COORDINACIÓN DE PROTECIONES EN CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN DE 13.8 kV DE LA C.A. ELECENTRO.

1. COORDINACIÓN DE PROTECIONES EN CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN DE 13.8 kV DE LA C.A. ELECENTRO. Autor: Br. Nasser Obeid Tutor Académico: Prof. A. Cepeda Tutor Industrial: Ing. C. Amaro

2. Contenido Introducción. Planteamiento del problema. Objetivo. Esquema Metodológico. Sistema Actual. Criterios de selección, ubicación y coordinación. Sistema Propuesto. Análisis Costo-Beneficio. Conclusiones y Recomendaciones.

3. Introducción Para llevar la energía eléctrica a los usuarios se necesita un sistema de potencia eléctrico el cual transporta la energía desde la fuente de recursos energéticos hasta los consumidores. Parece improbable que la tecnología pueda eliminar totalmente la posibilidad de fallas. Dada la imposibilidad de diseñar un Sistema de Potencia Eléctrico para que nunca se presente una falla, hay que implementar métodos para detectar las fallas y disminuir los efectos perjudiciales sobre el sistema y los usuarios. En este proyecto se hace un estudio de la situación en la cual se encuentran actualmente los sistemas de protecciones de las dos (2) subestaciones y los tres (3) circuitos bajo estudio y sus posibles mejoras.

4. Planteamiento del problema Debido al incremento excesivo de cargas y al hecho de que no hubo una buena planificación de las redes de distribución, por lo cual el crecimiento ha sido desordenado, ocurren fallas con pérdidas de selectividad y falta de seguridad. Estos constantes cambios que se hacen a la red original, trae como consecuencia la alteración de sus variables de diseño,exponiendo a los dispositivos de protección a percibir valores instantáneos de los parámetros del circuito, diferentes de los originales y que por la sensibilidad de los mismos y características de coordinación pueden dispararse, desconectando innecesariamente sectores de importancia.

5. Objetivo Revisar los ajustes y coordinación existentes en los tres (3) circuitos bajo estudio e implementar mejoras a los mismos, para así obtener una operación confiable, segura y rápida de estas redes de distribución eléctrica al ocurrir una falla, cumpliendo al mismo tiempo con la normativa de calidad de servicio que exige la nueva Ley Eléctrica Nacional.

6. Esquema Metodológico Revisión Bibliográfica. Levantamiento del sistema eléctrico. (Diagramas Unifilares) Obtención de los datos. Procesamiento y tratamiento de la información. Estudio de Cortocircuito. Verificación de las capacidades de interrupción de los equipos de protección. Selección de esquemas, criterios de ubicación y ajustes de los equipos de protección.

7. Sistema Actual DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA S/E SOCO. Ubicación: Estado Aragua, Ciudad de La Victoria. Tipo: Nodal II (115TD). 115/13.8 kV. Factor de Utilización(F.U): 0.56 Capacidad: 70 MVA distribuidos en tres (3)transformadores de potencia. Suministra energía a 11 circuitos de 13.8 kV, distribuidos en 3 Barras.

8. Sistema Actual Coordinación Disyuntor-Disyuntor Se debe cumplir que: T D2 ≥ T D1 + IC, donde IC = 0.4 s.

9. Sistema Actual Gráficas de coordinación de protecciones actuales en la S/E Soco con salida de línea del circuito Zuata. ( Relés de fases) 1. TMD. Fusible Tipo K. 40 A. 7 1 2. Salida de Línea del disyuntor D1. 4 5 3. Relé del Disyuntor D3. 6 3 2 4. Relé del Disyuntor D2. 5. Relé del Disyuntor D4. 6.Relé del Disyuntor D5. 7. Curva de daño del transformador de Potencia.

10. Sistema Actual • DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL CIRCUITO ZUATA • S/E a la que pertenece: SOCO • Capacidad instalada: 19424.5 kVA. • Longitud de línea aproximada: 78 Km. • Construcción: Aérea. • Estructura: Radial con posibles interconexiones a la hora de una emergencia o mantenimiento. • Corriente de Máxima Carga (Ic máx): 380 A. (RMS) • Calibre del Conductor de la Troncal: 4/0 Arvidal, 4 Cu trenzado, 2/0 Arvidal. • Relación del TC: 400/5 • Scc3f (13.8 kV): 347.76 MVA • F.P: 0.934 • F.U: 0.436 • Tipo de Carga que Alimenta: carga rural 55%, carga agrícola agropecuaria 35%, carga comercial 5% y carga industrial 5%.

11. Sistema Actual Sistema de protección del circuito Zuata • Fusible-Fusible 2. Disyuntor-Fusible

12. Sistema Actual Coordinación fusible-fusible 2 1 1. Fusible tipo K, 30 A. “Tiempo Máximo de despeje” 2. Fusible tipo K, 40 A. “Tiempo Mínimo de fusión”

13. Sistema Actual Coordinación disyuntor-fusible (fallas entre fases) 1 2 1. Fusible tipo K, 40 A. “Tiempo Máximo de despeje” 2. Salida de línea disyuntor D1.

14. CRITERIOS Criterios de Selección. • Deben tener una tensión nominal mayor o igual a la del sistema. • La corriente nominal debe ser seleccionada mayor o igual que la corriente máxima de carga de la zona donde se ubique. • La capacidad de interrupción debe ser mayor o igual que la máxima corriente de falla que pueda ocurrir dentro de su zona de protección.

15. CRITERIOS Criterios de Selección. • RECONECTADORES • Sucorriente mínima de disparo debe ser capaz de detectar la mínima corriente de falla que se produzca en su zona protegida. • SECCIONALIZADOR • El mínimo valor de su corriente actuante debe ser menor a la corriente mínima de falla que pueda ocurrir dentro de su zona de protección. • FUSIBLES • La característica de tiempo total de despeje del fusible debe ser más rápida que la curva de daño del equipo protegido. • No debe operar para la corriente I inrush, ni para la corriente de restablecimiento en frío.

16. CRITERIOS Criterios de Ubicación. • Estudio de estadísticas de falla. (Variable que depende de cada circuito). • Consideración de cargas importantes. (Variable que depende de cada circuito). • Accesibilidad y maniobrabilidad de los equipos de protección. En lugares donde se pueda hacer fácilmente un mantenimiento periódico del equipo, siempre y cuando corresponda con la coordinación. (Variable que depende de cada circuito ).

17. CRITERIOS Criterios de Ubicación. Reconectadores • Alimentadores >15 km de longitud. • Cargas especiales. Seccionalizadores • Ramales >3 km de longitud. • Alta densidad de fallas de naturaleza temporal. Fusibles. • Ramales con cargas monofásicas.

18. CRITERIOS Criterios de Ajustes. Ajustes del Relé de sobrecorriente (N-45-87CADAFE) • Relés de Fases: • Unidad temporizada. TAP>1.25*(Icarga_máx)/RTC. • Unidad instantánea: 4*(Icarga_max)/RTC • Relés de tierra: • Unidad temporizada. TAP>0.3*(Icarga_máx)/RTC. • Unidad instantánea: 2*(Icarga_max)/RTC

19. CRITERIOS Criterios de Coordinación. • Coordinación disyuntor-disyuntor (entre relés de sobrecorriente). • Coordinación disyuntor - fusible (relé de sobrecorriente y fusible). • Coordinación entre fusibles. • Coordinación disyuntor-reconectador (relé de sobrecorriente y reconectador). • Coordinación reconectador-fusible. • Coordinación reconectador-seccionalizador. • Coordinación reconectador-seccionalizador-fusible.

20. Como los únicos medios de protección que presentan estos circuitos son: Disyuntor-Fusible y Fusible-Fusible, los cuales traen muchas desventajas entre las cuales tenemos: Sistema Propuesto • Cortes del sistema totalmente innecesarios. • Es muy costoso para la empresa enviar un equipo de reparación, frecuentemente, a gran distancia para reponer un fusible. Justificación • Al ocurrir una falla en la troncal queda fuera de servicio todo el circuito. Allí es donde se puede apreciar la necesidad del Reconectador y sus sobresalientes ventajas del principio de apertura-recierre.

21. Sistema Propuesto Beneficios de la propuesta • Evita interrupciones prolongadas por fallas “temporales”. • Elimina cortes de energía prolongados. • Evita que toda la carga instalada quede fuera cuando se presentan fallas permanentes en la zona de protección del reconectador. • Los nuevos esquemas de protecciones discriminan entre una falla temporal y una permanente. • Elimina llamadas al equipo de reparaciones que hubieran sido requeridos si los circuitos estuviesen protegidos por fusibles. • El ahorro de costo por una menor cantidad de llamadas al equipo de reparación.

22. Sistema Propuesto Circuito Zuata Se propuso instalar un (1) Reconectador y dos (2) Seccionalizadores en este circuito. También cambiar los fusibles existentes por otros de mayor capacidad para así obtener un circuito más seguro, confiable y rápido. Bajo estos nuevos esquemas de protección se verá claramente la restauración automática del servicio eléctrico en los sectores afectados por la falla temporal y se aprecia el aumento significativo de los kVA recuperados al ocurrir una falla permanente en la zona de protección del Reconectador. Todo esto sin necesidad de traslado de personal ni realización de maniobras en el sistema.

23. Sistema Propuesto Sistema de protección del circuito Zuata Esquema de protección actual • Fusible-Fusible • Disyuntor-Fusible Esquema de protección Propuesto • Disyuntor-Reconectador • Reconectador-Fusible. • Reconectador-Seccionalizador • Reconectador-Seccionalizador-Fusible

24. Sistema Propuesto Coordinación Reconectador-Fusible Coordinación Reconectador-Fusible, con fusible EXISTENTE 2 1 • Curva mínima de fusión, fusible de 20K • Curva de máximo despeje, fusible de 20K • Curva rápida del reconectador. • A1. Curva rápida del reconectador * 1.35 • B. Curva retardada del reconectador. B A A1 Coordinación Reconectador-Fusible, con fusible PROPUESTO 2 1 • Curva mínima de fusión, fusible de 65K • Curva de máximo despeje, fusible de 65K • Curva rápida del reconectador. • A1. Curva rápida del reconectador * 1.35 • B. Curva retardada del reconectador. B A1 A

25. Análisis Costo Beneficio Estudio de Costos En este costo promedio se encuentran incluidos, los costos de los equipos de protección, mano de obra y materiales utilizados para el montaje. Costo de instalación de un Reconectador KFE: 27.462.500 Bs Costo de instalación de un seccionalizador GN3E: 12.567.968 Bs Costo de instalación de 3 cortacorrientes (Fusibles): 1.042.422Bs Costo total del sistema propuesto; circuito Zuata Costo total aproximado 52.598.436 Bs.

26. S/E Circuito Pérdidas anuales estimadas por interrupción del sistema actual (Bs) Pérdidas anuales estimadas por interrupción del sistema propuesto (Bs) Beneficio del sistema propuesto, por energía dejada de vender. (Bs) Análisis Costo Beneficio Soco Zuata 10.615.384 3.715.384 6.899.999 ESTIMADO DEL COSTO ANUAL DE LA ENERGÍA DEJADA DE VENDER ACTUALMENTE PARA EL CIRCUITO ZUATA; S/E SOCO Beneficio del sistema propuesto

27. Análisis Costo Beneficio La propuesta trae otros beneficios económicos, adicionales al mencionado anteriormente, tales como: Ahorro por menores gastos en vehículos, personal y materiales debido a una disminución en la cantidad de llamadas al equipo de reparaciones, frecuentemente, a gran distancia para reponer un simple fusible fundido. Estos beneficios económicos adicionales representan aproximadamente 2.400.000 Bs anuales por circuito. Así se obtiene que el beneficio económico global (aproximado) del sistema propuesto para cada circuito sea:  Beneficio circuito Zuata, S/E Soco: 9.299.999 Bs

28. Análisis Costo Beneficio TIEMPO APROXIMADO DE RETORNO DE LA INVERSIÓN. Como el beneficio del sistema propuesto fue de 9.299.999 Bs/AÑO, se lleva esta cantidad de dinero al valor presente, obteniendo 7.153.846 Bs/AÑO. por consiguiente el tiempo aproximado de retorno de la inversión (T.R.I.) es: T.R.I. = (52.598.436 Bs.) / (7.153.846 Bs/AÑO) = 7.35 AÑOS

29. Conclusiones • En el presente trabajo se refleja claramente que el sistema bajo estudio no poseen una adecuada coordinación de protecciones, que le permita una buena selectividad, confiabilidad, seguridad, sensibilidad y velocidad, en el momento de despejar una falla. • Los esquemas de protecciones actuales exponen al sistema a fallas con pérdidas de selectividad y falta de seguridad. • Con el sistema propuesto en este trabajo se minimiza la posibilidad de daños severos en los equipos protegidos logrando una adecuada coordinación entre los diferentes equipos de protección del circuito y la subestación.

30. Conclusiones • Con el sistema propuesto se divide el circuito en varias zonas de protección, obteniendo una operación más confiable, selectiva, segura y rápida de estas redes de distribución eléctrica al ocurrir una falla. • Estos nuevos esquemas de protección seleccionados aíslan únicamente la parte fallada quedando el resto del circuito en servicio. Ellos producen despejes trifásicos de fallas, aunque las cargas servidas en su mayoría son de tipo residencial. • Los beneficios que se generan con esta propuesta reflejan la vialidad de la implantación, por lo que se determina conveniente la ejecución de la alternativa planteada.

31. Recomendaciones • Realizar la propuesta planteada, lo más pronto posible, para así evitar eventuales daños que se pueden presentar en el sistema, ya que como se encuentra actualmente no es muy confiable ni selectivo. • Cuando se realizan las operaciones de transferencia de carga de un circuito a otro, se debe tener mucho cuidado con los equipos de protección (Reconectadores ySeccionalizadores) Se recomienda realizarles un by pass, para evitar dañarlos. • Mantenimiento continuo de los circuitos donde las podas realizadas sean bien ejecutadas y sobre todo especial mantenimiento al sistema de protección.