PROPUESTA ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE PROTECCIONES PARA LA EMPRESA EMPELEC S.A E.S.P

Análisis Técnico y Económico de la Propuesta

Elaborado por

Javier Negrette Buelvas

Profesor

John Edwin Candelo Becerra

Medellín

Diciembre 2 de 2014

INTRODUCCIÓN

El presente estudio pretende realizar una valoración técnica y económica de la problemática planteada mediante licitación por la empresa SEMPELEC S.A ESP, en la cual buscan la coordinación de las protecciones eléctricas de su sistema de potencia. Este estudio contempla la mejor alternativa de solución viables, tanto técnica como económicamente al problema planteado, cumpliendo con los principios de seguridad, confiabilidad y fiabilidad.

DIAGRAMA DEL SISTEMA

Se procederá a realizar el estudio de coordinación al esquema de la figura 1, el cual comprende protección de líneas de transmisión (ver tabla 1), generadores, cargas y transformadores. El sistema se desglosará para su coordinación de acuerdo con los elementos que se desean coordinar sus protecciones y el tipo de protección más adecuada para dicho caso.

Figura 1. Diagrama del sistema

Línea Longitud

Km

R1

(ohm/km)

X1

(ohm/km)

B1

(uS/km)

R0

(ohm/km)

X0

(ohm/km)

B0

(uS/km)

Capacidad térmica (A)

1 22,69 0,0521 0,4984 3,4422 0,3960 1,3448 2,2075 800

2 22,74 0,0521 0,4984 3,4422 0,3960 1,3448 2,2075 800

3 35,36 0,0331 0,4757 3,5684 0,3770 1,3221 2,2633 800

4 127,63 0,0541 0,4849 3,4530 0,3442 1,6191 1,9065 998

Tabla 1. Parámetros eléctricos de las líneas del sistema

ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE PROTECCIONES

Para la coordinación de protecciones se dividirá el sistema de la siguiente manera

- El anillo conformado por las líneas 1, 2 y 3 se coordinará con relés de distancia, al igual que la línea 4, debido a las disposiciones de la normativa colombiana que recomiendan su uso.

- Los generadores se coordinarán mediante relés de protección diferencial, teniendo como respaldo una protección instantánea.

- Las cargas se protegerán mediante protecciones instantáneo/temporizado 50/51 por su practicidad y baja complejidad.

Coordinación de protecciones del anillo:

Los relés utilizados para proteger esta parte del circuito son relés de distancia1, no todos cuentan con las tres zonas de protección pero brindan un buen grado de confiabilidad a la red mediante el traslape de las zonas. Aquí el criterio de selección de las zonas 2 y 3 de los relés no está dado por la longitud de las líneas adyacentes sino por la impedancia de estas líneas. Se puede demostrar que la impedancia de las líneas es más pequeña que la impedancia de los transformadores, por lo que el anillo quedaría protegido por los relés

Para el relé 1:

- Z1=0,85Z L1⟶ Z1=1,003+ j 9,612Ω; t 1=0ms- Z2=Z L1+0,5Z L3⟶Z2=1,767+ j19,719Ω; t 2=200ms- Z3=Z L1+Z L2+ZL2⟶Z3=2,648+ j30,957Ω; t 3=1000ms

Para el relé 2:

- Z1=0,85Z L2⟶ Z1=1,003+ j 9,612Ω; t 1=0ms- Z2=Z L2+0,5Z L3⟶Z2=1,767+ j19,719Ω; t 2=200ms- Z3=Z L2+Z L3+ZL1⟶Z3=2,648+ j 30,957Ω; t 3=1000ms

Para el relé 3:

- Z1=0,85Z L1⟶ Z1=1,003+ j 9,612Ω; t 1=0ms

Para el relé 4:

- Z1=0,85Z L3⟶ Z1=0,995+ j14,298Ω; t 1=0ms- Z2=Z L3+0,5Z L2⟶Z2=1,761+ j22,475Ω; t 2=200ms

1 Guia del buen ajuste y coordinación de protecciones del STN; ISA-IEB; 2000.

Para el relé 5:

- Z1=0,85Z L3⟶ Z1=0,995+ j14,298Ω; t 1=0ms- Z2=Z L3+0,5Z L1⟶Z2=1,761+ j 22,475Ω; t 2=200ms

Para el relé 6:

- Z1=0,85Z L2⟶ Z1=1,003+ j 9,612Ω; t 1=0ms

Cálculo de los CT’s y PT’s: Se calcularán en base a las corrientes nominales y de cortocircuito, extraídas de la simulación del circuito en el programa Digsilent Power Factory 14.1. El criterio de elección se hace con base en la mayor de las corrientes entre Inominal e Icc/20. Las corrientes de corto calculadas con el software se realizaron mediante el método IEC 60909 para una falla monofásica a tierra, considerando las corrientes de corto mínimas. Cálculo de los PT’s se hace en base a la tensión nominal. Se escogieron PT’s de 230KV a 110V para estos relés.

Relé I nominal (A) Icc (A) Icc/20 CT PT 1 248,3 1745 87,25 300/5 230KV/110V2 220,1 1745 87,25 300/5 230KV/110V3 252,9 1066 53,3 300/5 230KV/110V4 24,8 426 21,3 50/5 230KV/110V5 15,8 427 21,35 50/5 230KV/110V6 224,5 1065 53,25 300/5 230KV/110V

Tabla 2. Cálculo de CTs y PTs para los relés del anillo

Coordinación de protecciones Línea L4:

Para la coordinación de las protecciones de este ramal compuesto por una línea, un transformador y una carga, se eligió un relé de distancia como protección de la línea tal como lo establece la Guía del buen ajuste y coordinación de protecciones de ISA [1], y en la carga y el transformador se eligieron relés 50/51 instantáneo temporizado. Se realiza la tabla 3 para calcular el ajuste de estos relés.

Relé Inom Icc Icc/20 TC Iarr TAP Mult B tb Mult A Ta Dial11 102 933 46,65 150/5 7,65 46,65 6,098 0,17 -- -- 0,0516 102 933 46,65 150/5 7,65 31,10 4,065 0,74 7,65 0,42 0,1517 50,3 698 34,9 100/5 3,77 52,35 13,885 1,03 12,37 0,99 0,4

Para el cálculo se tuvieron en cuenta las siguientes expresiones

I arranque=1.5∗I nominal∗RTI; RTI:relaci ó nde transformaci ón inversadel TC

TAP o Ajuste=0.5∗ICC∗RTI ;para las cargas

¿1.25∗ICC∗RTI ; para el transformador

¿ ICC∗RTI ; para el lado de baja del transformador (no instantáneo)

Múltiplo Ao B= Ajuste A o BI arranque

t a=t b+0.25 s

Los múltiplos, tiempos y diales se obtienen de la curva de los relés instantáneos.

Los PTs se dimensionan de acuerdo al nivel de tensión del primario, por lo que escogeremos transformadores de voltaje de 115KV/110V para el lado de baja del transformador6 y 230KV/110V para el lado de alta del transformador 6.

Para el ajuste del relé 18, correspondiente a la línea 4 se tendrían dos zonas de ajuste

- Z1=0,85Z L4⟶Z1=5,652+ j54,069Ω; t 1=0ms- Z2=Z L4+0,5Z transf .6⟶Z2=6,649+ j87,9455Ω; t 2=1000ms

Para este relé 18 se selecciona un PT de 230KV/110V

Coordinación de protecciones para ramal con carga de 15MVA:

Para este ramal se eligieron protecciones instantáneas 50/51 por la configuración radial de esta parte del sistema

Relé Inom Icc Icc/20 TC Iarr TAP Mult B tb Mult A ta Dial10 75,3 1068 53,4 100/5 5,647 26,7 4,728 0,22 -- -- 0,0514 75,3 1068 53,4 100/5 5,647 53,4 9,456 0,30 4,728 0,47 0,115 37,9 1492 74,6 100/5 2,842 93,2 32,792 0,39 18,789 0,55 0,2

Para el cálculo se tuvieron en cuenta las siguientes expresiones

I arranque=1.5∗I nominal∗RTI; RTI:relaci ó nde transformaci ón inversadel TC

TAP o Ajuste=0.5∗ICC∗RTI ;para las cargas

¿1.25∗ICC∗RTI ; para el transformador

¿ ICC∗RTI ; para el lado de baja del transformador (no instantáneo)

Múltiplo Ao B= Ajuste A o BI arranque

t a=t b+0.25 s

Los múltiplos, tiempos y diales se obtienen de la curva de los relés instantáneos.

Los PTs se dimensionan de acuerdo al nivel de tensión del primario, por lo que escogeremos transformadores de voltaje de 115KV/110V para el lado de baja del transformador6 y 230KV/110V para el lado de alta del transformador 5.

Coordinación de protecciones para ramal con carga 50MVA: Para la coordinación de este ramal se escogieron relés instantáneos 50/51 con temporización debido a la simplicidad del ramal y su configuración radial.

Relé Inom Icc Icc/20 TC Iarr TAP Mult B tb Mult A ta Dial9 256,1 1588 79,4 300/5 6,402 13,2 2,061 0,48 -- -- 0,0512 256,1 1588 79,4 300/5 6,402 26,5 4,139 0,49 2,062 0,73 0,113 128,4 1492 74,6 200/5 4,815 46,6 9,678 0,9 8,255 1,0 0,3

Para el cálculo se tuvieron en cuenta las siguientes expresiones

I arranque=1.5∗I nominal∗RTI; RTI:relaci ó nde transformaci ón inversadel TC

TAP o Ajuste=0.5∗ICC∗RTI ;para las cargas

¿1.25∗ICC∗RTI ; para el transformador

¿ ICC∗RTI ; para el lado de baja del transformador (no instantáneo)

Múltiplo Ao B= Ajuste A o BI arranque

t a=t b+0.25 s

Los múltiplos, tiempos y diales se obtienen de la curva de los relés instantáneos.

Los PTs se dimensionan de acuerdo al nivel de tensión del primario, por lo que escogeremos transformadores de voltaje de 115KV/110V para el lado de baja del transformador6 y 230KV/110V para el lado de alta del transformador 4.

Coordinación de protecciones para los generadores: Los generadores por ser los elementos más importantes del sistema de potencia deben tener protecciones muy robustas y sensibles en todos sus componentes. Por esta razón se escogerán relés diferenciales de corriente para protegerlos, con un respaldo de protecciones instantáneas.

El unifilar a implementar en los generadores es el siguiente

El esquema en detalle para la protección diferencial es

Ahora dimensionaremos los CTs para la protección diferencial, para ello se necesitarán las corrientes nominales por el generador y por el transformador

I generador=3307,3 A ; I transf .=197,4 A

TC1=4000/5A y TC4 =200/5A (la corriente por el secundario del TC se multiplica por √3)

I relé TC1=4,134A ; I relé TC 4=8,548ª

Ahora se escoge un TC para compensar las diferencias de corriente entre los secundarios del transformador, por lo tanto el TC compensación es de 10/5A.

I relé compen .=4,27

Por lo tanto la pendiente seria:

N=I 1−I 4I1+ I 42

=3,33<20% ; por tantoestanbiendimensionados

Para el cálculo de los PTs se escogerán TP de 13,8KV/110V para el generador y un TP de 230KV/110V.

Para las otras dos fases se implementan los mismos elementos calculados anteriormente.

Coordinación para cargas 60MVA y 70MVA:

Para la protección de estas cargas se utilizarán relés de sobre-corriente instantáneos, debido a la simplicidad del circuito o elemento que se desarrollará. Se empleará el mismo método desarrollado para los ramales conectados al anillo.

Relé Inom Icc Icc/20 TC Iarr TAP Mult B tb Mult A ta DialR60 147,3 1492 74,6 200/5 5,523 18,6 3,367 0,28 -- -- 0,05

R70 171,6 1492 74,6 200/5 5,423 18,6 3,427 0,28 -- -- 0,05ANÁLISIS DE COSTOS DEL PROYECTO

Para determinar los costos nos basamos en la información de los fabricantes de relés, TCs y TPs; asi como en el los distribuidores y salario de cada trabajador y el precio del dólar al día de hoy (COP $2252).2

Costos de equipos

EquipoPrecio Base

US$IVA 16%

US$Arancel 10%

US$Cantidad Total US$

Relé de distancia 6825 1092 682,5 7 60196,5

Relé sobre-corriente 1500 240 150 11 20790

Relé Diferencial 5250 840 525 1 6615

Transformador de corriente 4000/5 A

500 80 50 3 1890

Transformador de corriente 300/5 A

150 24 15 6 1134

Transformador de corriente 200/5 A 120

19,2 124

604,8

Transformador de corriente 150/5 A 100

16 102

252

Transformador de corriente 100/5 A 75

12 7,54

378

Transformador de corriente 50/5 A 50

8 52

126

Transformador de compensación 10/5 A 20

3,2 21

25,2

Transformador de potencial 230KV/110V 20

3,2 213

327,6

Transformador de potencial 110KV/110V 20

3,2 26

151,2

Transformador de potencial

13,8KV/110V 203,2 2

375,6

Total Insumos US$ 92565,9

Costo Mano de Obra

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TrabajadorSalario

base/día US$**Pensiones

12%**Riesgos Profesionales

(6,96% riesgo V) Días

laboradosTotal US$

Ingeniero de diseño 5000

Ingeniero de protecciones con

experiencia70 8,4 4,872 7 582,904

Trabajador líneas eléctricas aéreas

22,21 2,6652 1,545816 7 184,947112

Electricista de escenario o estudio

25,58 3,0696 1,780368 7 213,009776

Técnico en Ingeniería Eléctrica con experiencia

37 4,44 2,5752 7 308,1064

Ayudante de obra x2 35 4,2 2,436 7 291,452

Total personal de trabajo US$ 6580,4193

**Estos datos sobre las prestaciones sociales fueron tomados de http://consultas-laborales.com.co/ actualizado a Abril de 2014.

A esto se le adicionará US$ 5000, correspondiente a equipo de transporte e implementos de trabajo y seguridad.

El costo (sin incluir margen de ganancia) es de US$ 109.145,00, al cual se le adicionará un 30% del costo del proyecto por concepto de margen de utilidades, por lo que el Costo Total del proyecto será de US$ 141.890,00.