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Boletín iie, enero-febrero del 2000
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Interconexión de centrosindustriales con la red eléctricadel servicio públicoInocente Rosales SedanoJuan José López VelázquezJob García ParedesEdgar Robles PimentelDavid García ÁlvarezBenigno Guzmán Camacho
Los grandes centrosindustriales que tienenprocesos de produccióncontinua y consumen altascantidades de energíaeléctrica generalmentecuentan con generaciónpropia.
Resumen
Los grandes centrosindustriales que tienenprocesos de producción
continua y consumen altascantidades de energía eléctrica,generalmente cuentan congeneración propia. Los complejospetroquímicos, las fábricas de papely acero y los ingenios azucarerosson ejemplos de este tipo de centros.Por otro lado, la nuevareglamentación de generación deenergía eléctrica que permite elintercambio de energía eléctricaentre las compañías privadas y lared pública, ha originado lanecesidad de conectar sistemas queantes operaban aislados.
Debido a que el diseñooriginal de los sistemas eléctricosaislados fue trabajar en formaindependiente, el realizar lainterconexión puede generarproblemas técnicos que tienen queanalizarse y resolverse. En este
artículo se presentan algunasexperiencias relacionadas con elcomportamiento del equipoeléctrico al operar conectado con lared pública.
IntroducciónLos centros industriales que tienenprocesos de producción continua,por lo general cuentan congeneración propia. El sistemaeléctrico de algunos de ellos fuediseñado para operar en formaindependiente. El diseño del centrotiene como objetivo fundamental lacontinuidad del servicio. Unasuspensión temporal del suministrode energía eléctrica trae seriasconsecuencias no sólo desde elpunto de vista de producción sinoque muchas veces afecta seriamentelas plantas de proceso.
En industrias donde semanejan materiales o gasesexplosivos se tiene especial cuidadoen limitar al máximo la corriente decortocircuito de falla a tierra. Por
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Debido a que el diseñooriginal de los sistemaseléctricos aislados fuetrabajar en formaindependiente, el realizar lainterconexión puede generarproblemas técnicos que tienenque analizarse y resolverse.
ejemplo, en las refinerías queoperaban las compañías extranjerasen México y que fueron diseñadasen la primera mitad del siglopasado, para aumentar al máximo lacontinuidad del servicio seutilizaban esquemas de conexión endelta. A pesar de tener una falla atierra en alguno de los elementosdel sistema, se mantenía lacontinuidad del servicio. En esteesquema, se utilizaban lámparasindicadoras para señalar que unafase estaba a tierra para que eloperador liberara el circuitoafectado. Por el tamaño de loscentros de trabajo, el nivel devoltaje utilizado era como máximo4.16 kV. Este nivel de tensión esrelativamente bajo y el aislamientode los equipos obedeceprincipalmente a aspectosmecánicos. Mientras más bajo es elvoltaje de operación menor es elgradiente eléctrico de trabajo. Porlo tanto, las fallas de los equipospor deterioro del aislamiento tienenbaja probabilidad de ocurrir.En industrias de mayor capacidad,que requieren mayor potencia, esnecesario incrementar el voltaje deoperación. En algunas empresas escomún encontrar que el voltaje degeneración, distribución y consumoes el mismo, típicamente 13.8 kV.
Principales característicasdel sistema eléctricoPara mantener la continuidad delservicio es común encontrar que se
cuente con el doble de la capacidadinstalada respecto a la cargaconectada. Como el voltaje degeneración y consumo de energíaestán al mismo nivel se empleanreactores serie con núcleo de airepara limitar la corriente decortocircuito. Un esquema típicoutilizado es el que se muestra en lafigura 1.
Cuando al sistema se leagregan otras fuentes de generacióno la conexión a la red pública, lapotencia de cortocircuito seincrementa substancialmente. Porconsiguiente, deben realizarseestudios para determinar estascorrientes y revisar los equiposeléctricos para que sean capaces deoperar bajo este nuevo esquema dealimentación.
Se puede observar en lafigura 1 que en operación normal,sin la conexión externa, la cargaestá conectada al bus del generadory no circula corriente a través de losreactores. Sin embargo, cuando salede operación un generador, ya seapor falla o mantenimientoprogramado, la carga de este
generador tiene que ser alimentadapor los generadores a través de losreactores serie. En estascondiciones, es necesariosobreexcitar el generador paramantener el voltaje en el bus,generando un problema deregulación de voltaje en el sistema.
En las subestacionesgeneralmente se tienen dostransformadores conectados enparalelo para suministrar una cargadada, en un esquema como el que semuestra en la figura 2. En lamayoría de los casos untransformador es capaz deproporcionar la carga total.
Uno de los puntosimportantes es el tipo de conexiónde puesta a tierra de los neutros delos generadores y transformadoresde potencia en los centrosindustriales. En algunos sistemas seutiliza la conexión de una solafuente de generación a tierra através de una resistencia y uno delos transformadores de potenciadirectamente conectado a tierra. Enotros sistemas se utiliza unaresistencia para aterrizar los
Figura 1. Esquema típico de generación independiente.
Bus de sincronización
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Cuando al sistema se leagregan otras fuentes degeneración o la conexión a lared pública, la potencia decortocircuito se incrementasubstancialmente.
Figura 2. Arreglo típico de una subestación.
transformadores de potencia(Powell, L., 1998; Fox, F., 1974; McClung, L.B., 1974). Algunos centrosde producción utilizan la siguienteconexión a tierra: se conectan losneutros de los generadores a lo quese denomina el “bus de tierra” através de un cable de energía y uninterruptor. El bus de tierra seconecta a tierra física a través deuna resistencia relativamente baja,del orden de 10 a 20Ω. Sólo elneutro de uno de los generadores seconecta a tierra manteniendo elresto de los neutros flotados. En lassubestaciones es común encontrarque sólo uno de los neutros de lostransformadores reductores seconecte a tierra, mientras que el otrose mantiene flotado. El esquemaantes descrito tiene la finalidad dereducir al máximo el nivel decorriente de cortocircuito a tierra.
Ventajas de la interconexiónLas ventajas de un centro que tieneuna interconexión con la red públicason las siguientes:• Energía de respaldo inmediatapara aliviar situaciones deemergencia.• Estabilidad de voltaje yfrecuencia.• Manejo económico de lageneración y consumo de energía.• Flexibilidad en los programas demantenimiento.
Al diseñar los sistemas deproducción en función de lacontinuidad del suministro deenergía eléctrica, automáticamentese tiene el doble de la capacidad
instalada en relación con la cargaconectada. Por ejemplo, uno de loscomplejos procesadores de gas, queopera en el sureste del país, tieneuna capacidad instalada de 110 MW,con una carga conectada del ordende los 45 MW. Con el paso deltiempo, se van agregando máscargas y la situación puede cambiar,de tal forma que pueden tenerseesquemas donde la capacidaddisponible para intercambio deenergía puede reducirse un 10%.
En condiciones normalesde operación, cada centro industrialque cuente con generación propia ytenga la infraestructura necesariapuede entregar al sistema eléctriconacional entre 30 y 40 MW. Esteesquema incrementa la flexibilidadde operación, al contar con unafuente adicional de alimentación.
La calidad de la energíasuministrada por los serviciosauxiliares se robustece alinterconectarse a una fuente de granpotencia como es la red pública,pero también la conexión conllevaproblemas técnicos que se necesitan
prever para evitar problemas defallas en los equipos o pérdida de laconfiabilidad en el sistema queoperaba en forma aislada. Alconectarse a la red se incrementa lacapacidad de cortocircuitomonofásico y trifásico, y esnecesario determinar si se necesitanmodificar o cambiar el equipo o loscomponentes y adecuar los sistemasde protección y control.
Al contar con variasfuentes de alimentación se puedenestablecer esquemas de generaciónde energía que sean adecuados paraun centro determinado. En algunoscasos se cuenta con generadoresoperados con turbina de vapor ygeneradores operados con turbina degas. El vapor se genera para otrosprocesos, además de utilizarse paraproducir energía eléctrica. En uncaso como éste se puede utilizar elgenerador con turbina de gasexclusivamente para casos deemergencia y operar el sistema conun intercambio de energía entre elcentro y la red pública.
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En las subestacionesgeneralmente se tienen dostransformadores conectadosen paralelo para suministraruna carga dada. En lamayoría de los casos, untransformador es capaz deproporcionar la carga total.
Problemas asociados con laconexión a la red públicaLos centros industriales han estadooperando satisfactoriamente enforma independiente. Al serconectados con el sistema eléctricode la red pública se puedenpresentar fallas por operaciónanormal en diferentes equipos einstalaciones, aparentemente sincausa justificada. Los problemasque pueden existir al efectuarse lainterconexión son los siguientes:• Deterioro de generadores al operarsobreexcitados.• Efecto del esquema de conexión atierra del equipo principal.
Deterioro de generadores operadossobreexcitados. Algunas veces, laconexión de los centros industrialescon la red pública obliga a operarlos equipos sobreexcitados a nivelesy con esquemas de cortocircuitodiferentes para los que fuerondiseñados. La operación degeneradores de polos lisossobreexcitados crea problemas muyseveros en los extremos del núcleodel estator debido a que el flujodisperso en los cabezales penetraperpendicularmente a la laminación,originando altas pérdidas, con laconsecuente elevación detemperatura.
Si esta temperatura essuficientemente alta puede dañar elaislamiento interlaminar del núcleodel estator. Al haber cortocircuitosentre laminaciones se generan
corrientes parásitas que producenpuntos calientes. Si este procesoalcanza un nivel crítico se llega afundir el metal del núcleo. Cuandoel metal entra en contacto con elaislamiento lo daña severamente,provocando una falla instantáneadel aislamiento de las bobinas. Eldaño que puede causarse algenerador es catastrófico. En lafoto 1 se muestra la falla de ungenerador por el mecanismo antesdescrito.
Efecto del esquema de conexión atierra del equipo principal. Paralimitar la corriente de cortocircuito,en algunos esquemas de generaciónse conecta sólo un generador a tierraa través de una resistencia y el restose mantiene flotado. En realidad, ungenerador flotado está conectado atierra capacitivamente (cada bobinade un generador de 30 a 50 MWtiene una capacitancia típica delorden de los 10 nF). Como el neutrose conecta a tierra con un cable deenergía, la capacitancia típica deconexión a tierra es de unos 120 nF.
En condiciones de falla monofásicase pueden provocar sobrevoltajespeligrosos, cuya magnitud dependede la relación X0/X1 del circuito.
Los generadores típicos delos centros industriales son de 20 a50 MVA a 13.8 kV,aproximadamente. En este tamañode generadores es común contar consistemas de excitación de núcleosaturable para limitar la aportaciónde corriente de cortocircuito. Losreactores de núcleo saturable seconectan en serie con los devanadosdel estator. La salida de estosreactores alimenta el voltaje alrectificador del sistema deexcitación. Si un generador de estetipo se encuentra aislado de tierra,es decir, si está conectado a tierra através de la capacitancia deldevanado, se tiene una inductanciaen serie con la capacitancia quepuede inducir sobrevoltajespeligrosos que pueden afectar tantoal devanado del estator como a losdevanados del rotor o al sistema deexcitación. Se sabe del caso de ungenerador que al efectuar la prueba
Foto 1. Daño ocasionado por la falla del núcleo de un generadorque operaba sobreexcitado.
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de rechazo de carga generó unasobretensión que afectó al rotor,produciendo cortocircuitos entreespiras.
La mayoría de los centrosde trabajo que tienen conexión conla red pública lo hacen a través deun alimentador de 115 kV quealimenta a uno o dostransformadores en paralelo, quereducen la tensión a 13.8 kV, que esla tensión de generación ydistribución de los centros. Se debeestudiar y analizar la mejoralternativa de conexión del sistemaeléctrico industrial con la redpública. En algunos centros handecidido conectarse al bus desincronización a través de reactoresserie. Esto crea problemas deregulación de voltaje y la necesidadde sobreexcitar los generadores,ocasionando problemas en losnúcleos de los estatores. Laoperación de este tipo de esquemaha resultado problemática. Enparticular, en uno de los centros detrabajo que está conectado a travésde reactores y que tiene los neutrosde los transformadores conectados através de cable de energía sepresentó un transitorio al intentar
conectar uno de los neutros de lostransformadores a tierra, haciendooperar el interruptor de línea deltransformador (figura 3).
Al limitar la corriente decortocircuito, es natural que seincremente el nivel de voltajetransitorio. En un esquemaaterrizado con baja resistencia y conreactores serie, la corriente decortocircuito monofásica es muybaja y la energía se tiene que disiparen forma de voltaje transitorio, queva dañando gradualmente elaislamiento de los equipos. El tipode conexión a tierra de los equipos
primarios en el centro industrialdebe analizarse cuidadosamenteantes de llevar a cabo la conexión ala red pública.
Cuando se tiene un soloequipo conectado a tierra, el otrosufre un sobrevoltaje transitorio. Encasos extremos se pueden llegar aproducir fallas simultáneas, que sonuna clara evidencia de la presenciade sobrevoltajes transitorios en elmomento de producirse una falla.Se tuvo la oportunidad de observaren una planta industrial (Nava, A.et al., 1999) donde ocurrió la falladel cable de un alimentador que,aunque fue debidamente liberadapor el interruptor, originó unasobretensión que dañó untransformador de potencia. Eltransformador después de la falla semuestra en la foto 2.
En otro centro de trabajoque tiene un bus de neutros comúnentre los generadores y lostransformadores de la subestaciónde enlace de 115 kV se haobservado la operación anormal delos interruptores de lostransformadores cuando se cambiala conexión a tierra de los neutrosde un dispositivo a otro. Es
Figura 3. Esquema de un centro de producción con reactores serie en la conexión a la red pública.
Las ventajas que tiene elcentro de tener unainterconexión con la redpública son las siguientes:• Energía de respaldoinmediata para aliviarsituaciones de emergencia.• Estabilidad de voltaje yfrecuencia.• Manejo económico de lageneración y consumo deenergía.• Flexibilidad en losprogramas de mantenimiento.
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necesario llevar a cabo análisis,mediciones de transitorios devoltaje y evaluación de los equiposde potencia y de instrumentos paraentender mejor estos problemas yestablecer esquemas de protecciónadecuados que disminuyan el efectode los voltajes transitorios en elequipo primario y en lassubestaciones.
Análisis de los sistemaseléctricos interconectadosPara conocer el comportamiento delequipo de los sistemas eléctricos delos centros industrialesinterconectados con la red esimportante realizar una serie desimulaciones que permitan definirlos niveles de corrientes y voltajesque se presentan en condiciones defalla o en condiciones transitoriasoriginadas por la apertura y cierrede circuitos. Se deben efectuaranálisis como flujos de carga,cortocircuito, coordinación deprotecciones y estabilidad. Losresultados se deben analizar desdeel punto de vista de los efectos yrepercusiones que pueden originaren los equipos que integran elsistema eléctrico (García P., J.et al., 1999).
Para obtener resultadosconfiables de los análisis que serealizan es importante contar con lainformación de los parámetros delos diferentes equipos eléctricos queconforman el sistema de cada centro
de producción. Generalmente, parael análisis de la interconexión de lossistemas de los centros deproducción con la red de serviciopúblico no es necesario entrar a unnivel detallado. Es suficienteconsiderar sólo el nivel de tensiónen la generación del centro yconcentrar las cargas.
La flexibilidad de losdiferentes paquetes de cómputo quese encuentran en el mercado paraeste tipo de estudios permitenrealizar análisis de los distintosescenarios que pueden presentarseen la conexión entre los centros deproducción y los centros a la red, loque permite variar potencias yvoltajes de generación ydistribución en cuanto a flujos decarga, así como simular diferentesesquemas de conexión a tierra degeneradores y transformadores.Asimismo, se puede evaluar lainclusión o eliminación de reactoreslimitadores de corriente paracondiciones de cortocircuito y flujode cargas. Deben efectuarse
mediciones con el equipo enoperación para definir los niveles desobretensión que se generan, ya seaen operaciones de maniobra o ensituaciones de falla. La medición devoltajes transitorios tiene que sercon divisores de tensión ytransformadores de corriente quetengan un ancho de banda adecuado.
Con los resultadosobtenidos de los análisis que serealizan se puede predecir laexistencia de problemasrelacionados con envejecimientosprematuros, sobrecalentamiento deequipo, efectos de armónicos y, engeneral, problemas del equipo enoperación.
La revisión periódica delequipo principal mediante pruebasde diagnóstico permite definir suestado y tomar las precaucionesnecesarias para tomar las accionespreventivas o correctivas que seannecesarias. Con estas inspeccionesse evalúa el efecto que tienen lascondiciones transitorias y suenvejecimiento normal. Cuando
Los generadores típicos de loscentros industriales son de 20a 50 MVA a 13.8 kV,aproximadamente. En estetamaño de generadores escomún contar con sistemas deexcitación de núcleo saturablepara limitar la aportación decorriente de cortocircuito.
Foto 2. Daño en un transformador de potencia originado porsobretensiones transitorias y efecto causado en el tablero.
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alguno de estos equipos sufre unafalla es necesario determinar lascausas que la originaron y definir elestado del equipo adyacente quetambién pudo verse involucrado en elevento.
Otra forma de definir elestado de los equipos es mediantepruebas efectuadas en línea. Estemétodo tiene la ventaja de que elequipo está sometido a los esfuerzosnormales de operación y acondiciones transitorias. Se estánhaciendo los desarrollos necesariospara evaluar en línea el equipoeléctrico principal. La informaciónobtenida se debe utilizar para definiresquemas óptimos de operación queno causen un deterioro acelerado delequipo.
ConclusionesLa conexión de los centrosindustriales con generación propia ala red pública representa grandesventajas técnicas y económicas.Deben tomarse las precaucionesnecesarias para evitar que el equipoprincipal se dañe. Los esquemas depuesta a tierra se deben analizarcuidadosamente, no sólo encondiciones de operación normal sinoprincipalmente en condicionestransitorias.
La revisión periódica delequipo durante mantenimientosprogramados, el análisis de las fallas yla determinación de sus causas
(cuando ocurran), así como elmonitoreo en línea del equipoprincipal son fuentes de informaciónque deben tomarse en cuenta paradefinir la configuración de la red ypara establecer las prácticas deoperación que sean convenientes.
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Inocente Rosales SedanoIngeniero electricista (1977) egresado de la
Facultad de Ingeniería de la UniversidadNacional Autónoma de México (UNAM), ymaestro en ciencias (1994) por la Universidadde Salford, Inglaterra. Ingresó al IIE en 1979,en donde actualmente es investigador de laGerencia de Equipos Elé[email protected]
Juan José López VelázquezIngeniero electricista por la Facultad deIngeniería Mecánica, Eléctrica y Electrónica dela Universidad de Guanajuato. Ingresó al IIE en1995, en donde es investigador de la Gerenciade Equipos Elé[email protected]
Job García ParedesIngeniero electricista por la Facultad deCiencias Químicas e Ingeniería de laUniversidad Autónoma de Morelos (UAEM).Ingresó al IIE en 1996, en donde esinvestigador de la Gerencia de EquiposElé[email protected]
Edgar Robles PimentelVer currículum en la página 8.
David García ÁlvarezIngeniero electricista egresado de laUniversidad de Michoacana de San Nicolás deHidalgo. Ingresó a Pemex en 1979 en donde esasesor de Ingeniería de Instalaciones de laSubdirección de Producción de Pemex Gas yPetroquímica Básica. Tiene amplia experienciaen el mantenimiento eléctrico de las plantas deproceso de Pemex Gas y Petroquímica Bá[email protected]
Benigno Guzmán CamachoIngeniero electricista egresado del InstitutoTecnológico de Ciudad Madero. Ingresó aPemex en 1979 en donde es consultor deMantenimiento Eléctrico de la Subdirección deProducción de Pemex Refinación. Tiene ampliaexperiencia en el mantenimiento eléctrico delas plantas de proceso de Pemex Refinació[email protected]
