INTRODUCCIÓN

El rápido crecimiento de la demanda de energía eléctrica ha llevado a considerar la interconexión de unidades pequeñas de generación eléctrica dentro del SEP, las mismas que adoptan el nombre de Generación Distribuida (GD).

De acuerdo con datos del CIGRE de 1999, en diversos países del mundo se ha incrementado el porcentaje de la potencia instalada de GD, en relación con la capacidad total instalada. Un ejemplo de estos países son Dinamarca y Holanda que actualmente alcanzan valores del 37% respecto a las unidades de GD conectadas a la red. Varios investigadores definen a la generación distribuida como:

“Instalaciones eléctricas de generación conectadas a un sistema eléctrico de distribución a través de un Punto Común de Conexión (PCC) ” . Si bien es consentido que la GD sea conectada al sistema de transmisión, en general esta es conectada en las redes de distribución. Independientemente del caso que sea, la idea primordial es que la GD debe ser conectada lo más cerca posible a la carga en cuestión. Por otra parte, define a la protección eléctrica como “la ciencia, la habilidad y el arte de aplicar y configurar relés y/o fusibles para proporcionar la máxima sensibilidad a fallas y condiciones indeseables en el sistema, pero evitando su funcionamiento en todas las condiciones permisibles o tolerables” con la finalidad de brindar seguridad ante situaciones anormales en los sistemas eléctricos.

Entonces el simple hecho de introducir una unidad de GD en un sistema eléctrico de distribución radial que posee un flujo unidireccional que viaja desde los transformadores de distribución de las subestaciones hacia las cargas finales.

Idealmente se establece que la continuidad del servicio eléctrico no deberá ser perturbado por ninguna variable, pero en realidad una situación anormal puede presentarse en cualquier instante de tiempo poniendo en riesgo la continuidad del servicio eléctrico y la integridad de los equipos instalados en el sistema de distribución, es por esto que actualmente un sistema de protección eléctrica funcional debe ser el seguro que salvaguarde la continuidad del servicio eléctrico y proteja a los equipos instalados.

se considera que la incorporación de la Generación Distribuida en un sistema eléctrico de distribución radial generará una serie de inconvenientes que afectan directamente al sistema de protección eléctrica de los cuales se destacan:

Variaciones en el valor de las corrientes de cortocircuito

Pérdida de coordinación entre dispositivos de protección.

Disparos involuntarios de las protecciones eléctricas.

Retardo en los tiempos de operación.

Al efectuar un análisis previo sobre los efectos que pueden presentarse en el sistema de protección de sobrecorriente del alimentador a causa de la interconexión de GD, se estará obteniendo información primordial que ayudara a prever posibles escenarios donde la corriente de cortocircuito generada por una falla cause mucho daño.

Varios países adoptan la norma Standard| IEEE 1547 (Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems), la cual determina una serie de ítems que hablan sobre la influencia de la GD en los actuales sistemas eléctricos, se utilizará esta norma para determinar e identificar los efectos que generara la interconexión de GD en el sistema de protección de sobrecorriente del alimentador de 13,8kV Vía Buena Fe.

El presente trabajo de investigación pretende mostrar el impacto que tiene la GD en el sistema de protección de sobrecorriente de una red de distribución radial, utilizando como caso de estudio el alimentador de 13,8kV Vía Buena Fe y su sistema de protección de sobrecorriente principal con la finalidad de:

Demostrar que los efectos que causa la GD en el sistema de protección de sobrecorriente en una red de distribución radial, varían en relación a la ubicación de la falla, ubicación de la GD y el número de unidades de GD.

Que los criterios utilizados para identificar los efectos generados en el sistema de protección de sobrecorriente por la interconexión de GD sean de ayuda, para próximas investigaciones que contemplen al sistema de protección eléctrica como tema principal.

Que la investigación realizada sea de utilidad para cualquier usuario que desee tener un sistema de GD conectado al alimentador en estudio, comprendiendo los efectos que este puede generar al sistema de protección del alimentador.

MATERIALES Y MÉTODOS

El proyecto de investigación está centrado en el análisis de los efectos que causaría la generación distribuida al sistema de protección de sobrecorriente en la red distribución troncal (alimentador) de 13,8kV, que se encuentra en la ciudad de Quevedo esta red de distribución tiene inicio en la subestación Quevedo nueva ubicada en las coordenadas X=670313; Y=9890687 y termina en el seccionamiento Quevedo-Buena Fe ubicado en la coordenadas X=667545; Y=9899491 con una longitud de 10km. (Castañeda, Camargo, Lodoño; 2018)

Se emplea la investigación tipo diagnóstico con el fin de conocer los efectos que se presentaran en el sistema de protección de sobrecorriente ya existente de la red de distribución troncal (alimentador) 13,8kV vía Buena Fe al interconectar la GD. (Camargo, Castañeda; 2019)

Esta nos permite identificar estudios previamente realizados, que consideren los efectos causados por la interconexión de GD sobre las protecciones eléctricas en las redes de distribución mediante el uso de fuentes de carácter documental, teórico y aplicativo.

Para analizar los efectos sobre el sistema de protección de sobrecorriente se simulará un sistema de distribución balanceado con una demanda máxima, utilizando el software DIgSILENT PowerFctory Student.

Se analizará los niveles de voltaje para comprobar la estabilidad de la red y los niveles de corriente en los nodos significativos sin la presencia de GD.

Se analizará el comportamiento del sistema de protección de sobrecorriente del alimentador sin GD, bajo condiciones normales de operación y frente a una falla transitoria con una demanda máxima para tres escenarios diferentes. (Daza, Castañeda, Tovar, Segovia, Cortés; 2019)

Se analizará el comportamiento del sistema de protección de sobrecorriente del alimentador sin GD, bajo condiciones normales de operación y frente a una falla transitoria con una demanda máxima para tres escenarios diferentes.

Se analizará de la misma forma los niveles de voltajes y corriente nominal en los nodos más significativos del alimentador al interconectar la GD para tres casos diferentes.

Se analizará los efectos manifestados en el sistema de protección de sobrecorriente del alimentador para tres escenarios de falla, pero esta vez con GD conectada en tres casos diferentes.

Se utilizará la función de fallas del software DIgSILENT PowerFctory Student, que nos permitirá obtener las corrientes de cortocircuito mínimas y máximas de una falla monofásica transitoria. Con la finalidad de analizar los efectos generados en el sistema de protección de sobrecorriente cuando la unidad de GD es interconectada al alimentador. Como instrumentos para la investigación se logró obtener datos técnicos del alimentador los cuales fueron facilitados por la empresa eléctrica CNEL Guayas-Los Ríos ubicada en la cuidada de Quevedo, además de los datos que ofrece el portal web Geoportal CNEL que también ofrece una perspectiva actual del diagrama unifilar del alimentador con sus dispositivos de protección. Para modelar la unidad de GD, se obtuvo información de investigaciones previas que abarca como tema de estudio a la generación distribuida, las cuales cuentan con tablas que muestras los principales datos técnicos para simular una unidad de GD con características similares a las estipuladas en la norma IEEE Std. 1547.

RESULTADOS

Para la configuración del alimentador se empleó información técnica de los equipos instalados (transformador, conductores aéreos, fusibles, reconectadores, relés y seccionadores), además de los datos de ajuste para los dispositivos de protección.

De acuerdo la figura 1 la simulación se enfoca totalmente en el circuito primario (trifásico), el mismo que cuenta con una longitud de 10.04km, con una línea de distribución aérea de aluminio desnudo calibre 2/0 ACSR, un reconectador en la cabecera y un fusible de 100k ubicado antes del nodo 2 que alimenta la empresa Quevepalma, la energización del alimentador se da por medio de un transformador de potencia trifásico de 18MVA con una relación de transformación de 69kV/13.8kV el alimentador cuenta con una carga instalada de 4.15 MVA y con una demanda máxima actual de 1.97 MW y 0.65 MVAR en horas pico.

El caso de estudio se refleja la interconexión de dos unidades de GD en el alimentador, ambas unidades poseen características idénticas logrando una operación en paralelo.

La penetración de las dos fuentes de generación distribuida en el alimentador se da de acuerdo a la siguiente proporción

Los niveles de voltaje del alimentador en este caso de estudio, se puede constatar que indiferente a que el nivel de penetración de ambas unidades de GD en el alimentador es del 100%, el perfil de voltaje de los nodos referenciales del alimentador siguen estando dentro del rango establecido del

La tabla 2 muestra las corrientes nominales de los nodos referenciales del alimentador incluyendo los niveles de corriente nominal que entregan las unidades de GD en los PCC.

Comparados estos valores de corriente con los nominales antes de la entrada de las unidades de GD, se ven cambios, que a su vez afectaran a los dispositivos de protección de sobrecorriente, ahora en este escenario dichos dispositivos de protección detectan menos corriente, para tal efecto se simulara su comportamiento en la figura 2.

Con esta simulación se establece la nueva In censada por los dispositivos de protección:

La operación del sistema de protección de sobrecorriente se resume en la tabla 4, para los tres escenarios donde se generó una falla transitoria.

Mediante las simulaciones se observa que el flujo de potencia, con presencia de GD reduce las pérdidas totales presentes en el alimentador, esto se puede traducir como un ahorro económico y un aumento en la eficiencia del sistema de distribución, como lo demuestran en sus investigaciones.

Por otra parte la contribución de corriente de las unidades de GD en el alimentador ocasiona la variación de los niveles de corriente nominal y de cortocircuito, causando que los ajustes preestablecidos de los dispositivos de protección presentes en un sistema radial se vean afectados, como lo determinan en sus trabajos que investigan los efectos que genera la interconexión de GD en una red de distribución radial.

La incorporación de GD en un sistema de distribución radial puede generar cambios positivos como negativos los cuales pueden afectar el correcto funcionamiento de los equipos instalados, pero estos cambios estarán estrechamente ligados a las siguientes variables:

1. La ubicación de la falla.

2. La ubicación de las unidades de GD.

3. El número de unidades de GD presentes en la red.

Al utilizar estas variables en diferentes casos y escenarios los efectos resultantes en la red y en sus equipos de protección eléctrica instalados serán diferentes, es decir, que si la ubicación de la falla y la ubicación de la unidad de GD cambian de posición los efectos generados estarán relacionados a este cambio, lo mismo sucederá si se aumenta el número de unidades de GD en la red o la capacidad de generación es aumentada o reducida, esta acción cambiaria los índices de penetración de la unidad de GD en la red, afectando directamente el nivel de corriente para un estado estable y frente a una falla inesperada generando una descoordinación del sistema de protección.

CONCLUSIONES

Los efectos causados por la GD en los sistemas de protección de sobrecorriente de un sistema de distribución radial se deben al aumento y disminución de la corriente de cortocircuito y al flujo de potencia bidireccional, los cuales desembocan en una serie de efectos secundarios que afectan directamente a los dispositivos de protección (falso disparo, fusión del fusible y fatiga del fusible).

El estado actual del alimentador de 13,8kV ubicado en la Vía Buena Fe con una demanda máxima, es considerado estable, pero la simulación demuestra que cuenta con una caída de voltaje de 13,0kV (0.94 p.u.) en el tramo final, es decir, que si la demanda aumente esta caída de voltaje causara que el servicio eléctrico del alimentador sea deficiente.

La operación del sistema de protección de sobrecorriente principal del alimentador sin GD es efectivo, logrando despejar una falla monofásica transitoria para dos escenarios diferentes con un tiempo de operación menor a los 150ms, por medio de la característica instantánea de la curva rápida del reconectador 34A2.

Para los tres casos de estudio donde la GD es interconectada en el alimentador se aprecia una mejora del perfil de voltaje, por otra parte hay un cambio en los niveles de corriente nominal del alimentador, observándose una disminución de esta en cada caso, este efecto se relaciona directamente a la segunda ley de Kirchhoff.

Los efectos del sistema de protección de sobrecorriente del alimentador por la interconexión de GD varían en relación a la ubicación de la falla, la ubicación de la unidad de GD y al número de unidades de GD presentes en el alimentador. Obteniendo como resultado en los casos analizados el efecto de falso disparo por parte del reconectador 34A2 y del fusible 100k, además del efecto de fatiga sobre fusible 100k.

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