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JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012

ANÁLISIS DE LA TENSIÓN TRANSITORIA DE RESTABLECIMIENTO DE LA SUBESTACIÓN CHILCA 500kV Genaro Susanibar Celedonio Especialista de Estudios Eléctricos Departamento de Operaciones Red de Energía del Perú S.A. ISA-REP [email protected]

CATEGORÍA: Estudios de Sistemas de potencia RESUMEN En la periferia de Lima, en la zona de Chilca, se ha concentrado una cantidad importante de oferta de generación térmica, debido a la facilidad de la zona y el acceso al suministro de gas natural proveniente de Camisea, que es un combustible de bajo costo respecto de los otros derivados del petróleo. Con la finalidad de distribuir la oferta de generación hacia la zona de Lima se dispuso de tres ternas en 220kV con una capacidad de 350MVA por terna. Sin embargo, para el 2010, se apreciaban problemas de sobrecargas en las redes de transmisión. Para solucionar los problemas de sobrecarga e incremento de generación en la zona de Chilca, se instaló dos ternas adicionales en 220kV de 350MVA cada uno (preparados para llevarlos a 500kV) y una terna adicional de 500kV de 1400MVA, siendo la primera red de 500kV en el país. Se realizó el estudios de operatividad para el ingreso en operación de las instalaciones de: La línea Chilca – Planicie – Carabayllo en 220kV de 350 MVA cada una, la línea Chilca – Carabayllo 500kV de 1400MVA, la modificación de la línea Huayucachi – Zapallal 220kV de 152MVA para dar lugar al enlace Huayucachi – Carabayllo 220kV de 152MVA y la línea Carabayllo – Zapallal en doble terna 220kV de 800MVA cada uno. Parte de los estudios de operatividad fue el análisis de la tensión transitoria de restablecimiento, conocido por sus siglas en inglés como TRV. Se realizó el análisis de TRV en los interruptores de las redes involucradas y se observó problemas en la SE de Chilca 500kV. Asimismo, en la subestación de Huayucachi 220kV se encontraron problemas en los interruptores de potencia para superar los picos de TRV. En el presente informe se realiza un análisis detallado de los problemas encontrado en los interruptores de 500kV de la SE Chilca para superar el fenómeno de TRV, asimismo se hace referencia de manera puntual al problema encontrado en la SE Carabayllo 220kV para soportar los picos de TRV. PALABRAS CLAVES. Capacidad de Cortocircuito, Interruptor de Potencia, Tensión Transitoria, Falla kilométrica, Subestaciones.

INTRODUCCIÓN

Transmantaro ganó el concurso para la concesión del mencionado proyecto.

Para satisfacer la creciente demanda de energía del área de Lima, el Ministerio de Energía y Minas (MEM) sacó a concurso proyectos de líneas de transmisión y subestaciones. Uno de estos proyectos fue la línea Chilca – Planicie – Carabayllo 220kV en doble terna de 350MVA cada uno (preparado para 500kV) y la línea Chilca – Carabayllo 500kV en simple terna de 1400MVA y subestaciones asociadas. El consorcio

La línea Chilca – Carabayllo 500kV es el primer circuito en ese nivel de tensión, y dada la importancia del circuito, se realizó todos los estudios de transitorios electromagnéticos previo a su operación. Uno de estos estudios fue el análisis de la Tensión Transitoria de Restablecimiento. En el presente trabajo se muestra los resultados de las simulaciones de la Tensión Transitorias de 1

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Carabayllo en simple terna y Carabayllo – Zapallal en doble terna, se tuvo que analizar los fenómenos de TRV en los interruptores de Huayucachi 220kV. Se encontró problemas en el soporte de TRV del interruptor de Huayucachi 220kV pese a que el nivel de cortocircuito está cerca del 10% de la capacidad del interruptor (35kA).

Restablecimiento en la subestación de Chilca 500kV. La fijación en esta subestación se debe a que concentra gran número de unidades de generación térmica y niveles altos de corriente de cortocircuito. Asimismo, debido a que se tuvo que cambiar la trayectoria de la línea Huayucachi – Zapallal 220kV de 152MVA a la línea Huayucachi – Carabayllo 220kV de la misma capacidad, se tuvo que realizar los estudios de TRV en las subestación de Huayucachi. Los resultados muestran problemas para superar los picos de la tensión transitoria de restablecimiento.

1.2

En el presente artículo se revisa el fenómeno de TRV en el interruptor de 500kV para fallas trifásicas en el borne del interruptor y fallas monofásicas en las cercanías del interruptor. Se analiza también el fenómeno de TRV en el interruptor de Huayucachi 220kV para fallas trifásicas en el borne del interruptor.

Se tuvo que utilizar al máximo las recomendaciones de las normas internacionales para que la capacidad de los interruptores de Chilca 500kV puedan ligeramente superar la tensión transitoria de restableciendo.

A partir del resultado, dar las recomendaciones para evitar problemas en la operación en la red de 500kV.

Se espera que con el ingreso de nuevos proyectos se incremente la capacitancia equivalente en la red de 500kV y disminuya los picos de la tensión transitoria de restablecimiento. 1. 1.1

OBJETIVOS

2. 2.1

ANÁLISIS DE LA PROBLEMÁTICA

TENSIÓN TRANSITORIA RESTABLECIMIENTO (TRV).

DE

BREVE DESCRIPCION

La TRV es la tensión que aparece entre los bornes de un polo del interruptor luego de interrumpir una falla durante unos pocos microsegundos, luego del cual sería una tensión a frecuencia de la red.

PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA

Las nuevas líneas de transmisión en 220kV y 500kV y la expansión de generación en la zona de Chilca han incrementado los niveles de cortocircuito cerca de la capacidad de soporte de la S.E. Chilca REP en 220kV (40kA). En el lado de 500kV, al inicio de su operación, la corriente de cortocircuito está limitado por el transformador de potencia 500/220/33kV de 600MVA con una reactancia de cortocircuito de 16.3%, por lo que una falla trifásica en bornes del interruptor de potencia de 500kV estará limitado alrededor del 10% de su capacidad de soporte (40kA) sin embargo en el mediano plazo está programado el ingreso de nueva generación y líneas de transmisión en la barra de 500kV lo que incrementará la corriente de cortocircuito en bornes del interruptor de Chilca por encima del 30% de su capacidad de soporte. La capacidad de de soporte de los picos de TRV así como la pendiente de crecimiento disminuyen con el crecimiento de la corriente de cortocircuito. En este escenario se analizó la capacidad de soporte de TRV de interruptor de Chilca 500kV.

El proceso de la TRV inicia cuando el arco al interior del interruptor se debilita al aproximarse al cruce por cero de la corriente de falla. Luego del cruce por cero, al extinguirse la corriente, aparece el TRV entre los bornes del interruptor. El interruptor tendrá éxito siempre y cuando pueda soportar el TRV. Las TRVs pueden ser oscilatorio, exponencial o triangular o combinaciones de estas formas. La TRV oscilatorio o exponencial más severa ocurre en el primer polo que apertura el circuito ante una falla trifásica en sus terminales, cuando la tensión es máxima. El caso de la forma triangular está asociado a fallas en la línea cerca del interruptor, la tasa de crecimiento de la TRV es alta, aunque los picos del TRV decrecen. La falla que se simula es el de tipo monofásico. De acuerdo a normas, el valor del TRV se puede obtener durante la interrupción por un interruptor ideal sin tensión de arco. Es decir, la impedancia del interruptor cambia de cero al infinito luego del cruce por cero.

Por otro lado, al interrumpir la línea Huayucachi – Zapallal, para dar lugar al enlace Huayucachi – 2

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2.2

TIPOS DE FORMAS DE LA TRV

Las características de la TRV del sistema son complejas y requieren de herramienta computacional para simular los casos de TRV. El software utilizado es el ATP/EMTP debido a su uso libre y amplia experiencia. La predominancia de las formas de la TRV puede ser exponencial, oscilatoria o triangular.

Fuente: tomado de [1] Figura 3: Característica triangular de la TRV

Las fallas cerca del interruptor (Fallas kilométricas) muestran una característica como la mostrada en la figura 3. La impedancia característica Z de la línea determina la naturaleza de la TRV. La tasa de crecimiento de la TRV es generalmente mayor que la TRV oscilatoria o exponencial. El tipo de falla que se modela es la monofásica. Para todas las formas de TRV, el interruptor debe cubrir tanto el crecimiento de la TRV como sus valores picos.

Fuente: tomado de [1]

2.3

Figura 1: Característica exponencial de la TRV

Una forma típica exponencial de la TRV se muestra en la figura 1. Este TRV aparece cuando al menos un transformador y una línea están conectados del lado no fallado del interruptor y despeja una falla trifásica en bornes (terminal) del interruptor.

CAPACIDAD DEL INTERRUPTOR

La capacidad de soporte de la TRV está dada por la norma IEC 62271-100. La característica de soporte de los interruptores están definidos por dos y cuatro parámetros. Para interruptores de alta tensión y corriente de cortocircuito superior al 30% de su capacidad nominal tienen una característica definida por cuatro parámetros. Cuando la corriente de cortocircuito es menor que el 100% de su capacidad del interruptor (T100), puede soportar mayor TRV. Tenemos curvas características definidas para el 60% (T60), 30% (T30) y 10% (T10) de la corriente nominal del interruptor. En la figura 4 se muestra la capacidad de soporte de TRV del interruptor de 550kV para fallas trifásicas en terminales. Los valores fueron obtenidos de [2]. Se aprecia que conforme la corriente de cortocircuito disminuyes respecto de su nominal, la capacidad de soporte de la TRV se incrementa tanto en el valor pico como en la tasa de crecimiento de la TRV. Es posible interpolar la curva para valores intermedios de la corriente de cortocircuito.

Fuente: tomado de [1] Figura 2: Característica oscilatoria de la TRV

La característica oscilatoria mostrada en la figura 1 ocurre cuando la falla trifásica es limitada por un transformador o un reactor serie y no hay impedancias de líneas o cables para proporcionar amortiguamiento. En la subestación de Chilca 500kV, al inicio de la operación tendrá solo un transformador detrás del interruptor la característica del TRV será oscilatoria. En el mediano plazo, se conectarán líneas y tendremos una característica exponencial.

Para fallas kilométricas (a corta distancia del interruptor) se realizan fallas monofásicas cuya características es una tasa de crecimiento rápido del TRV aunque con menores valores picos de TRV respecto de las fallas en bornes del 3

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interruptor.

una falla trifásica a tierra. En la tabla 1 se muestra los factores de cada pole para el despeje de una falla trifásica a tierra.

Interruptor 550kV 1200

1000 800

kV

600 400

Fuente: Tomado de [1]

Tabla 1:

200

Factor de cada polo para despeje de falla trifásica a tierra.

0 0

200

400

600

800

El valor del factor de primer polo influye en el diseño del interruptor ya que el pico del TRV se calcula de la siguiente manera:

1000

us

T10

T30

T60

T100

Fuente: tomado de [2] Uc  kpp* kaf *

Figura 4: Capacidad del interruptor de 550kV

FACTOR DE PRIMER POLO

…. (2)

Es decir, un incremento en el valor del kpp significará un incremento en el valor pico de la TRV del interruptor. Para sistemas aterrados de alta tensión se especifica un kpp de 1.3, lo cual cubre fallas trifásicas a tierra. En el caso de ocurrir fallas trifásicas que no involucren tierra podría requerirse un valor de kpp de 1.5 pero esta falla no es frecuente y la norma IEC no los considera.

El factor de primer polo está definido por: 3Xo X1  2Xo

* Ur

Uc . Valor pico de la TRV Kaf : es el factor de amplitud (valor típico de 1.4 y 1.7 para 100% y 10% de la corriente de cortocircuito nominal del interruptor) Ur: Máxima tensión de servicio del sistema.

El factor de primer polo es una función de la puesta a tierra del sistema. Es la razón de la tensión a la frecuencia del sistema a través del polo del interruptor antes que se interrumpa la corriente en los otros polos, y la tensión a frecuencia del sistema que ocurre en los otros polos después de la interrupción en todos los otros polos.

kpp 

3

Donde:

Los valores de capacidad del interruptor de 550kV están dados para el caso del T10, para un Factor de primer polo (kpp) de 1.5 y para el resto de los casos con un kpp de 1.3. 2.4

2

3.

… (1)

APLIACIONES DE CASOS DE TRV

Se tiene dos casos de aplicaciones de TRV en alta tensión:

Donde: kpp: Factor de primer polo Xo : Impedancia de secuencia cero de la red X1 : Impedancia de secuencia positiva de la red



Subestación Huayucachi 220kV



Subestación Chilca 500kV

3.1 Entonces:

SUBESTACIÓN HUAYUCACHI 220KV

La subestación Huayucachi 220kV tiene dos segmentos de línea, una que viene desde Mantaro con 77km de distancia y otra que se dirige a Carabayllo con 244km de distancia, ambas en 220kV. Asimismo detrás del interruptor de Huayucachi 220kV se tienen dos transformadores de potencia de 30MVA cada uno.

Si Xo >> X1, como en un sistema aislado, entonces: Kpp = 1.5 Si Xo = 3.0 X1, como un sistema efectivamente puesto a tierra: Kpp = 1.3 Los otros polos, también tienen un factor luego de

Se simuló fallas trifásicas en bornes del interruptor 4

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3.2

que mira hacia Carabayllo y se obtuvo lo siguiente para el primer polo:

Se realizó simulaciones de fallas trifásicas en bornes del interruptor de potencia de Chilca sobre la línea Chilca – Carabayllo 500kV y se tuvo el siguiente resultado:

TRV - Huayucachi 220kV - Falla terminal

Kpp = 1.5

500

SUBESTACIÓN CHILCA 500KV

400

kV

TRV - Chilca 500kV - Falla terminales

Kpp = 1.3

300

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

200 100

-100

0

500

1000

1500

kV

0

2000

us T10 (kpp = 1.5)

T10 (kpp = 1.3)

Fuente: tomado parcialmente de [5] Figura 4: Falla terminal en Huayucachi 220kV

0

200

400

600

800

1000 us

La figura 4 muestra la TRV para una falla trifásica a tierra en terminales del interruptor de Huayucachi 220kV que mira hacia Carabayllo. Se muestra la capacidad del interruptor para un 10% de la capacidad de cortocircuito del interruptor para un kpp de 1.3 y 1.5. Se debe precisar que la corriente de falla trifásica a través del interruptor está alrededor del 10% de su capacidad.

T30

T60

Fuente: tomado parcialmente de [5] Figura 5: Falla terminal en Chilca 500kV

La figura 5 muestra los resultados de la TRV para una falla trifásica en bornes del interruptor sobre la línea Chilca – Carabayllo. El resultado muestra que el interruptor supera los picos de TRV dado que la corriente que pasa por el interruptor es menor al 30% de su capacidad de cortocircuito. Esta simulación fue realizada considerando una capacitancia total por equipos de 30000pF.

El valor pico supera la capacidad del interruptor para un factor de primer polo de 1.3, ya que el interruptor fue diseñado para un factor de kpp de 1.3 (se ve en la placa del interruptor). Asimismo, se graficó la capacidad del interruptor para el caso que fuese de un kpp de 1.5. En este caso, el interruptor podría superar sin problemas el valor pico de la TRV.

En el caso que se hiciera uso de la curva T60 (60% de la capacidad de cortocircuito del interruptor), el interruptor no superaría los picos de TRV. En la subestación Chilca, se tiene previsto en el mediano plazo conectar fuentes de generación en la barra de 500kV y además, conectar la línea Chilca – Marcona 500kV, los cuales incrementarán el nivel de cortocircuito y los resultados de la TRV será modificado.

Se consultó a diferentes fabricantes sobre la capacidad de los interruptores sobre la TRV, la respuesta que se obtuvo es que los interruptores de 220kV se construyen para un kpp de 1.5 y sirve para ser utilizado en un sistema con kpp = 1.3. Es decir, no hay diferencias entre un interruptor de kpp 1.5 y kpp 1.3 dado que lo construyen para la máxima exigencia de la norma.

Es necesario medir los niveles de capacitancia de la subestación Chilca 500kV para tener un adecuado modelo de la red. La capacitancia de los equipos fue obtenido de [1] y se utilizó valores promedios.

Entonces, la capacidad del interruptor de Huayucachi 220kV estaría superando ligeramente los picos de TRV para fallas trifásicas a tierra en terminales del interruptor. Sin embargo, será necesario verificar los niveles de TRV ante incrementos de cortocircuito en la barra de 220kV o ampliaciones de la capacidad de transformación en la subestación de Huayucachi.

Consultado el fabricante sobre los valores de kpp en 500kV, mencionan que los interruptores de 500kV se construyen para un kpp de 1.3, es decir no tienen capacidad adicional como ocurre en el caso de los interruptores de 220kV. 5

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Se realizó también simulaciones de fallas monofásicas (Falla kilométrica) sobre la línea Chilca – Carabayllo 500kV y se obtuvo el siguiente resultado:

el caso de requerirse mayores niveles de kpp será necesario utilizar un interruptor de mayor tensión o colocar equipamiento adicional para disminuir los valores de TRV. Los interruptores de Chilca 500kV soportan los valores de TRV apelando a la capacidad adicional del interruptor por niveles de cortocircuito menores al 30% de su valor nominal.

TRV - Chilca 500kV - Falla kilométrica

1200 1000 800

Debido a planes de conexión en la barra de 500kV de Chilca, será necesario analizar el fenómeno de TRV para los nuevos cambios de topología

kV

600

400

Se recomienda medir los valores de capacitancia de la SE de Chilca 500kV para tener un modelo de mayor certidumbre.

200 0 0

500

1000

5. REFERENCIAS

us T30

T10

T60

[1] IEEE Power Engineering Society – IEEE Application Guide for Transient Recovery for AC High – Voltage Circuit Breakers – Diciembre 2005.

Fuente: tomado parcialmente de [5] Figura 6: Falla en la línea Chilca-Carabayllo 500kV

[2] IEC 62271-100 Internactional Standard – High Voltage Swutchgear and controlgear – Part 100: Alternating – current circuit breakers, edition 2.0 2008

En la figura 6 se muestra el caso de una falla monofásica sobre la línea Chilca – Carabayllo 500kV cerca de la subestación Chilca (falla kilométrica). El resultado muestra que el interruptor soporta la TRV, tanto el valor pico como la tasa de crecimiento ya que los niveles de cortocircuito están por debajo del 30% de su capacidad de soporte del interruptor. En el caso de tener un cortocircuito cerca del 60% no hubiera sido posible superar los problemas de TRV.

[3] R.W. Alexander, PPL, Senior Member IEEE y D. Dufournet, Alstom T&D, Senior Member IEEE – Transient Recovery Voltage (TRV) for High Voltage Circuit Breakers. [4] Dr. Bruce Mork – Power System Transients Effects of Transient Recovery Voltages on Circuit Breaker Ratings - Set 2008.

Con los planes de generación y transmisión en la SE de Chilca 500kV, se incrementará los niveles de cortocircuito y será necesario analizar los problemas de TRV. Asimismo, será necesario medir los niveles de capacitancia de la subestación Chilca 500kV para tener un modelo con mayor certidumbre.

[5] ISA - Coordinación Estudios de Operación – Estudios de Transitorios Electromagnéticos, Estudio de Operatividad Proyecto Centro Noviembre 2010. [6] ABB – High Voltage Products, Interruptores de Tanque Vivo – Guía del comprador. Edición del 2005

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

HOJA DE VIDA DEL AUTOR

Los interruptores de 220kV (Um 245kV) se construyen para un valor de kpp de 1.5 y sirven para un sistema de aterrado en el que se especifica un kpp de 1.3. Este interruptor puede soportar mayores picos de TRV que el seleccionado, como el que ocurrió con el interruptor de 220kV de Huayucachi.

Genaro Susanibar Celedonio Ingeniero Electricista Universidad Nacional de Ingeniería, Posición Actual: Ingeniero Especialista de Estudios Eléctricos, Departamento de Operaciones. REP-Perú.

Los interruptores de 500kV se diseñan para un kpp de 1.3 pues se considera un sistema aterrado. En 6