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DESCONEXIÓN Y CONEXIÓN DE PTs APLICANDO METODOLOGÍA DE TcT

William Hernán Santana Achury

Especialista Gestión de Equipos Subestaciones Subestaciones

Dirección Gestión Mantenimiento ISA – Colombia

whsantana@isa.com.co

Iván Alberto Sanín Rincón Analista Gestión Mantenimiento

Subestaciones Dirección Gestión Mantenimiento

ISA – Colombia iasanin@isa.com.co

RESUMEN

Dentro de la dinámica de los mercados de energía mundiales, el ente regulador busca permanente garantizar

el suministro de energía eléctrica de forma continua y eficiente, con el fin de optimizar el uso de los recursos

eléctricos y energéticos disponibles. Colombia no escapa a esta realidad y un claro ejemplo es la entrada en

vigencia de la resolución CREG 011, por ello ISA considera como punto estratégico el desarrollo permanente

de nuevos y mejores procedimientos de mantenimiento en vivo (TcT), que permitan realizar la mayor cantidad

de actividades de mantenimiento sin interrumpir el suministro de energía en el país. El presente artículo,

describe los fundamentos del procedimiento desarrollado por ISA para la desconexión y conexión de

Transformadores de Potencial de cuerpo capacitivo (PTs) aplicando metodología TcT.

PALABRAS CLAVES.

Trabajos con Tensión (TcT), Mantenimiento en vivo, Procedimientos TcT, EMTP-ATP, Mantenimiento

transformadores de potencial de cuerpo capacitivo (PTs).

INTRODUCCIÓN

Como estrategia de innovación orientada al fomento de la Rigurosidad y Excelencia, el grupo de TcT de ISA

ha desarrollado permanentemente estudios y análisis eléctricos para la creación y optimización de

procedimientos de mantenimiento en vivo. Inicialmente estos procedimientos fueron enfocados en el

mantenimiento a equipos pasivos (cables, herrajes, bajantes de barra a seccionadores, correcciones de

puntos calientes en subestaciones, cambios de cadenas de aisladores) y actualmente con el desarrollo del

“ANÁLISIS DE DESCONEXIÓN DE EQUIPOS DE PATIO EN SUBESTACIONES DE ALTA Y EXTRA ALTA

TENSIÓN UTILIZANDO METODOLOGÍA TcT”, el grupo de TcT de ISA tiene como meta desarrollar, validar y

optimizar procedimientos de desconexión y conexión aplicados directamente sobre los equipos de patio.

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Como primera etapa de este análisis, se ha desarrollado el estudio eléctrico asociado a la desconexión y

conexión de transformadores de potencial y pararrayos utilizando metodología TcT. Con base en él, se ha

evaluado la factibilidad de implementar dichos procedimientos visualizando el nivel de riesgo asociado al

personal ejecutor y el impacto que las maniobras de TcT generarían sobre el equipo.

El presente artículo, se centra en la descripción del trabajo realizado entorno al desarrollo de la metodología

para la desconexión y conexión de transformadores de potencial aplicando metodología TcT y su aplicación

sobre los PTs de barra de la subestación San Bernardino 230kV.

1. ESTRUCTURA GENERAL DEL ANÁLISIS DE DESCONEXIÓN Y CONEXIÓN DE EQUIPOS DE PATIO

EN SUBESTACIONES DE ALTA Y EXTRA ALTA TENSIÓN UTILIZANDO METODOLOGÍA TCT

1.1. Estudio Eléctrico

El proceso de desconexión y conexión de equipos de patio, aplicando metodología TcT, implica la presencia

del fenómeno de arco eléctrico en aire. Éste se origina por el cambio de potencial en el elemento que se está

conectando o desconectando. En el proceso de desconexión, el arco eléctrico tiene un tiempo de duración

que depende de las condiciones atmosféricas (H%, a.s.n.m) y la presencia de corrientes capacitivas en la

maniobra. Esto hace que sea indispensable evaluar el nivel de criticidad del proceso bajo las condiciones

atmosféricas y eléctricas asociadas al equipo que se desea intervenir. En 1983 Nakamichi [1] desarrolló un

modelo matemático, a partir de la teoría cinética de los gases, para describir el comportamiento del arco

eléctrico en función de los parámetros del medio donde se genera. En 2008, se desarrolló el modelo de arco

eléctrico en ATP [2] a partir del modelo presentado por Nakamichi. El modelo en ATP contempla condiciones

atmosféricas estándar, 25°C de temperatura ambiente y humedad relativa de 75%.

Adicionalmente, para realizar el análisis de desconexión y conexión, es necesario modelar el comportamiento

eléctrico de los equipos a intervenir. Para ello, es necesario identificar los parámetros asociados a su circuito

equivalente a partir de sus especificaciones técnicas. Una vez se conoce el modelo eléctrico del equipo a

intervenir, el análisis se centra en combinar éste con el modelo de arco eléctrico para visualizar la presencia

de sobretensiones, sobrecorrientes ó algún otro fenómeno transitorio que ponga en riesgo la seguridad del

grupo ejecutor, del equipo y el sistema. Los resultados del proceso de simulación se analizan junto a personal

de ISA, especialista en equipos de alta tensión.

1.2. Estudio Mecánico

Una vez se ha realizado el estudio eléctrico del procedimiento de conexión y desconexión, el análisis se

centra en la identificación de riesgos asociados al sistema mecánico del equipo y sus conexiones de alta

tensión. A través de este estudio, se visualiza la condición de carga mecánica a la que estarían sometidos los

conectores, barrajes, bajantes y pórticos durante el proceso de desconexión y conexión. Posteriormente se

verifica que los esfuerzos a los que los elementos van a estar sometidos sean menores que las capacidades

mecánicas de diseño (árboles de carga, resistencia a la tracción).

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1.3. Identificación y Control del riesgo

A partir de los riesgos identificados en los estudios eléctricos y mecánicos, se crea e incorpora dentro del

procedimiento de TcT en desarrollo, mecanismos de control que reduzcan la probabilidad de ocurrencia de un

accidente durante la ejecución. Algunos de los mecanismos de control más utilizados son la inspección

termográfica, el aumento de distancias de seguridad y la instalación de respaldo mecánico en las conexiones

de alta tensión.

2. ANÁLISIS DE CONEXIÓN Y DESCONEXIÓN DE PTs APLICANDO METODOLOGÍA TCT

2.1 Estudio Eléctrico de Desconexión y Conexión

2.1.1. Modelo del PT en ATP

Para el desarrollo del modelo eléctrico del PT es necesario considerar que el análisis a realizar es en estado

transitorio, ya que el arco eléctrico es una señal temporal asociada a la maniobra, que adicionalmente

contiene componentes de diferente frecuencia. En 1995 Vermeulen, Dann y Roojien [3] desarrollaron el

circuito equivalente del PT para componentes armónicas en sistemas de alta tensión. Con base en él se

obtuvo el modelo del PT en ATP [4], cuyos parámetros fueron obtenidos en el laboratorio de Ancón Sur para

un PT instalado en ISA.

Las pruebas realizadas al modelo y el análisis de sensibilidad de sus parámetros, permitieron verificar que el

modelo desarrollado para el PT en estudio presenta un comportamiento altamente capacitivo y que la

variación de su comportamiento ante cambios en las bobinas de compensación y bloqueo es despreciable.

La figura 1 presenta el modelo del PT en EMTP – ATP.

Figura 1. Modelo de alta frecuencia del CCVT en ATP (Fuente: Los Autores).

2.1.2. Simulación de la conexión y desconexión del PT en ATP

La simulación en ATP se realiza acoplando el modelo de arco eléctrico desarrollado en [2] con los modelos en

ATP desarrollados en [4]. La desconexión del PT se simula y analiza considerando los tiempos en donde los

valores de voltaje y corriente son críticos para el comportamiento del equipo. La figura 2 presenta el circuito

construido en ATP para la desconexión del PT.

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Figura 2. Circuito de simulación para la desconexión y conexión del PT aplicando TcT (Fuente: Los Autores).

Al realizar la simulación de desconexión y conexión del PT se encontraron los siguientes resultados [4]:

• La máxima corriente de arco presente en la desconexión del PT en estudio es de 500 mA.

• Durante la maniobra el voltaje fase – tierra aumenta 4% durante 12 ms aproximadamente.

2.1.3. Impacto de la desconexión de PTs en el sistema de protecciones de ISA

La desconexión de un transformador de potencial genera la pérdida de la señal de tensión que se entrega a

los sistemas de control y protección. Por ello, es necesario evaluar el impacto que produce la ausencia de

esta señal en el esquema de protecciones de una subestación, una línea de transmisión y una bahía de

transformación. A partir del análisis realizado es posible visualizar la necesidad de instalar PTs de respaldo

antes de realizar el proceso de desconexión, deshabilitar el sistema de protecciones de la bahía a intervenir ó

desarrollar procedimientos complementarios para ejecutar de forma segura la desconexión del equipo.

En torno a la desconexión de transformadores de Potencial (PT), existen tres tipos de esquemas a partir de la

ubicación del equipo dentro de la subestación y la función que cumple. El primero de ellos está asociado a la

intervención de los PTs de barra, el segundo a los PTs de bahía de línea y el tercero a los de PTs de bahía

de transformación. Las señales asociadas a cada uno de estos tipos de bahías varían de una subestación a

otra. Con base en esto, es necesario realizar el análisis de impacto en el sistema de protecciones para cada

proceso de desconexión que se programe.

2.2 Estudio Mecánico Asociado a la Desconexión y Conexión de PTS Aplicando Metodología TCT

El análisis mecánico realizado entorno al procedimiento de desconexión y conexión de PTs aplicando

metodología TcT evidenció las siguientes consideraciones:

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• La manipulación de la conexión de alta tensión en los PTs de barra transmite vibraciones al punto de

anclaje en el pórtico, que pueden originar la falla de herrajes que se encuentren en mal estado.

• Al descender el bajante del PT de barra, se genera un par de torsión sobre el conector de alta, lo que

puede producir la rotura del mismo.

• La desconexión del PT de bahía genera pares de torsión sobre los conectores de los equipos adyacentes,

que pueden producir la falla del componente por sobreesfuerzo mecánico.

2.3 Identificación y Control del Riesgo

Cada actividad de TcT es única y requiere de un proceso de planeación detallado que permita evaluar la

factibilidad de su ejecución, identificar los riesgos presentes y los mecanismos de control aplicables. Por ello,

para la ejecución de todo procedimiento de TcT es indispensable la realización de un proceso de planeación,

de tal forma que se puedan diseñar mecanismos de control efectivos para la seguridad del personal, los

equipos y el sistema.

Para el caso del procedimiento de desconexión y conexión de PTs desarrollado, los estudios eléctricos y

mecánicos permiten visualizar los riesgos existentes por la naturaleza del equipo a intervenir, sus conexiones

y comportamiento eléctrico. Estos son tenidos en cuenta dentro del proceso de planeación y serán

supervisados, durante la ejecución, junto a los demás riesgos identificados y definidos en el proceso de

planeación.

3. PLANEACIÓN Y EJECUCIÓN DE LA DESCONEXIÓN Y CONEXIÓN DE LOS PTS DE BARRA DE LA

SUBESTACIÓN SAN BERNARDINO 230KV

Con base en los resultados del análisis realizado entorno a la desconexión y conexión de PTs aplicando

metodología TcT, se procedió a seleccionar en el Plan Semestral de Mantenimiento de ISA el trabajo

programado sobre transformadores de potencial que más energía no suministrada generara, esto con el fin de

aplicar la nueva metodología desarrollada por el Grupo de TcT y evitar la suspensión del fluido eléctrico

durante la ejecución del mantenimiento. En dicho proceso se visualizó que la ejecución del mantenimiento de

12 años sobre los transformadores de potencial de la barra 1 de la subestación San Bernardino 230kV, la cual

tiene una configuración de barra sencilla más transferencia, generaría la interrupción del fluido eléctrico al

requerir la desenergización de toda la subestación.

3.1 PLANEACIÓN DE LA DESCONEXIÓN Y CONEXIÓN DE LOS PTS DE BARRA DE LA SUBESTACIÓN

SAN BERNARDINO 230KV APLICANDO METODOLOGÍA TCT

El proceso de planeación se inició con el desarrollo del levantamiento de información en sitio, con lo cual se

evidenció el cumplimiento de las distancias de seguridad requeridas para la ejecución de los TcT, se diseñó y

seleccionó la herramienta de TcT a utilizar y se diseñó el procedimiento a aplicar con base en la geometría y

ubicación de los PTs de barra dentro de la subestación. Adicionalmente, se realizó el análisis detallado del

impacto generado sobre el sistema de protecciones y control al retirar la señal de voltaje durante la ejecución,

como por ejemplo la pérdida de la señal de los contadores de CEDELCA S.A. E.S.P.

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Luego de evaluar el impacto originado por la pérdida temporal de la señal de tensión de los PTs de barra, se

confirmó la viabilidad de la ejecución. Por lo cual, se procedió a diseñar el protocolo de seguridad que

permitiría garantizar el cumplimiento de las condiciones necesarias, en los equipos de la subestación y en las

conexiones del sistema de protecciones, para la ejecución segura del TcT.

3.2 EJECUCIÓN DE LA DESCONEXIÓN Y CONEXIÓN DE LOS PTS DE BARRA DE LA SUBESTACIÓN

SAN BERNARDINO 230KV APLICANDO METODOLOGÍA TCT

Luego de realizar la reunión técnica con el grupo ejecutor de TcT donde se explicó la metodología y las

medidas de seguridad a aplicar, se realizó la ejecución de los TcT el 18 de octubre de 2010 (ver figura 3).

Figura 3. Imagen de los PTs de barra de la Subestación San Bernardino 230kV (Fuente: Los Autores)

Éste inicio con la verificación de las condiciones operativas en la subestación y las condiciones eléctricas en el

sistema de protecciones. Una vez validadas las condiciones se procedió a realizar la desconexión de los PTs

por el lado de alta tensión. Esta etapa se realizó aplicando la metodología de TcT a potencial con andamio

dieléctrico (ver figura 4).

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Figura 4. Ejecución de la desconexión en vivo de los PTs de barra de la subestación San Bernardino 230kV propiedad de ISA (Fuente: Los Autores).

La maniobra generó un arco eléctrico con el comportamiento y características esperadas (ver figura 5), lo cual

hizo que el By pass diseñado para la desconexión tuviese un excelente desempeño.

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Figura 5. Arco eléctrico generado durante la desconexión en vivo de los PTs de barra de la subestación San

Bernardino 230kV propiedad de ISA (Fuente: Los Autores).

Una vez realizada la desconexión, se realizaron las pruebas eléctricas definidas para los PTs dentro del plan

de mantenimiento de ISA, las cuales permitieron confirmar que durante la desconexión ninguno de ellos había

sufrido deterioro a causa del transitorio generado por la maniobra de TcT. Al finalizar las pruebas eléctricas el

Grupo de TcT procedió a realizar nuevamente la conexión de los PTs a la barra. La maniobra se ejecutó a

potencial, aplicando todos los esquemas de seguridad definidos en la planeación.

Al finalizar la conexión por alta tensión, se procedió a aplicar el esquema de verificación diseñado, el cual

permitió confirmar que las características técnicas y comportamiento eléctrico de los PTs se mantenían

después de haber sido conectados a la barra principal de la subestación San Bernardino sin desenergizar.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los estudios eléctricos y mecánicos asociados al desarrollo de nuevos procedimientos de TcT, permiten

identificar de forma clara los riesgos existentes en la actividad y su nivel de impacto. Así mismo, son la base

para el desarrollo de nuevos mecanismos de control de riesgo que complementan el PFR del grupo de TcT de

ISA.

La aplicación de TcT es única y específica para el equipo a intervenir. Los resultados descritos en el presente

documento son propios del equipo intervenido en la subestación San Bernardino 230 kV, por lo que es

necesario realizar los estudios eléctricos, mecánicos y de riesgos si se desea intervenir otro tipo o familia de

PT.

El análisis realizado con los estudios eléctricos y mecánicos permite concluir que el proceso de desconexión y

conexión del PT asociado a la Barra principal en la subestación San Bernardino, aplicando metodología TcT,

no afecta el estado, funcionamiento y niveles de aislamiento de los equipos intervenidos.

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El fenómeno de arco eléctrico está presente durante el proceso de conexión y desconexión de PTs. Sin

embargo, a partir de los estudios realizados se concluye que el nivel de riesgo asociado al mismo no

compromete la seguridad del personal ejecutor, del equipo ni del sistema.

5. REFERENCIAS

[1]. Nakamichi Y. ANALYSIS OF ELECTRIC ARCS IN AC CIRCUITS. IEEE Transactions on Power

Apparatus and Systems, Vol. PAS-102, No. 3, March 1983.

[2]. Trejos Néstor, Informe De Práctica “Homologación mantenimiento en vivo en niveles de 220 kV y

superior”. Interconexión Eléctrica S.A. E.S.P. 2008.

[3]. H.J. Vermeulen, L.R. Dann, J.van Rooijen. Equivalent Circuit Modelling of a Capacitive Voltage

Transformer for Power System Harmonic Frequencies IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 10, No.

4, October 1995.

[4]. Ríos, Julián David. Informe de práctica “Estudio eléctrico de desconexión y conexión de CCVTs y PQs

aplicando metodología TcT” Interconexión Eléctrica S.A. E.S.P. 2009.

AUTORES

William Hernán Santana Achury: Ingeniero Especialista, egresado de la Universidad Nacional de Colombia,

Bogotá; recibió el título de Ingeniero Electricista. Desde 1994 y hasta 1996 laboró en el área en ISA como

contratista en el Departamento de Mantenimiento de Líneas. Es funcionario de ISA desde 1997, desde

entonces se ha desempeñado en las áreas de Trabajos con Tensión, Desarrollo Tecnológico, Planeación del

Mantenimiento y Gestión equipos Líneas. Entre el 2002 y 2003 se especializó en la Universidad Tecnológica

Superior de Irapuato México, optando el título de Especialista en Mantenimiento de Sistemas de Transmisión

con énfasis en Línea Energizada. Es miembro fundador del Grupo de Trabajos con Tensión GT TCT de la

Comisión Energética Regional - CIER. Actualmente coordina el grupo de TcT de ISA.

Iván Alberto Sanín Rincón: Ingeniero electricista de la Universidad Industrial de Santander - UIS (2008).

Presidente del Centro de Estudios de Ingeniería Eléctrica de la UIS (2005). Director del Capitulo Estudiantil de

la PES-IEEE en la UIS (2006). Estudiante en práctica de Interconexión Eléctrica S.A – ISA en 2007, donde

desarrolló ISAmp, herramienta para el cálculo de la capacidad de carga en líneas de transmisión, extendida al

hemisferio sur a partir del Std IEEE 738 de 1993. En 2008 desarrolló para ISA la NOVUM-HSC, herramienta

para la selección de conductores de fase considerando efectos electromagnéticos por presencia de fenómeno

corona en LT. Actualmente es Ingeniero Analista en la Dirección Gestión Mantenimiento de ISA. Desde 2009

es integrante del equipo de planeación y diseño de procedimientos del Grupo de Trabajos con Tensión (TcT)

de ISA.