Soluciones para redes autorrecuperables

Mayor confiabilidad del alimentador principal al incrementar el seccionamiento de fallas
Los sistemas de distribución son cada vez más complejos gracias a la conexión de vehículos eléctricos y fuentes de energía distribuida, incluidas las fuentes renovables y la energía almacenada. En medio de estos desafíos, las redes autorrecuperables son esenciales para mejorar la confiabilidad y asegurar la estabilidad

Texto e imágenes: S&C Electric Company

En esencia, la optimización de la confiabilidad del alimentador principal significa minimizar el número de clientes, sin mencionar el inconveniente de las fallas transitorias y persistentes. Históricamente, esto ha sido igual a que las compañías eléctricas implementen secuencialmente las siguientes estrategias y objetivos para la mitigación de fallas, utilizando soluciones con costo justificado.

Por ello, hay que tomar en consideración los siguientes aspectos:

  • El incremento del seccionamiento de fallas en el alimentador principal para reducir los índices SAIFI (frecuencia media de interrupción), SAIDI (tiempo total promedio de interrupción) y MAIFI (frecuencia media de eventos de interrupción momentánea)
  • Conectar alimentadores en anillo para reducir más la SAIFI y el SAIDI:
    1. Inicialmente la transferencia manual de carga sin falla a los alimentadores adyacentes
    2. La automatización de la transferencia de carga sin utilizar dispositivos de comunicación
  • Restaurar la carga rápidamente, utilizando la comunicación para extender más las reducciones en la SAIFI y el SAIDI:
    1. Sin sobrecargar los alimentadores de apoyo
    2. Utilizando múltiples interconexiones de alimentadores

Desafortunadamente, las compañías eléctricas a menudo pasan por alto escoger el mejor producto que satisfará todos estos objetivos desde el inicio, debido a que no anticipan el incremento en los costos y retos asociados, como tampoco las complejidades de las metas subsecuentes.

Así que, en lugar de seleccionar un producto altamente flexible que, paulatinamente y sin esfuerzo, consiga el primer objetivo y la última meta, en su lugar las compañías eléctricas optan por productos familiares de bajo costo, los cuales se  espera que alcancen las estrategias iniciales más fáciles.

Eventualmente, las compañías eléctricas descubren los costos significativos, involucrados en hacer los productos de bajo costo más sofisticados y adaptables. Luego, si no aumentan el producto con componentes secundarios locales y remotos que lo hagan más inteligente, a pesar del aumento subsecuente en los costos, las compañías acabarán por reemplazarlo conforme progresa el programa de confiabilidad.

Por lo tanto, la solución sería un producto altamente flexible, cuya principal característica sea incrementar el seccionamiento de fallas en el alimentador principal. Aunque las compañías eléctricas podrían considerar esto como un simple objetivo, el presente artículo demostrará que los reconectadores limitan una meta de segmentación de un alimentador.

En el siguiente ejemplo, se hará una comparación entre la tecnología de reconexión usada en el pasado y las capacidades de un interruptor de fallas que atiende las necesidades de la red en el siglo XXI.

Incrementando el seccionamiento de fallas en el alimentador principal
Utilizando el interruptor de fallas IntelliRupter® de S&C o reconectadores, una compañía eléctrica intenta dividir un alimentador aéreo de 14.3 millas, 25 kV en segmentos iguales para que cada segmento tenga un número igual de clientes. La corriente de falla disponible en el interruptor de circuito de la subestación es de 12,000 amperes y su activación de sobrecorriente de fase es de 900 amperes, o el doble de la capacidad de carga de 450 amperes del alimentador.

Adicionalmente, la carga máxima del alimentador es de 300 amperes, lo cual deja 150 de capacidad libre para la restauración ocasional (manual) de carga sin fallas en los alimentadores adyacentes. Pronto, la compañía utilizará esta capacidad libre para apoyar la restauración de carga automatizada, una vez que el alimentador esté unido a un alimentador adyacente, vía un interruptor de fallas normalmente abierto.

Debido a que el mejoramiento de la confiabilidad es la razón primaria para segmentar el alimentador, el usuario desea que la construcción final sea para maximizar el número de secciones del alimentador. Esto significa que, eventualmente, la instalación de tantas series de reconectadores o interruptores de fallas IntelliRupter® será posible.

El usuario prefiere los dispositivos de seccionamiento del alimentador que inicialmente no requieren de comunicación para la coordinación de protección entre estos dispositivos, normalmente cerrados. Esto significa también que, de entrada, no se debería requerir de baterías.

Un alimentador de 14.3 millas, 25 kV es exitosamente segmentado seis veces utilizando cinco interruptores de fallas IntelliRupter®

La solución óptima
La figura 1 sugiere que este alimentador puede ser segmentado seis veces utilizando cinco interruptores de fallas IntelliRupter®, o IRs, (no se muestra un futuro interruptor de fallas IntelliRupter® normalmente abierto). La distancia entre los dispositivos del alimentador varía, indicando cómo la compañía eléctrica dividiría el alimentador para lograr una distribución igual para los clientes.

A la par, los niveles mínimos de disparo de todos los interruptores de fallas proporcionan mucho más que los 50 amperes de carga máxima por segmento del alimentador (300 A ÷ 6 = 50 A). Y el IR #5, se adaptará fácilmente al dispositivo futuro automatizado normalmente abierto, así como a los 150 amperes de corriente de recuperación de carga del alimentador adyacente.

La figura 1 ilustra también las características de tiempo corriente (TCCs) y la coordinación convencional tiempo corriente del interruptor automático y los interruptores de fallas. Debido a que éstos utilizan la precisión de la detección de las bobinas de Rogowski y su control tiene tolerancias rígidas de protección, pueden ser fácilmente coordinados uno con el otro, y con el interruptor automático de la subestación.

Además, el interruptor automático y las TCCs han sido truncadas a su máxima corriente de falla disponible. Por ejemplo, la TCC del interruptor automático se detiene a los 12,000 amperes, mientras que la TCC del IR #1 se detiene a los 6,000 amperes.

La razón de que las TCCs se detengan en  sus respectivos niveles de corriente, obedece a que la corriente de falla se reduce conforme la distancia de la fuente (o del interruptor automático de la subestación) se incrementa. Consecuentemente, nunca detectarán más de la corriente indicada.

Así que, para ser apropiadamente coordinados, la respuesta máxima (línea superior) de sus TCCs no debe tocar la respuesta mínima (línea inferior) de las TCCs aguas arriba en o por debajo de este nivel de corriente.

Finalmente, esta gráfica de coordinación proporciona un plan de acción para el despliegue de los interruptores de fallas. Esto significa que el usuario aumente la confiabilidad instalando inicialmente el IR #2 y el IR #4 de la figura 1, dividiendo el alimentador en tres segmentos iguales de clientes de 100 amperes. Después, cuando el presupuesto lo permita, la compañía eléctrica puede agregar los interruptores de fallas restantes uno por uno, o todos juntos para lograr la máxima segmentación de 50 amperes por sección de alimentador.

Un alimentador de 14.3 millas, 25 kV es segmentado sin éxito seis veces utilizando cinco reconectadores trifásicos

La opción del reconectador
Entonces, la compañía eléctrica considera utilizar un reconectador trifásico y control para lograr la misma segmentación del alimentador mostrada en la figura 1. Sin embargo, la figura 2 ilustra por qué este reconectador (RC) no puede lograr la coordinación tiempo corriente alcanzada por interruptor de fallas IntelliRupter®.

Como en la figura 1, la carga y las distancias entre los dispositivos son las mismas, y también lo es la corriente de falla disponible en cada uno. Sin embargo, el error de la proporción de la corriente primaria con la secundaria del núcleo de hierro de los transformadores de corriente del reconectador, y las tolerancias de protección menos precisas del control de reconectador, impiden que las TCCs resultantes estén adecuadamente separadas.

En consecuencia, el mínimo (líneas inferiores o izquierdas) y el máximo (líneas superiores o derechas) de las tolerancias de respuesta de la mayoría de las TCCs se sobreponen. Esto significa que los niveles de falla entre, aproximadamente, 1,400 y 4,400 amperes siempre resultarán en dos o más reconectadores disparándose. Adicionalmente, mientras más amplias sean las bandas de tolerancia del control del reconectador, más les evitan adaptarse a la corriente de falla total cuando la contribución de carga es considerada.

Por ejemplo, el reconectador #1 podría estar detectando 250 amperes de carga justo antes de que ocurra una falla. Esto es verdadero, ya que su segmento del alimentador y las cuatro secciones del alimentador aguas abajo estarían sirviendo cada una a 50 amperes de carga (50 x 50 A = 250 A).

Cuando ocurre una falla, esta corriente de carga se agrega inicialmente a la corriente de falla. Así que, si la falla era 1,000 amperes, la corriente de falla total detectada por el reconectador #1 se convierte en 1,250 amperes.

Debido a que esta contribución de carga a la corriente de falla total ocurre para todos los dispositivos desde el interruptor automático hasta el reconectador #5, los dispositivos aguas arriba operan más rápido de lo que se ilustra en la gráfica de coordinación de la figura 2. Por lo tanto, las fallas por debajo de los 1,400 amperes también es posible que causen que dos o más reconectadores se disparen.

Un alimentador de 14.3 millas, 25 kV es exitosamente segmentado cuatro veces utilizando tres reconectadores

Seccionamiento de falla reducida del reconectador
La figura 3 indica que un enfoque más prudente reduciría el número de reconectadores en serie de cinco a tres. También incrementaría las distancias entre los dispositivos para lograr una distribución igual para los clientes entre los cuatro segmentos del alimentador. Esto cambiaría la carga por segmento de 50 amperes en las figuras 1 y 2 a 75 amperes en la figura 3.

Debido a las distancias incrementadas entre los reconectadores, la corriente de falla disponible en el reconectador #1 ha cambiado de 6,000 amperes, en la figura 2, a 5,000 amperes. El reconectador #2 tiene aún la misma corriente de falla disponible que el reconectador #3, en la figura 2, y el reconectador #3, en la figura 3, tiene una corriente de falla disponible de 2,050 amperes.

Adicionalmente, los reconectadores ahora se encuentran adaptando apropiadamente los 75 amperes de carga en cada uno de los cuatro segmentos del alimentador. Y el reconectador #3 adaptará fácilmente el dispositivo futuro normalmente abierto y sus 150 amperes de corriente de transferencia de carga automatizada.

Fallas persistentes en el alimentador principal
Incrementar la segmentación de las fallas en el alimentador produce los beneficios en el SAIDI mostrados en la tabla 1. Estas mejoras ocurren debido a que las fallas persistentes en los segmentos del alimentador aguas abajo están siempre aisladas, habilitando la carga en los segmentos aguas arriba para ser restauradas automáticamente.

Utilizando el ejemplo anterior de la segmentación del alimentador, la tabla 1 indica los seis segmentos del alimentador resultantes de las cinco series de interruptores de fallas IntelliRupter® que producirían un beneficio en el SAIDI de 42 por ciento. Inversamente, los tres reconectadores (cuatro segmentos) solamente producirían un beneficio de 38 por ciento.

Ciertamente, los beneficios en el SAIDI del seccionamiento de fallas incrementado para un alimentador radial pueden limitar los planes iniciales de segmentación. Sin embargo, una vez que sea implementada la automatización de la transferencia de carga y la restauración inteligente de la carga, los beneficios de los alimentadores multisegmentados (cubiertos en las publicaciones subsecuentes) serán más obvios.

Conclusiones
Este ejemplo de segmentación ha demostrado que el interruptor de fallas IntelliRupter® constituye una mejor alternativa para maximizar el seccionamiento de fallas de un alimentador. Esto porque su detección extremadamente precisa y las tolerancias en la medición habilitan más dispositivos que serán convencionalmente coordinados en tiempo corriente de lo que lo hacen los reconectadores de hoy en día.

Debe notarse que otros ajustes de protección del interruptor automático, la topología del alimentador y las características de las fallas determinarán en última instancia cuántas series de interruptores de fallas IntelliRupter® podrán ser convencionalmente coordinados. A pesar de estas influencias, las respuestas más estrictas de las TCCs del interruptor de fallas asegurarán que más dispositivos puedan ser coordinados más de lo que lo hacen los reconectadores sin importar su fabricación.

Los usuarios prefirieron que los interruptores de fallas no requieran de baterías. No obstante, la mayoría de los reconectadores modernos y los controles no se dispararán sin ellas o sin un suministro de energía ininterrumpido (UPS). En otras palabras, cuando se pierde el suministro del alimentador durante un tiempo extenso y el reconectador permanece cerrado, entonces depende de las baterías (o de un UPS) para dispararse, si una falla está presente cuando el suministro se reanude.

Inversamente, el interruptor de fallas se autoalimenta, lo que significa que las compañías eléctricas pueden implementarlo sin baterías. Pero los usuarios fácilmente pueden agregarlos en el futuro cuando se instale el dispositivo de comunicación. Asimismo, la detección de la tensión de seis fases es requerida para la protección de sobrecorriente bidireccional que está presente inmediatamente.

También se han anticipado los aditamentos para el hardware integrado de comunicación que apoyará eventualmente el software de restauración de carga de inteligencia distribuida preinstalado. Los siguientes pasos del programa de mejoramiento de la confiabilidad, descritos en la introducción, serán significativamente más fáciles de implementar utilizando interruptores de fallas en lugar de reconectadores.

Así que, a diferencia de éstos, el interruptor de fallas IntelliRupter® ha sido diseñado para la transición perfecta de aplicaciones radiales a operaciones de restauración de carga inteligente, compleja y altamente sofisticada. Este proceso de inteligencia distribuida y restauración de carga solamente tomará décimas de segundos en completarse.

Nota: El caso base de la tabla 1 es un alimentador radial no segmentado con falla uniforme y con tiempos de la distribución de los clientes y la reparación de fallas.