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• Freddy Jesus Gonzales Marchena

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INKA’S BERRIES S.A.C.

INKA´S BERRIES S.A.C SANTA MARIA – HUAURA – LIMA

ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE LA PROTECCIÓN SUMINISTRO EN MEDIA TENSION 20 KV (OPERACIÓN INICIAL 10 KV), PARA UNA MÁXIMA DEMANDA HASTA 600 KW, TARIFA MT3

Enero - 2018

INKA’S BERRIES S.A.C.

CONTENIDO 1.0

OBJETIVO

2.0

ALCANCES

3.0

NORMAS EMPLEADAS

4.0

ESQUEMA ELÉCTRICO EN ESTUDIO

5.0

CALCULO DEL FLUJO DE CARGA

6.0

CALCULO DE CORTOCIRCUITO

7.0

SELECCIÓN Y AJUSTE DE LAS PROTECCIONES FASES

8.0

7.1

Criterio de Ajuste de Sobrecorriente de fases

7.2

Selección de Fusibles de Protección

7.3

Ajuste del relé R1 (Thytronic) – salida SED 0520S Celda 03/H-05

7.4

Coordinación entre relé R1 y Fusible de Expulsión F1

7.5

Coordinación entre Fusible de Expulsión F1 y relé R2

7.6

Ajuste del relé R2 (ETMFC101) – llegada a la Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C.

7.7

Coordinación entre relé R2 y Fusible de Expulsión F2

SELECCIÓN Y AJUSTE DE LAS PROTECCIONES TIERRA 8.1 8.2 8.3

9.0

Criterio de Ajuste de Sobrecorriente de Tierra Ajuste de Relé R1 (Thytronic) salida SED 0520S Celda 03/H-05 Ajuste de Relé R2, llegada a la Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C. lado 10 kV.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

10.0 ANEXOS

Anexo 1: Curvas de Coordinación Anexo 2: Resumen de Ajustes Anexo 3: Flujo de Potencia Anexo 4: Cortocircuito trifásico Anexo 5: Cortocircuito monofásico

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ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE LA PROTECCIÓN

1.0

OBJETIVOS Establecer una adecuada coordinación de la protección en media tensión entre los diferentes elementos de protección instalados en el SUMINISTRO EN MEDIA TENSION 20 KV (OPERACIÓN INICIAL 10 KV), PARA UNA MÁXIMA DEMANDA HASTA 600 KW, TARIFA MT3 y el relé principal salida SED 0520S Celda 03/H-05 perteneciente a la empresa distribuidora de energía eléctrica ENEL PERU S.A. Así mismo, se verificará la suficiencia del equipamiento de las nuevas instalaciones, asegurando que en ningún caso impacten negativamente al sistema eléctrico existente. Para ello, se demuestra que la instalación del transformador ha sido diseñada para conectarse a ENEL PERU S.A. sin entorpecer la expansión del sistema, preservando los criterios de una adecuada operación y seguridad, garantizando la continuidad y calidad del suministro eléctrico.

2.0

ALCANCES -

El estudio está basado en el proyecto del sistema de utilización primaria indicado en la Memoria Descriptiva, el cual comprende explotación bajo configuración radial y régimen de neutro del sistema sólidamente a tierra en 10 kV.

-

El suministro de energía eléctrica será diseñado desde el punto de entrega en Media Tensión 10 kV, salida SED 0520S Celda 03/H-05 en 10 KV.

-

La corriente de Cortocircuito Trifásica es de 2,309 kA (40 MVA) y para cortocircuito monofásico 1,232 kA (7,09 MVA) en el punto de salida SED 0520S Celda 03/H-05 en 10 KV.

-

La información de la red está constituida por sus características y capacidad instalada, asimismo, por el detalle de los equipos de protección y maniobra a partir del punto de salida SED 0520S Celda 03/H-05 en 10 KV.

-

La filosofía de la protección de la red de media tensión en 10 kV está basada en la activación de las funciones de falla entre fases y tierra no direccionales que se tiene en el relé de cabecera Thytronic salida SED 0520S Celda 03/H05 en 10 KV, así mismo en la celda de llegada de la subestación aérea Biposte de INKA’S BERRIES S.A.C. donde se ha definido el relé ETMFC101 para la protección del transformador.

-

El principio de coordinación de la protección principal de subestación aérea Biposte de INKA’S BERRIES S.A.C. y la protección principal de ENEL PERU S.A. se basará en la coordinación por curva de tiempo definido, y tomará como base los ajustes proporcionados por la empresa distribuidora de Energía para su relé de protección principal de la salida SED 0520S Celda 03/H-05 en 10 KV perteneciente a la SE Huacho.

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3.0

NORMAS EMPLEADAS El estudio presentado ha sido desarrollado en base a las siguientes normas: - IEC 60282-1 High-Voltage Fuses - Part 1: Current-Limiting Fuses. - IEC 60787 Application Guide for the Selection of Fuse-Links of HighVoltage Fuses for Transformer Circuit Applications. - IEEE C37.48.1 Guide for the Operation, Classification, Application, and Coordination of Current-Limiting Fuses with Rated Voltages 1 - 38 Kv - IEEE C37.112 Standard Inverse-Time Characteristic Equations for overcurrent Relays. - IEC 255-3 Electrical Relays – Part 3: Single Input Energizing Quantity Measuring Relays with Dependent or Independent Time

4.0

ESQUEMA ELÉCTRICO EN ESTUDIO A continuación se muestra de forma esquemática los diferentes elementos de protección que formaran parte del análisis de selectividad:

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TRAFOMIX TMEA XX C 0.2

Red Subterranea de Derivacion, con Cable NA2XSY de 3 x 70 mm2

3x70 mm2 AAAC

25 m

Bobinas de Tension de 50 VA, 20/.23 kV

Bobinas de Corriente de 30 VA 1/5A

Red Aerea de Derivacion, con Cable AAAC de 3 x 70 mm2

PUNTO DE ENTREGA estructura 60433 -Alimentador H-05

SISTEMA DE MEDICION

SECCIONADOR FUSIBLE TIPO EXPULSION (Cut Out) 27KV - 200A, 150 KV(BIL) Fus=100 A, Tipo K

Cable CCT-B, 7 x 2.5mm2 Medidor Electronico de Energia y Potencia Multifuncion C 0.2, 3 H

TRANSFORMADOR 3ø - DE 630 KVA 10-20/0.46(90%)/0.23(10%)KV Dyn5/YNyn6 - ONAN

SECCIONADOR TIPO INTERRUPTOR DE FALLA EXPULSION (CUT OUT) 25.8KV - 100A, 150 36KV - 100A, 150 KV(BIL) KV(BIL) FUS=40A, TIPO K

AAAC 70mm2 3m

SUB ESTACION AEREA EN BIPOSTE

Fig. 1: Esquema Eléctrico en estudio DPA Huacho 5.0

CALCULO DE FLUJO DE CARGA A continuación se presenta los valores de tensión y el porcentaje de caída de tensión de la red en estudio, donde se modelo con los parámetros eléctricos de la red y las cargas suministradas por ENEL PERU S.A. Barra Punto de salida SED 0520S Celda 03/H05 Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C.

Caída de Tensión 10 kV

+0,00%

9,9 kV

+1,00%

Ver diagrama flujo de potencia en Anexo Nº 3.

6.0

CALCULO DE CORTOCIRCUITO Las consideraciones para el cálculo fueron: ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Parámetros Equivalente Thevenin en SED 0520 Celda 03/H-05

250 m

Cable de Aluminio T. AAAC Existente

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Potencia de cortocircuito Corriente de cortocircuito Ratio máximo R/X Ratio máximo Z2/Z1 Ratio máximo X0/X1 Ratio máximo R0/X0

: : : : : :

40,00 MVA 2,309 kA 0,01 1,00 1,00 0,01

A continuación se presenta los valores calculados de cortocircuito trifásico y bifásico de la red en estudio, donde se modelo con los diferentes parámetros eléctricos de la red de media tensión. Barra

Falla Trifásica

Punto de salida SED 0520S 2,309 KA 40,00 MVA Celda 03/H-05 Subestación Aérea Biposte 2,192 kA 1,173 MVA INKA’S BERRIES S.A.C.

Falla Monofásica 1,232 kA

7,75 MVA

2,869 kA

6,77 MVA

Tabla 1: Corrientes de Cortocircuito Ver cortocircuito trifásico en Anexo Nº 4. Ver cortocircuito monofásico en Anexo Nº 5. A continuación se muestra los niveles de cortocircuito trifásico con diferentes tipos de falla a lo largo del alimentador:

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FALLA TRIFASICA:

FALLA MONOFASICA:

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7.0

SELECCIÓN Y AJUSTE DE LAS PROTECCIONES DE SOBRE CORRIENTES DE FASE 7.8

Criterio de Ajuste de Sobrecorriente de fases Para el cálculo de ajustes básicamente se han seguido los siguientes criterios: Corriente de Arranque.- Se ha ajustado teniendo en cuenta la potencia instalada del transformador de distribución además de la máxima demanda y un 20-50% de sobrecarga. Temporización.- Se ha determinado de modo que las protecciones despejen la falla en forma selectiva fusible tipo expulsión F1 en el punto de entrega y F2 en transformador, relé R1 (Thytronic) salida de SED 0520S Celda 03/H05 y relé R2 (ETMFC101) llegada a subestación aérea Biposte en INKA’S BERRIES S.A.C.

7.9

Selección de Fusibles de Protección Se muestra la selección del fusible, teniendo como límite superior la curva de daño del transformador de distribución de 630 kVA, corriente nominal y corriente de energización, así verificando la no actuación ante energizaciones en vacío. Se concluye que el fusible de expulsión de 40 A protege al transformador de distribución de 630 kVA, la cual protege ante sobrecargas y no permite llegar al daño mecánico, así mismo no operará ante corrientes de energización en vacío.

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Fig. 2: Curva de selección de fusible de protección tipo “K” de 40 A.

7.10 Ajuste del relé R1 (Thytronic) – salida SED 0520S Celda 03/H-05 A continuación se muestra el ajuste del relé R1 (Thytronic) proporcionado por la concesionaria ENEL S.A en la salida SED 0520 Celda 03/H-05 en 10 kV. Ajuste del relé R1 (Thytronic) salida SED 0520S Celda 03/H-05, lado 10 kV (actual) Ajuste de Fases Temporizado 51 TC: 250/5 A I> 7,50 A sec (375 A pri) Curva Tiempo Definido t>0,1 s

Ajuste Fases Instantáneo 50 TC: 250/5 A I>> OFF

A fin de mantener selectividad entre los equipos de protección se recomienda mantener la corriente de arranque del relé R1 (Thytronic) a un valor de 375 A-pri, manteniendo del mismo modo el Dial y el tipo de curva para conservar márgenes de coordinación adecuados. 7.11 Coordinación entre relé R1 y Fusible de Expulsión F1 La aplicación de este tipo de arreglo se da entre dispositivos ubicados en diferentes localidades, el relé en una subestación como protección de un circuito de distribución y el fusible como protección de un ramal sobre la línea de distribución. El criterio establece que debe existir un margen mínimo de tiempo de coordinación de cuando

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menos 0,3 segundos entre la curva tiempo de interrupción total (TIT) del fusible y la curva característica del relé para la máxima corriente de cortocircuito común a ambos dispositivos. Este margen es para evitar posibles modificaciones en las características físicas del fusible debido al calentamiento excesivo. Se define a t2 como el tiempo de operación del relé para la máxima falla y a t1 como el tiempo de interrupción total de apertura del fusible primario para la misma falla, el criterio puede ser definido como:

𝑡2 − 𝑡1 = (0,3 − 0,4 𝑠𝑒𝑔)

Fig. 3: Curva de protección relé R1 y fusible de expulsión F1. 7.12 Coordinación entre Fusible de Expulsión F1 y relé R2 La aplicación de este tipo de arreglo se da entre dispositivos ubicados en la red de distribución, siendo el fusible de respaldo la protección de un ramal del circuito y pudiendo ser el fusible primario, la protección de un subramal o bien de un transformador de distribución. El criterio establece que debe existir un margen mínimo entiempo de coordinación del 25% del tiempo de la curva característica TMF del fusible de respaldo, entre esta y la curva característica TIT del fusible primario, para la máxima corriente de cortocircuito común a ambos dispositivos. Este margen es para evitar posibles modificaciones en las características físicas del fusible debido al calentamiento excesivo. Se define a t2 como el tiempo mínimo de fusión del fusible de respaldo para la falla de referencia y a t1 como el tiempo de máximo de apertura del fusible primario para la misma falla, el criterio puede ser definido como:

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𝑡1 ≤ 75% 𝑡2

Fig. 4: Curva de protección fusible de expulsión F1 y relé R2. 7.13 Ajuste del relé R2 (ETMFC101) – llegada a la Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C. A fin de mantener selectividad entre los equipos de protección se recomienda ajustar las protecciones de fases para una potencia de 545 kW que es igual a 36,37A más un porcentaje de sobrecarga (=50 A), la curva y dial se obtienen a través del método gráfico. Ajuste del relé R2 (ETMFC101) llegada Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C. lado 10 kV. Ajuste de Fases Temporizado 51 TC: 50/1 A I> 1,00 A sec (505 A pri) Curva Tiempo Definido t>0,03 s

Ajuste Fases Instantáneo 50 TC: 50/1 A I>> OFF

7.14 Coordinación entre relé R2 y Fusible de Expulsión F2 La aplicación de este tipo de arreglo se da entre dispositivos ubicados en diferentes

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localidades, el relé en una subestación como protección de un circuito de distribución y el fusible como protección de un ramal sobre la línea de distribución. El criterio establece que debe existir un margen mínimo de tiempo de coordinación de cuando menos 0,3 segundos entre la curva tiempo de interrupción total (TIT) del fusible y la curva característica del relé para la máxima corriente de cortocircuito común a ambos dispositivos. Este margen es para evitar posibles modificaciones en las características físicas del fusible debido al calentamiento excesivo. Se define a t2 como el tiempo de operación del relé para la máxima falla y a t1 como el tiempo de interrupción total de apertura del fusible primario para la misma falla, el criterio puede ser definido como:

𝑡2 − 𝑡1 = (0,3 − 0,4 𝑠𝑒𝑔)

Fig. 5: Curva de protección relé R2 y fusible de expulsión F2.

A continuación se muestra la gráfica de selectividad de fases con los ajustes del relé R1 actual, fusible de expulsión F1, relé R2 y del fusible de expulsión F2 comprometidos en el sistema de protección.

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Fig. 6: Curva de protección relé R1, fusible F1, relé R2 y fusible F2

8.0

SELECCIÓN Y AJUSTE DE LAS PROTECCIONES DE SOBRE CORRIENTE DE TIERRA 8.4

Criterio de Ajuste de Sobrecorriente de Tierra Para el cálculo de ajustes básicamente se han seguido los siguientes criterios: Corriente de Arranque.- En este caso los valores de arranque es elegido para despejar Fallas del orden de 21,04 A, falla determinada con resistencia de 300 ohms. Temporización.- Se ha determinado de modo que las protecciones despejen la falla en forma selectiva relé R2 en la llegada Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C. lado 10 kV. y relé R1 SED 0520S Celda 03/H-05 con un margen mínimo de 200 ms (200 a 400 ms).

8.5

Ajuste de Relé R1 (Thytronic) salida SED 0520S Celda 03/H-05 A continuación se muestra el ajuste del relé R1 (Thytronic) proporcionado por la concesionaria ENEL S.A en la SED 0520S Celda 03/H-05 en 10 kV.

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Ajuste del relé R1 (Thytronic) salida SED 0520S Celda 03/H-05, lado 10 kV (actual) Ajuste de Fases Temporizado 51N TC: 250/5 A Io> 0,12 A sec. (6,00 A pri.) Curva Tiempo Definido to>1,20 s

Ajuste Fases Instantáneo 50N TC: 250/5 A Io>> 0,60 A sec. (30,00 A pri.) to>> 0,30 s

Se mantiene la corriente de arranque de tierra temporizado del relé R1 salida SED 0520S Celda 03/H-05, con el valor de 6,0 A pri. y el dial en 1,20 s con lo que obtenemos un margen mínimo de coordinación de 200 ms con el relé R2 por lo que consideramos adecuado. Ajuste del relé R1 (Thytronic) salida SED 0520S Celda 03/H-05, lado 10 kV (propuesto) Ajuste de Fases Temporizado 51N TC: 250/5 A Io> 0,12 A sec. (6,00 A pri.) Curva Tiempo Definido to>1,20 s

8.6

Ajuste Fases Instantáneo 50N TC: 250/5 A Io>> 0,60 A sec. (30,00 A pri.) to>> 0,30 s

Ajuste de Relé R2, llegada a la Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C. lado 10 kV. La corriente de arranque de tierra temporizado del relé R2 para la llegada a la Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C. es de 6 A pri. Curva Tiempo Definido y el dial en 0,95 segundos, con lo que obtenemos un margen mínimo de coordinación de 200 ms con el relé de cabecera R1 por lo que consideramos adecuado. Ajuste del Relé R2, llegada a la Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C. lado 10 kV Ajuste de Fases Temporizado 51N TC: 50/1 A Io> 0,12 A sec. (6,00 A pri.) Curva Tiempo Definido to>0,95 s

Ajuste Fases Instantáneo 50N TC: 50/1 A Io>> 0,50 A sec. (25,00 A pri.) to>> 0,10 s

A continuación se muestra la gráfica de selectividad de Tierra con los ajustes

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propuestos para los relés comprometidos.

Fig. 7: Curva de protección del relé R1 y relé R2 Se verifica la selectividad y los tiempos de operación ante fallas monofásicas máximas y mínimas del sistema (con Rf = 300 Ohm), verificándose la adecuada coordinación entre los elementos de protección a implementar. Así mismo, la gráfica contiene la corriente de desbalance máxima (línea vertical roja) a circular por el neutro del sistema de utilización a consecuencia de perdida de una fase o un fusible quemado, verificándose que está por debajo del ajuste de tierra del alimentador, es decir se comprueba que ante la apertura asimétrica del seccionador, pérdida de una fase o por quema de un fusible en el sistema de utilización la protección de tierra de los relés no será afectada.

9.0

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 9.1

Las consideraciones para la simulación fueron: con la base de datos del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) concentrado en la S.E. Huacho 60 kV, en las condiciones de operación según el COES para el año 2018. Las simulaciones de corriente de cortocircuito han sido determinadas de acuerdo al método IEC.

9.2

Del estudio se tiene que es suficiente proteger al transformador de distribución con fusibles de expulsión tipo “K” de 40 A, ya que la pérdida parcial de una fase por actuación del fusible no provocara grandes

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desbalances para activar las protecciones de tierra de los elementos aguas arriba. 9.3

El presente estudio, considera como configuración de operación del sistema la topología radial con los parámetros eléctricos de la Red indicados en la Memoria Descriptiva del expediente técnico y bajo las condiciones de servicio normal. Cualquier cambio de la topología de la red y/o parámetros eléctricos debe considerar el reajuste de las protecciones.

9.4

El estudio de la coordinación considera como base los parámetros de ajustes para fallas por cortocircuito y tierra alcanzados por ENEL PERU S.A., cualquier actualización de ajustes y/o inclusión de algún equipo de protección intermedio entre SE Huacho y la llegada a la Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C., debe ser comunicado para la actualización de ajustes respectivo.

9.5

Se deberá solicitar a ENEL PERU S.A. el cambio de ajuste para las funciones de protección de fases y de tierra en su relé principal o los valores recomendados en el presente estudio, ya que ello garantizará la adecuada coordinación de la protección.

9.6

Es importarte hacer notar que el esquema de protecciones que se plantea (ajustes, criterios, etc), implica que el cambio de ajuste debe hacerse en forma integral, es decir, en todas las protecciones de los relés involucrados donde se recomienda cambio de ajustes, la selectividad no es garantizada si no se implementan todas las recomendaciones.

9.7

Por otra parte cuando se implementen los ajustes propuestos para los relés existentes, será necesario que todas las relaciones de transformación de los transformadores de corriente sean verificadas en el momento que se realicen los trabajos de ajuste o reajuste de dichas protecciones para corroborar la información suministrada para la realización de este estudio.

10.0 ANEXOS Anexo 1: Curvas de Coordinación Anexo 2: Resumen de Ajustes Anexo 3: Flujo de Potencia Anexo 4: Cortocircuito trifásico Anexo 5: Cortocircuito monofásico

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Anexo 1: Curvas de Coordinación

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SELECTIVIDAD DE LAS PROTECCIONES FALLAS ENTRE FASES 

Coordinación entre relé R1, fusible F1, relé R2 y fusible F2



Coordinación entre relé R1 y fusible F1

 

Coordinación entre fusible F1 y relé R2 Coordinación entre relé R2 y fusible F2

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Coordinación entre relé R1, fusible F1, relé R2 y fusible F2.

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Coordinación entre relé R1 y fusible F1.

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Coordinación entre fusible F1 y relé R2.

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Coordinación entre relé R2 y fusible F2.

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SELECTIVIDAD DE LAS PROTECCIONES FALLAS A TIERRA  

Coordinación entre relé R1 y relé R2 Fallas a tierra para resistencia de 0 Ohm.

 

Fallas a tierra para resistencia de 100 Ohm. Fallas a tierra para resistencia de 200 Ohm. Fallas a tierra para resistencia de 300 Ohm.



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Coordinación entre relé R1 y relé R2.

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Fallas a tierra para resistencia de 0 Ohm.

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Fallas a tierra para resistencia de 100 Ohm.

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Fallas a tierra para resistencia de 200 Ohm.

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Fallas a tierra para resistencia de 300 Ohm.

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Anexo 2: Resumen de Ajustes

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Selección de fusibles y ajustes en DPA Huacho Para la protección del transformador usaremos fusibles de expulsión tipo “K” según la potencia del transformador. TRANSFORMADOR TENSION (KVA) (KV) 630 10

IO N (A) 36.37

K (A) 40

AJUSTE DE FASES:

Ajuste del relé R1 (Thytronic) salida SED 0520S Celda 03/H-05, lado 10 kV (actual) Ajuste de Fases Temporizado 51 TC: 250/5 A I> 7,50 A sec (375 A pri) Curva Tiempo Definido t>0,1 s

Ajuste Fases Instantáneo 50 TC: 250/5 A I>> OFF

Ajuste del relé R2 (ETMFC101) llegada Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C. lado 10 kV. Ajuste de Fases Temporizado 51 TC: 50/1 A I> 1,00 A sec (505 A pri) Curva Tiempo Definido t>0,03 s

Ajuste Fases Instantáneo 50 TC: 50/1 A I>> OFF

AJUSTE DE TIERRA:

Ajuste del relé R1 (Thytronic) salida SED 0520S Celda 03/H-05, lado 10 kV (actual) Ajuste de Fases Temporizado 51N TC: 250/5 A Io> 0,12 A sec. (6,00 A pri.) Curva Tiempo Definido to>1,20 s

Ajuste Fases Instantáneo 50N TC: 250/5 A Io>> 0,60 A sec. (30,00 A pri.) to>> 0,30 s

Ajuste del Relé R2, llegada a la Subestación Aérea Biposte INKA’S BERRIES S.A.C. lado 10 kV Ajuste de Fases Temporizado 51N TC: 50/1 A Io> 0,12 A sec. (6,00 A pri.) Curva Tiempo Definido to>0,95 s

Ajuste Fases Instantáneo 50N TC: 50/1 A Io>> 0,50 A sec. (25,00 A pri.) to>> 0,10 s

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Anexo 3: Flujo de Potencia

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Anexo 4: Cortocircuito Trifásico

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Anexo 5: Cortocircuito Monofásico

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