52d-1 A02-23-52d-2 A02-23-52d-4
2.5 Evaluación económica y financiera
El valor del proyecto para dejar implementado este sistema es de 1000 UF.
Esto incluyo 1semanas de trabajos de 2 especialistas y 2 ayudantes
separados en 2 grupos
A valor grupo de 35 UF por día considerando 10 horas por 1 de colación
En el valor total están incluidos materiales tales como:
Descripción Valor UF
Materiales 376
Mano de pobra 350
Ingeniería 274
Sub total 1000
12% gastos
generales
120
Sub total 1120
15% utilidad 168
Total 1288
IVA 244,72
1532,72UF
2.6 Análisis y discusión
Al hacer el análisis de la dedición de realizar este proyecto los
alumnos vieron toda la variante que pudiesen desviar su proyecto, desde los
aspectos legales, nomas, viabilidad económica y sustentabilidad en el tiempo.
Otro aspecto a discutir fue la necesidad de entregar al cliente un servicio post
venta dándoles seguridad y seriedad al proyecto.
El análisis de los costos de la implementación de este proyecto fueron
claves en la decisión, visto que estos son conocidos.
S/E Costanera
Relés de protección siemens 7SD611 115UF
Bornes, Marcas, Cables 56UF
Block de pruebas 16UF
Fibra Óptico 2UF
S/E Puente Alto
Relés de protección siemens 7SD611 115UF
Bornes, Marcas, Cables 55UF
Block de pruebas 16UF
Fibra Óptico 2UF
Capítulo 3 Resultados y Conclusiones
Nuestra política de servicio será enfocada a la satisfacción final del
cliente, enfocándonos en brindar un servicio de excelencia a este ya sea
durante instalación, post venta del este servicio, una comunicación periódica
con el cliente obteniendo feedback de la operación del producto, para así de
acuerdo a la información entregada por los mismos cliente realizarle mejoras al
servicio.
El proyecto tiene sus frutos y el resultado es este informe, el cual
grafica en forma practica el desarrollo de este mismo. Sumando a esto una
complejidad de implementación de grado medio, nos hace estar optimistas para
lograr el objetivo final.
Como beneficio adicional se menciona en el informe la necesidad de
poner en práctica los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera.
Como conclusión se destaca que esta rama de la electricidad (potencias)
es muy cotizada y tiene bastante campo laboral en grandes empresas, pero lo
más llamativo es que se puede emprender y ser un pequeño empresario.
Anexos de respaldo
A continuación se entregan los planos modificados por la incorporación
de los nuevos elementos de protección, como además un ajuste tentativo para
ambos extremos de las líneas considerando las potencias nominales y las
razones de transformación de los TTCC.
