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INTRODUCCIÓN
En la industria, los motores eléctricos generan potencia reactiva-inductiva ocasionando pérdidas en los elementos del sistema por efecto Joule. Mediante la ubicación óptima de bancos de condensadores u otros dispositivos de compensación, se mejora la eficiencia energética. El objetivo es la reducción de pérdidas de potencia y el control de voltaje, adicional de la mejora del factor de potencia en una subestación, incrementar la disponibilidad del alimentador para recibir carga, en el transformador la liberación en la capacidad en el suministro eléctrico de corrientes reactivas que representen pérdidas de energía con la empresa distribuidora evitar penalización y recargos por un bajo factor de potencia [1]. La finalidad de la compensación reactiva es aumentar la seguridad y confiabilidad del sistema eléctrico, mediante la corrección del factor de potencia, el mejoramiento del perfil de voltaje y la disminución tanto en pérdidas técnicas de energía como en costos relacionados [2].
Novacero S.A., planta Lasso es una empresa siderúrgica que cuenta con trenes de laminación y hornos de arco eléctrico. En su mayoría de carga en el entorno industrial, cuenta con variadores de frecuencia, lámparas de descarga, soldadura por arco, rectificadores, entre otros [3]. Cargas que generan armónicos y alteran la onda sinusoidal original creando distorsiones que perturban el funcionamiento normal de los equipos, generados por la quinta armónica en el alimentador de 13,8 kV [4], para compensar la energía reactiva que necesitan los motores de la industria se tiene instalado un filtro pasivo sintonizado a la quinta armónica de manera de no entrar en resonancia al momento de realizar la compensación al alimentador.
El ingreso de la compensación reactiva para el alimentador del anillo de distribución de la empresa a 13,8 kV es maniobrado de manera local, el proceso se ejecuta cuando el factor de potencia se encuentra bajo los niveles mínimos permisibles de 0,92, evitando así penalización por bajo factor de potencia [5], a través de un disyuntor de apertura y cierre de contactos que se encuentra instalado en el centro de control y que es maniobrado de manera local, representado un peligro para el personal operativo que labora en la subestación, para dar solución a esta problemática se implementa un control de mando remoto para la operación de un reconectador de la marca Schneider Electric serie U27, llevando desde un nivel 0 hasta un nivel 2 en sistemas de automatización de subestaciones.
El propósito es realizar maniobras de campo con mayor confiabilidad, seguridad, rapidez y el respaldo de maniobra en la bahía 13,8 kV y a su vez precautelar la vida y la seguridad, reduciendo la exposición del personal técnico a peligros potenciales en la subestación, en especial del operador que manipula este equipo maniobrado de manera local. El objetivo es adaptar un proceso de implementación de control remoto para apertura y cierre de compensación reactiva al alimentador de 13,8 kV mediante una tarjeta ADVC-IOEX en la subestación eléctrica de la empresa Novacero S.A., para optimizar parámetros de seguridad, confiabilidad y calidad del suministro eléctrico de la subestación. Este documento es organizado de la siguiente manera: el análisis de la teoría de la automatización de subestaciones y equipos utilizados para el control remoto de operación se presenta en la sección 2, el desarrollo de la implementación, diseño y configuración del equipo se discute en la sección 3 y finalmente las conclusiones y recomendaciones en la sección 4.
ANÁLISIS TEÓRICO
2.1 Revisión literaria
La norma internacional en subestaciones eléctricas para comunicación es el protocolo IEC 61850, que es diseñado para la interoperabilidad de los equipos de diferentes fabricantes dentro de una misma subestación, además de cumplir con requisitos de disponibilidad y seguridad, para la operación y control de sistemas, optimizando la transmisión de datos y el suministro de energía eléctrica [6].
En [7] manifiesta que los esquemas de automatización de distribución eléctrica dependen de ordenadores basados en subestaciones para el control en subestaciones primarias. A medida que varía la carga reactiva en los alimentadores, este esquema de compensación permite la colocación y dimensionamiento óptimo de condensadores variables en el tiempo.
En [8] determina la influencia de compensación reactiva en dos subestaciones peruanas para disminuir las pérdidas por transmisión eléctrica mediante la implementación de un banco de condensadores en el lado de baja tensión de las subestaciones, concluyen que el proyecto tuvo influencia positiva tanto en la parte económica mediante la reducción en la facturación, como en la parte técnica logrando elevar el factor de potencia de 0,77 a 0,95.
Proponen un método de compensación de potencia reactiva para mejorar la calidad de energía de un horno de arco eléctrico en un sistema de distribución de energía mediante un compensador estático y un filtro activo. Modifican el factor de potencia y equilibran las corrientes trifásicas. Los autores realizan una simulación para demostrar la viabilidad del método propuesto para una fábrica metalúrgica [9].
En [10] menciona que los sistemas electromecánicos encargados de proteger y controlar las redes eléctricas tienen limitantes que no permiten funcionalidades como la comunicación, la auto-supervisión ni la capacidad de monitoreo en tiempo real en la operación de redes eléctricas. A través de la automatización de subestaciones, se provee, entre otros, el control remoto de todo tipo de instalación eléctrica, añadiendo capacidad adicional en la supervisión, monitoreo, registro, comunicación y medición, permitiendo mejorar la operación interna con el sistema externo.
En [11] manifiesta que la automatización de subestaciones tiene tres funciones, la primera es la recopilación de datos y transmitir información, la segunda es la protección que consiste en recopilar información del relé de protecciones o seccionadores con el fin de proteger los equipos, la tercera función consiste en realizar el control remoto de la operación del interruptor, seccionador u otros componentes con la finalidad de dar una respuesta rápida a las condiciones de operación.
En [12] analiza en detalle los requisitos y el diseño para el sistema SCADA y el sistema de automatización de una subestación, además menciona que estos equipos protegen de altas tensiones en fallos, perturbaciones y sobrecargas en la red eléctrica.
En [13], evalúa la implementación de tarjetas ADVC-IOEX SCHNEIDER para restaurar circuitos de alimentación de la subestación Celso Castellanos y no realizar complicadas maniobras manuales, concluyen que el tiempo de maniobra para la restauración por sistemas comunes es lento, esto se puede reducir mediante el uso de sistemas automatizados, lo que dará como resultado una disminución de fallas en el sistema de distribución.
En [14]. Implementa tarjetas ADVC-IOEX SCHNEIDER para control remoto de reconectado trifásico en media tensión bajo procedimientos electromecánicos. Logrado la restauración del sistema de distribución de cada circuito de alimentación sin recurrir a la bahía de maniobras. Concluye que con la ejecución del proyecto el sistema de distribución se vuelve más amigable.
Sistemas de automatización de subestaciones
Los sistemas de automatización de subestaciones (SAS) permiten la supervisión y monitoreo en tiempo real de los equipos instalados en campo de la subestación, y de sí mismo, es decir, cuenta con una autosupervisión, además del control en modo local y remoto de todos los componentes de la subestación [15]. Para alcanzar un control jerárquico de todos los componentes, como de control y supervisión, se requiere un enfoque de tres niveles que se detalla a continuación [16].
Nivel 0
Es el nivel de patio, donde se encuentran los equipos de campo, como seccionadores y disyuntores, el control de estos equipos se realiza de manera local, desde los gabinetes de patio.
Nivel 1
Es el nivel de relés - IED´s (Dispositivos electrónicos inteligentes), el control de operación es por medio del IED, sirven para proteger y controlar los equipos instalados en campo. En los tableros del cuarto de control podemos encontrar la integración de varios tipos de IED`s en uno solo.
Nivel 2
Es el nivel de subestación, donde se encuentra un HMI que incorpora a todos los IED´s para el control, supervisión y adquisición de datos de una subestación. El control se realiza de manera remota, precautelando la seguridad de los operadores.
Desde este nivel se puede obtener la información como:
Estado de los equipos de campo (abierto o cerrado).
Valores analógicos de medición (voltajes, corrientes y más).
Niveles de aceite.
Consumo de energía.
Reconectador Schneider Electric
El Reconectador Schneider es un dispositivo crucial en la industria eléctrica y en la gestión de la distribución de energía. Se compone de elementos como sensores de corriente y tensión, un controlador lógico programable (PLC) y un interruptor.
En resumen, los reconectadores son dispositivos diseñados para restablecer automáticamente el suministro eléctrico en caso de interrupciones temporales, también pueden ser utilizados como interruptores de un solo disparo, todo configurado mediante el software WSOS [17].
Controlador Schneider ADVC
El controlador ADVC Schneider es un conjunto de módulos que permite configurar, monitorear, controlar, leer y mostrar información acerca del estado de operación del reconectador automático de circuitos (ACR) [18].
Tarjeta expansora de entradas y salidas ADVC-IOEX Schneider
La IOEX (Input Output Expander Module) es un accesorio del controlador ADVC que permite asignar señales de control de dispositivos externos, alimentada con tensión propia para la IOEX [19].
Relé de protección SEL-551
Son dispositivos electrónicos direccionados a mantener un alto nivel del servicio eléctrico. Son dispositivos de protección, control y monitoreo, utilizados en la industria de energía eléctrica para garantizar la operación segura y confiable de sistemas de distribución y transmisión eléctrica. El SEL-551 proporciona protección contra sobrecorriente hasta cuatro disparos de reconexión en un paquete compacto. El relé mide las corrientes de fase y neutro, mas no las tensiones [20].
DESARROLLO
La presente aplicación práctica se realiza en la subestación de la empresa industrial Novacero S.A., justamente en la barra de medio voltaje a 13,8 kV con una compensación reactiva de 2,65 MVAr por un filtro pasivo sintonizado a la quinta armónica para la carga no lineal que cuenta la empresa, de manera de cumplir un factor de potencia en el PCC (Punto de común acoplamiento) de 0,92.
Para la ejecución del proyecto se siguió la siguiente metodología, como se observa en la Fig. 1.
La planta actual se conforma simplificadamente como el diagrama unifilar de la Fig. 2.
La compensación reactiva mencionada entra en operación cuando la carga a nivel de 13,8 kV tiene un factor de potencia menor al 0,92, lo cual el operador de turno debe realizar la entrada del filtro de compensación de manera manual, proceso que conlleva un peligro al momento de realizar la apertura y cierre del disyuntor ubicado dentro del cuarto de control (ver Fig. 3).
Debido al inconveniente que representa realizar las maniobras, se ha visto la necesidad de implementar un control remoto para la operación de la entrada y salida de la compensación reactiva. El proceso cuenta con los siguientes procedimientos:
1. Salida de operación del disyuntor de la Fig. 4, debido a que es un interruptor para interiores y colocación de un reconectador marca Schneider serie U27 en patio.
2. Implementar un control de operación remota para llevar de un nivel 0 a un nivel 1 y 2.
3. Parametrización de protecciones y medición del filtro pasivo.
Cambios ejecutados en equipos de potencia
Debido a que el disyuntor de la Fig. 2 es para interiores, se implementa un reconectador de la marca Schneider serie U27 (ver Fig. 4) configurado como interruptor para realizar un solo disparo de manera local o remota.
Los trabajos realizados dan como resultado la instalación del reconectador en patio (ver Fig. 5), para efectuar su control de manera local. El reconectador cuenta con su propio tablero de control que se puede manipular de manera local. La finalidad de esta práctica es que los equipos de potencia se encuentren en patio y sean operados dentro del cuarto de control.
Implementación de operación remota
Para pasar de un nivel 0 a un nivel 1 y 2 en un sistema de automatización de subestaciones, se procede a llevar las señales analógicas y digitales del equipo a operar hacia el cuarto de control para su supervisión y control.
El proceso contempla la instalación del módulo ADVC-IOEX de la marca Schneider Electric al tablero de control local del reconectador instalado en patio, el mismo que sirve como PLC (Controlador Lógico Programable), las señales de entrada están compuestas por las señales de pulsadores de abierto y cerrado más una señal de apertura enviada desde el relé de protección ante posibles fallas, las salidas del IOEX serán avisos para luces piloto que indican la entrada o salida del filtro pasivo.
Las comunicaciones entre reconectador y medidor de energía al switch de la subestación se realizan por protocolo DNP3 TCP/IP, en la computadora de operaciones se instala el software WSOS para la configuración del IOEX, operación y supervisión del reconectador en patio (ver Fig. 6).
Figura 6: Implementación del SAS para operación y supervisión del reconectador de compensación reactiva
Conexión de ADVC-IOEX control nivel 1
El control de manera remota consiste en operar el reconectador desde el cuarto de control, físicamente desde los controles del tablero. La implementación del circuito de control se visualiza en la Fig. 7.
Como se observa en la Fig. 7, las señales de apertura se conectan en paralelo con la del relé de protección en un contacto NA (Normalmente Abierto) para posibles fallas que pudieran ocurrir al filtro pasivo. Como resultado de las conexiones realizadas de la Fig. 7 se obtiene el resultado de la Fig. 8.
Configuración de ADVC-IOEX
Mediante la comunicación Ethernet entre el tablero de control del reconectador al Switch, podemos enlazar la comunicación y crear el interruptor digitando la dirección IP asignada (ver Fig. 9).
Una vez realizadala creación del interruptor, se procede a configurar la IOEX previamente instalado. En la barra de herramientas en la pestaña Customise/IOEX/Configure ADVC IOEX Mappings, se obtienen las siguientes pantallas de configuración (ver Fig. 10). Para este proyecto, a base de las conexiones de control vistas en la Fig. 7, la configuración del ADVC-IOEX es la siguiente:
Supervisión y control nivel 2
Una vez creado el reconectador como interruptor con el software WSOS, el usuario puede controlar por computadora la apertura y cierre del interruptor en patio (ver Fig. 11) y de la misma manera poder supervisar los parámetros medidos como voltajes, corrientes y potencias, etc. que ofrece el tablero ADVC del reconectador (ver Fig. 12).
Protección y medición
El filtro pasivo cuenta con su equipo de protección y medición al ubicar transformadores de corriente y potencial (TC´s y TP´s) cerca de la barra de 13,8 kV. Las señales analógicas de voltaje y corriente son conectadas al medidor de energía PM5340 y a un relé de protección SEL-551 (ver Fig. 12), las características de los equipos utilizados son las siguientes (ver Tabla 1 y Tabla 2):
Tabla 1: Características de TC´s y TP´s utilizados
| Marca | Relación | Burden | Clase | |
| Transformador de potencial | Howest | 8400/120 V | 30 VA | 0,2 |
| Transformador de corriente | Camsco | 400/5 A | 5 VA | 1,0 |
| Transformador de corriente residual | Sadtem | 30/5 A | 20 VA | 0,5 |
Tabla 2: Características de relé de protección y medidor de energía utilizados
| Marca | Serie | |
|---|---|---|
| Relé de protección | SEL | 551 |
| Medidor de energía | Schneider Electric | PM5340 |
Figura 13: Diagrama unifilar de la conexión de protección y medición para el filtro de la quinta armónica
La Fig. 13 presenta una conexión en serie de las señales de corriente que pasan por el relé y medidor, además se toman las señales de corriente por parte del transformador de corriente residual. Las conexiones trifilares de la Fig. 13 se aprecian en la Fig. 14.
Figura 14:
Figura 14:
Diagrama trifilar de la conexión de protección y medición para el filtro de la quinta armónica
Protección de sobrecorriente
De manera que el relé de protección proteja el reconectador y el filtro pasivo instalados en patio, se realiza con la parametrización del relé SEL-551, la función 50 instantánea y 51 de sobrecorriente temporizada.
Los datos del filtro pasivo recolectados en sitio tienen las siguientes características (ver Tabla 3):
Tabla 3: Características del filtro pasivo
| Filtro Pasivo | 5ta Armónica | ||
| Qc | kVAr | 2.646,00 | |
| f | Hz | 60,00 | |
| V | V | 11.832,00 | |
| Xc | Ω | 52,91 | |
| hs | 4,85 | ||
| XL | Ω | 2,25 | |
| Qfiltro | kVAr | 3759,23 | |
Para la protección de sobrecorriente temporizada 51, se utiliza la ecuación 1 y 2:
Para la protección de sobrecorriente instantánea 50 se utiliza la ecuación 3:
Para la protección residual 50N se considera la falla de un capacitor del banco de capacitores, se utiliza la ecuación 4:
Para mejorar el ajuste antes que se dispare, el fusible del capacitor se ajusta a un valor de 15 amperios primarios (ver ecuación 5):
La parametrización del relé SEL-551 se realiza con los siguientes datos expuestos en la Tabla 4.
Tabla 4: Parámetros cargados al relé SEL-551
| RELÉ | SEL-551 | ||
| DISPOSITIVO DE PROTECCIÓN | QUINTA ARMÓNICA | ||
| PROTECCIÓN 50 INSTANTÁNEA | RTC | 80 | |
| Ajuste 50 (A.sec) | 9,4 | ||
| Ajuste de tiempo (ciclos) | 9 | ||
| PROTECCIÓN 51 TEMPORIZADA | RTC | 80 | |
| Ajuste 51 (A.sec) | 2,5 | ||
| Dial: | 0,5 | ||
| Tipo de curva. | U2 | ||
| PROTECCIÓN 50N INSTANTÁNEA | RTC | 6 | |
| Ajuste 50N (A.sec) | 2,5 | ||
Las curvas de protección 50, 51 y 50N se visualizan en la Fig. 15.
Como resultado, tenemos el tablero de control de filtros armónicos con la implementación de un control remoto de apertura y cierre de compensación reactiva al alimentador de 13,8 kV dentro del cuarto de control de la subestación eléctrica Novacero (ver Fig. 16).
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La implementación de un reconectador en patio de equipos primarios para el ingreso de compensación reactiva en el alimentador de 13,8 kV permitió que los operadores y técnicos de mantenimiento de la subestación eléctrica de la empresa Novacero S.A. ya no estén expuestos ante posibles accidentes como el arco eléctrico al operar los equipos localmente, llevando de un nivel 0 hasta un nivel 2 en sistemas de automatización de subestaciones implementando el control de apertura y cierre desde el cuarto de control y supervisión de los parámetros medidos.
El reconectador se utiliza como interruptor de un solo disparo, para este proyecto implementado se configuró de esa manera, debido a que se necesitan aperturas y recierres, no requiere recierre, para operar de manera remota se deberá colocar el tablero ADVC del reconectador en modo remoto para que el proceso de automatización opere desde el cuarto de control, de esta manera el reconectador abrirá sus contactos en las condiciones como apertura desde el tablero de control o mediante el programa WSOS del equipo y además ante posibles fallas vistas por el relé de protección.
Si bien se cuenta con un control de mando remoto donde el operador de turno visualice los rangos adecuados de factor de potencia, contando con la seguridad de realizar la entrada y salida de compensación reactiva si se lo requiere, se recomienda sumar la implementación de un control automático para la conexión y desconexión de los filtros para evitar el proceso de supervisión, mejorando la conexión y desconexión automática según requiera el sistema de alimentación a 13,8 kV.
