interconexion con centros industriales con la red publica

Boletn iie, enero-febrero del 2000

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Interconexin de centrosindustriales con la red elctricadel servicio pblicoInocente Rosales SedanoJuan Jos Lpez VelzquezJob Garca ParedesEdgar Robles PimentelDavid Garca lvarezBenigno Guzmn Camacho

Los grandes centrosindustriales que tienenprocesos de produccincontinua y consumen altascantidades de energaelctrica generalmentecuentan con generacinpropia.

Resumen

Los grandes centrosindustriales que tienenprocesos de produccincontinua y consumen altascantidades de energa elctrica,generalmente cuentan congeneracin propia. Los complejospetroqumicos, las fbricas de papely acero y los ingenios azucarerosson ejemplos de este tipo de centros.Por otro lado, la nuevareglamentacin de generacin deenerga elctrica que permite elintercambio de energa elctricaentre las compaas privadas y lared pblica, ha originado lanecesidad de conectar sistemas queantes operaban aislados.

Debido a que el diseooriginal de los sistemas elctricosaislados fue trabajar en formaindependiente, el realizar lainterconexin puede generarproblemas tcnicos que tienen queanalizarse y resolverse. En este

artculo se presentan algunasexperiencias relacionadas con elcomportamiento del equipoelctrico al operar conectado con lared pblica.

IntroduccinLos centros industriales que tienenprocesos de produccin continua,por lo general cuentan congeneracin propia. El sistemaelctrico de algunos de ellos fuediseado para operar en formaindependiente. El diseo del centrotiene como objetivo fundamental lacontinuidad del servicio. Unasuspensin temporal del suministrode energa elctrica trae seriasconsecuencias no slo desde elpunto de vista de produccin sinoque muchas veces afecta seriamentelas plantas de proceso.

En industrias donde semanejan materiales o gasesexplosivos se tiene especial cuidadoen limitar al mximo la corriente decortocircuito de falla a tierra. Por

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Debido a que el diseooriginal de los sistemaselctricos aislados fuetrabajar en formaindependiente, el realizar lainterconexin puede generarproblemas tcnicos que tienenque analizarse y resolverse.

ejemplo, en las refineras queoperaban las compaas extranjerasen Mxico y que fueron diseadasen la primera mitad del siglopasado, para aumentar al mximo lacontinuidad del servicio seutilizaban esquemas de conexin endelta. A pesar de tener una falla atierra en alguno de los elementosdel sistema, se mantena lacontinuidad del servicio. En esteesquema, se utilizaban lmparasindicadoras para sealar que unafase estaba a tierra para que eloperador liberara el circuitoafectado. Por el tamao de loscentros de trabajo, el nivel devoltaje utilizado era como mximo4.16 kV. Este nivel de tensin esrelativamente bajo y el aislamientode los equipos obedeceprincipalmente a aspectosmecnicos. Mientras ms bajo es elvoltaje de operacin menor es elgradiente elctrico 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 deoperacin. En algunas empresas escomn encontrar que el voltaje degeneracin, distribucin y consumoes el mismo, tpicamente 13.8 kV.

Principales caractersticasdel sistema elctricoPara mantener la continuidad delservicio es comn encontrar que se

cuente con el doble de la capacidadinstalada respecto a la cargaconectada. Como el voltaje degeneracin y consumo de energaestn al mismo nivel se empleanreactores serie con ncleo de airepara limitar la corriente decortocircuito. Un esquema tpicoutilizado es el que se muestra en lafigura 1.

Cuando al sistema se leagregan otras fuentes de generacino la conexin a la red pblica, lapotencia de cortocircuito seincrementa substancialmente. Porconsiguiente, deben realizarseestudios para determinar estascorrientes y revisar los equiposelctricos para que sean capaces deoperar bajo este nuevo esquema dealimentacin.

Se puede observar en lafigura 1 que en operacin normal,sin la conexin externa, la cargaest conectada al bus del generadory no circula corriente a travs de losreactores. Sin embargo, cuando salede operacin un generador, ya seapor falla o mantenimientoprogramado, la carga de este

generador tiene que ser alimentadapor los generadores a travs de losreactores serie. En estascondiciones, es necesariosobreexcitar el generador paramantener el voltaje en el bus,generando un problema deregulacin 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 lamayora de los casos untransformador es capaz deproporcionar la carga total.

Uno de los puntosimportantes es el tipo de conexinde puesta a tierra de los neutros delos generadores y transformadoresde potencia en los centrosindustriales. En algunos sistemas seutiliza la conexin de una solafuente de generacin a tierra atravs de una resistencia y uno delos transformadores de potenciadirectamente conectado a tierra. Enotros sistemas se utiliza unaresistencia para aterrizar los

Figura 1. Esquema tpico de generacin independiente.

Bus de sincronizacin


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Cuando al sistema se leagregan otras fuentes degeneracin o la conexin a lared pblica, la potencia decortocircuito se incrementasubstancialmente.

Figura 2. Arreglo tpico de una subestacin.

transformadores de potencia(Powell, L., 1998; Fox, F., 1974; McClung, L.B., 1974). Algunos centrosde produccin utilizan la siguienteconexin a tierra: se conectan losneutros de los generadores a lo quese denomina el bus de tierra atravs de un cable de energa y uninterruptor. El bus de tierra seconecta a tierra fsica a travs deuna resistencia relativamente baja,del orden de 10 a 20. Slo elneutro de uno de los generadores seconecta a tierra manteniendo elresto de los neutros flotados. En lassubestaciones es comn encontrarque slo uno de los neutros de lostransformadores reductores seconecte a tierra, mientras que el otrose mantiene flotado. El esquemaantes descrito tiene la finalidad dereducir al mximo el nivel decorriente de cortocircuito a tierra.

Ventajas de la interconexinLas ventajas de un centro que tieneuna interconexin con la red pblicason las siguientes: Energa de respaldo inmediatapara aliviar situaciones deemergencia. Estabilidad de voltaje yfrecuencia. Manejo econmico de lageneracin y consumo de energa. Flexibilidad en los programas demantenimiento.

Al disear los sistemas deproduccin en funcin de lacontinuidad del suministro deenerga elctrica, automticamentese tiene el doble de la capacidad

instalada en relacin con la cargaconectada. Por ejemplo, uno de loscomplejos procesadores de gas, queopera en el sureste del pas, tieneuna capacidad instalada de 110 MW,con una carga conectada del ordende los 45 MW. Con el paso deltiempo, se van agregando mscargas y la situacin puede cambiar,de tal forma que pueden tenerseesquemas donde la capacidaddisponible para intercambio deenerga puede reducirse un 10%.

En condiciones normalesde operacin, cada centro industrialque cuente con generacin propia ytenga la infraestructura necesariapuede entregar al sistema elctriconacional entre 30 y 40 MW. Esteesquema incrementa la flexibilidadde operacin, al contar con unafuente adicional de alimentacin.

La calidad de la energasuministrada por los serviciosauxiliares se robustece alinterconectarse a una fuente de granpotencia como es la red pblica,pero tambin la conexin conllevaproblemas tcnicos que se necesitan

prever para evitar problemas defallas en los equipos o prdida de laconfiabilidad en el sistema queoperaba en forma aislada. Alconectarse a la red se incrementa lacapacidad de cortocircuitomonofsico y trifsico, y esnecesario determinar si se necesitanmodificar o cambiar el equipo o loscomponentes y adecuar los sistemasde proteccin y control.

Al contar con variasfuentes de alimentacin se puedenestablecer esquemas de generacinde energa 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, adems de utilizarse paraproducir energa elctrica. En uncaso como ste se puede utilizar elgenerador con turbina de gasexclusivamente para casos deemergencia y operar el sistema conun intercambio de energa entre elcentro y la red pblica.

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En las subestacionesgeneralmente se tienen dostransformadores conectadosen paralelo para suministraruna carga dada. En lamayora de los casos, untransformador es capaz deproporcionar la carga total.

Problemas asociados con laconexin a la red pblicaLos centros industriales han estadooperando satisfactoriamente enforma independiente. Al serconectados con el sistema elctricode la red pblica se puedenpresentar fallas por operacinanormal en diferentes equipos einstalaciones, aparentemente sincausa justificada. Los problemasque pueden existir al efectuarse lainterconexin son los siguientes: Deterioro de generadores al operarsobreexcitados. Efecto del esquema de conexin atierra del equipo principal.

Deterioro de generadores operadossobreexcitados. Algunas veces, laconexin de los centros industrialescon la red pblica obliga a operarlos equipos sobreexcitados a nivelesy con esquemas de cortocircuitodiferentes para los que fuerondiseados. La operacin degeneradores de polos lisossobreexcitados crea problemas muyseveros en los extremos del ncleodel estator debido a que el flujodisperso en los cabezales penetraperpendicularmente a la laminacin,originando altas prdidas, con laconsecuente elevacin detemperatura.

Si esta temperatura essuficientemente alta puede daar elaislamiento interlaminar del ncleodel estator. Al haber cortocircuitosentre laminaciones se generan

corrientes parsitas que producenpuntos calientes. Si este procesoalcanza un nivel crtico se llega afundir el metal del ncleo. Cuandoel metal entra en contacto con elaislamiento lo daa severamente,provocando una falla instantneadel aislamiento de las bobinas. Eldao que puede causarse algenerador es catastrfico. En lafoto 1 se muestra la falla de ungenerador por el mecanismo antesdescrito.

Efecto del esquema de conexin atierra del equipo principal. Paralimitar la corriente de cortocircuito,en algunos esquemas de generacinse conecta slo un generador a tierraa travs de una resistencia y el restose mantiene flotado. En realidad, ungenerador flotado est conectado atierra capacitivamente (cada bobinade un generador de 30 a 50 MWtiene una capacitancia tpica delorden de los 10 nF). Como el neutrose conecta a tierra con un cable deenerga, la capacitancia tpica deconexin a tierra es de unos 120 nF.

En condiciones de falla monofsicase pueden provocar sobrevoltajespeligrosos, cuya magnitud dependede la relacin X0/X1 del circuito.

Los generadores tpicos delos centros industriales son de 20 a50 MVA a 13.8 kV,aproximadamente. En este tamaode generadores es comn contar consistemas de excitacin de ncleosaturable para limitar la aportacinde corriente de cortocircuito. Losreactores de ncleo saturable seconectan en serie con los devanadosdel estator. La salida de estosreactores alimenta el voltaje alrectificador del sistema deexcitacin. Si un generador de estetipo se encuentra aislado de tierra,es decir, si est conectado a tierra atravs 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 deexcitacin. Se sabe del caso de ungenerador que al efectuar la prueba

Foto 1. Dao ocasionado por la falla del ncleo de un generadorque operaba sobreexcitado.


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de rechazo de carga gener unasobretensin que afect al rotor,produciendo cortocircuitos entreespiras.

La mayora de los centrosde trabajo que tienen conexin conla red pblica lo hacen a travs deun alimentador de 115 kV quealimenta a uno o dostransformadores en paralelo, quereducen la tensin a 13.8 kV, que esla tensin de generacin ydistribucin de los centros. Se debeestudiar y analizar la mejoralternativa de conexin del sistemaelctrico industrial con la redpblica. En algunos centros handecidido conectarse al bus desincronizacin a travs de reactoresserie. Esto crea problemas deregulacin de voltaje y la necesidadde sobreexcitar los generadores,ocasionando problemas en losncleos de los estatores. Laoperacin de este tipo de esquemaha resultado problemtica. Enparticular, en uno de los centros detrabajo que est conectado a travsde reactores y que tiene los neutrosde los transformadores conectados atravs de cable de energa sepresent un transitorio al intentar

conectar uno de los neutros de lostransformadores a tierra, haciendooperar el interruptor de lnea 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 monofsica es muybaja y la energa se tiene que disiparen forma de voltaje transitorio, queva daando gradualmente elaislamiento de los equipos. El tipode conexin a tierra de los equipos

primarios en el centro industrialdebe analizarse cuidadosamenteantes de llevar a cabo la conexin ala red pblica.

Cuando se tiene un soloequipo conectado a tierra, el otrosufre un sobrevoltaje transitorio. Encasos extremos se pueden llegar aproducir fallas simultneas, 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 ocurri la falladel cable de un alimentador que,aunque fue debidamente liberadapor el interruptor, origin unasobretensin que da untransformador de potencia. Eltransformador despus de la falla semuestra en la foto 2.

En otro centro de trabajoque tiene un bus de neutros comnentre los generadores y lostransformadores de la subestacinde enlace de 115 kV se haobservado la operacin anormal delos interruptores de lostransformadores cuando se cambiala conexin a tierra de los neutrosde un dispositivo a otro. Es

Figura 3. Esquema de un centro de produccin con reactores serie en la conexin a la red pblica.

Las ventajas que tiene elcentro de tener unainterconexin con la redpblica son las siguientes: Energa de respaldoinmediata para aliviarsituaciones de emergencia. Estabilidad de voltaje yfrecuencia. Manejo econmico de lageneracin y consumo deenerga. Flexibilidad en losprogramas de mantenimiento.

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necesario llevar a cabo anlisis,mediciones de transitorios devoltaje y evaluacin de los equiposde potencia y de instrumentos paraentender mejor estos problemas yestablecer esquemas de proteccinadecuados que disminuyan el efectode los voltajes transitorios en elequipo primario y en lassubestaciones.

Anlisis de los sistemaselctricos interconectadosPara conocer el comportamiento delequipo de los sistemas elctricos 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 efectuaranlisis como flujos de carga,cortocircuito, coordinacin deprotecciones y estabilidad. Losresultados se deben analizar desdeel punto de vista de los efectos yrepercusiones que pueden originaren los equipos que integran elsistema elctrico (Garca P., J.et al., 1999).

Para obtener resultadosconfiables de los anlisis que serealizan es importante contar con lainformacin de los parmetros delos diferentes equipos elctricos queconforman el sistema de cada centro

de produccin. Generalmente, parael anlisis de la interconexin de lossistemas de los centros deproduccin con la red de serviciopblico no es necesario entrar a unnivel detallado. Es suficienteconsiderar slo el nivel de tensinen la generacin del centro yconcentrar las cargas.

La flexibilidad de losdiferentes paquetes de cmputo quese encuentran en el mercado paraeste tipo de estudios permitenrealizar anlisis de los distintosescenarios que pueden presentarseen la conexin entre los centros deproduccin y los centros a la red, loque permite variar potencias yvoltajes de generacin ydistribucin en cuanto a flujos decarga, as como simular diferentesesquemas de conexin a tierra degeneradores y transformadores.Asimismo, se puede evaluar lainclusin o eliminacin de reactoreslimitadores de corriente paracondiciones de cortocircuito y flujode cargas. Deben efectuarse

mediciones con el equipo enoperacin para definir los niveles desobretensin que se generan, ya seaen operaciones de maniobra o ensituaciones de falla. La medicin devoltajes transitorios tiene que sercon divisores de tensin ytransformadores de corriente quetengan un ancho de banda adecuado.

Con los resultadosobtenidos de los anlisis que serealizan se puede predecir laexistencia de problemasrelacionados con envejecimientosprematuros, sobrecalentamiento deequipo, efectos de armnicos y, engeneral, problemas del equipo enoperacin.

La revisin peridica delequipo principal mediante pruebasde diagnstico permite definir suestado y tomar las precaucionesnecesarias para tomar las accionespreventivas o correctivas que seannecesarias. Con estas inspeccionesse evala el efecto que tienen lascondiciones transitorias y suenvejecimiento normal. Cuando

Los generadores tpicos de loscentros industriales son de 20a 50 MVA a 13.8 kV,aproximadamente. En estetamao de generadores escomn contar con sistemas deexcitacin de ncleo saturablepara limitar la aportacin decorriente de cortocircuito.

Foto 2. Dao 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 quetambin pudo verse involucrado en elevento.

Otra forma de definir elestado de los equipos es mediantepruebas efectuadas en lnea. Estemtodo tiene la ventaja de que elequipo est sometido a los esfuerzosnormales de operacin y acondiciones transitorias. Se estnhaciendo los desarrollos necesariospara evaluar en lnea el equipoelctrico principal. La informacinobtenida se debe utilizar para definiresquemas ptimos de operacin queno causen un deterioro acelerado delequipo.

ConclusionesLa conexin de los centrosindustriales con generacin propia ala red pblica representa grandesventajas tcnicas y econmicas.Deben tomarse las precaucionesnecesarias para evitar que el equipoprincipal se dae. Los esquemas depuesta a tierra se deben analizarcuidadosamente, no slo encondiciones de operacin normal sinoprincipalmente en condicionestransitorias.

La revisin peridica delequipo durante mantenimientosprogramados, el anlisis de las fallas yla determinacin de sus causas

(cuando ocurran), as como elmonitoreo en lnea del equipoprincipal son fuentes de informacinque deben tomarse en cuenta paradefinir la configuracin de la red ypara establecer las prcticas deoperacin que sean convenientes.

ReferenciasFox, F.K., Ground fault test on high-resistance grounded 13.8 kV electricaldistribution system of modern largechemical plant -I, IEEE Transactions onIndustry Applications, vol. IA-10, nm. 5,septiembre-octubre de 1974, pp. 581-600.

Garca Paredes, J., J. Lpez e I. Rosales,Evaluacin para definir la interconexin delenlace de la CFE con el sistema elctricodel complejo procesador de gas NuevoPemex, reporte final IIE/03/32/11716/RF01/99, 30 de diciembre de 1999.

Mc Clung, L.B. y B.W. Whittington,Ground fault test on high resistancegrounded 13.8 kV electrical distributionsystem of modern large chemical plant -II,IEEE Transactions on Industry Application,vol. IA-10, nm. 5, septiembre-octubre de1974, pp. 601-617.

Nava, A., O. Escorsa, I. Rosales, V. Vargas yA. Garca, Evaluacin del equipo elctricode alta tensin del circuito IA-1/T1/CF-10de la refinera Lzaro Crdenas, reportefinal IIE/03/32/10662/RF03/99, 23 de juliode 1999.

Powell, L.J., The impact of systemgrounding practices on generator faultdamage, IEEE Transactions on IndustryApplication, vol. 34, nm.5, septiembre-octubre de 1998, pp. 923-927.

Inocente Rosales SedanoIngeniero electricista (1977) egresado de la

Facultad de Ingeniera de la UniversidadNacional Autnoma de Mxico (UNAM), ymaestro en ciencias (1994) por la Universidadde Salford, Inglaterra. Ingres al IIE en 1979,en donde actualmente es investigador de laGerencia de Equipos [email protected]

Juan Jos Lpez VelzquezIngeniero electricista por la Facultad deIngeniera Mecnica, Elctrica y Electrnica dela Universidad de Guanajuato. Ingres al IIE en1995, en donde es investigador de la Gerenciade Equipos [email protected]

Job Garca ParedesIngeniero electricista por la Facultad deCiencias Qumicas e Ingeniera de laUniversidad Autnoma de Morelos (UAEM).Ingres al IIE en 1996, en donde esinvestigador de la Gerencia de [email protected]

Edgar Robles PimentelVer currculum en la pgina 8.

David Garca lvarezIngeniero electricista egresado de laUniversidad de Michoacana de San Nicols deHidalgo. Ingres a Pemex en 1979 en donde esasesor de Ingeniera de Instalaciones de laSubdireccin de Produccin de Pemex Gas yPetroqumica Bsica. Tiene amplia experienciaen el mantenimiento elctrico de las plantas deproceso de Pemex Gas y Petroqumica [email protected]

Benigno Guzmn CamachoIngeniero electricista egresado del InstitutoTecnolgico de Ciudad Madero. Ingres aPemex en 1979 en donde es consultor deMantenimiento Elctrico de la Subdireccin deProduccin de Pemex Refinacin. Tiene ampliaexperiencia en el mantenimiento elctrico delas plantas de proceso de Pemex [email protected]

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