Informe de Cortocircuitos

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ACTUALIZACION DEL ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE LAS PROTECCIONES DEL SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NACIONAL AÑO 2014 ANEXO N° 6 Estudio de Cortocircuito Fecha Rev. Descripción Elaboró Revisó Aprobó 23/04/10 00 Estudio de Cortocircuito EDP S.A.C. COES COES 15/07/14 01 Estudio de cortocircuito EDP S.A.C. COES COES

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Informe de Cortocircuitos

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  • ACTUALIZACION DEL

    ESTUDIO DE COORDINACIN DE LAS PROTECCIONES

    DEL SISTEMA ELCTRICO INTERCONECTADO NACIONAL

    AO 2014

    ANEXO N 6

    Estudio de Cortocircuito

    Fecha Rev. Descripcin Elabor Revis Aprob

    23/04/10 00 Estudio de Cortocircuito EDP S.A.C. COES COES

    15/07/14 01 Estudio de cortocircuito EDP S.A.C. COES COES

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    NDICE

    1. INTRODUCCION ......................................................................................................................... 3

    2. OBJETIVO ................................................................................................................................... 3

    3. ALCANCE ................................................................................................................................... 3

    4. CRITERIOS Y METODOLOGA DE CLCULO ................................................................................... 4 4.1 CONCEPTOS GENERALES .............................................................................................................. 4 4.2 TIPOS DE FALLAS ........................................................................................................................... 4 4.3 DEFINICIONES DE LAS DIFERENTES CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO ........................................ 6 4.4 FUENTES QUE CONTRIBUYEN A LA FALLA .................................................................................... 6 4.5 APLICACIN .................................................................................................................................. 7

    5. ESCENARIOS Y TIPOS DE FALLAS SIMULADAS .............................................................................. 7

    6. ANALISIS DE LOS RESULTADOS ................................................................................................... 8 6.1 RESUMEN DE LOS RESULTADOS AO 2014 ............................................................................... 8

    7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................................................... 12

    APENDICES

    Apndice A: Resultados grficos cortocircuito trifsico - Ao 2014

    Apndice B: Resultados grficos cortocircuito monofsico - Ao 2014

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    1. INTRODUCCION

    La planificacin, el diseo y la operacin de los sistemas elctricos de potencia, requiere diversos estudios para evaluar su comportamiento, confiabilidad y seguridad. Un buen diseo debe estar basado en un cuidadoso estudio en que se incluye la seleccin de tensin, adecuado tamao del equipamiento y seleccin apropiada de las protecciones.

    El incremento del nmero de instalaciones elctricas en el Sistema Elctrico Interconectado Nacional (SEIN) est asociado con la instalacin de nueva generacin, nuevas lneas de transmisin, nuevos centros de transformacin y ampliaciones de las instalaciones existentes. Bajo este contexto, el COES tiene previsto revisar peridicamente las condiciones de operacin del sistema con el fin de evaluar el impacto sobre el comportamiento en estado estacionario del SEIN.

    Mediante la realizacin del estudio de cortocircuito, se determinan las corrientes que circulan por cada uno de los elementos que conforman el sistema elctrico y las tensiones en todas las barras del sistema elctrico cuando se presenta una falla.

    A efectos de satisfacer los requerimientos de la Actualizacin del Estudio de Coordinacin de Protecciones del Sistema Elctrico Interconectado Nacional - Ao 2014, se llevaron a cabo las tareas necesarias para calcular los niveles de corriente de cortocircuito en las instalaciones del SEIN comprendidas dentro de los alcances de la presente actualizacin y en los escenarios previamente establecidos.

    2. OBJETIVO

    El objetivo de este anlisis es brindar toda la informacin necesaria, con respecto a los mximos niveles de corriente de cortocircuito en las subestaciones que son parte del alcance de la presente actualizacin del estudio de coordinacin de protecciones, que sirvan como referencia para la verificacin de la capacidad de ruptura de los equipos de maniobra y seccionamiento, saturacin y lmite trmico de los transformadores de corriente existentes, verificacin de las tensiones de toque y paso as como el diseo de mallas de puesta a tierra de las subestaciones o para especificar cualquier otro equipo electromecnico de proyectos de conexin al SEIN en el corto plazo.

    Igualmente los resultados de las tensiones y corrientes de falla simtricas y asimtricas, mximas y mnimas, en operacin normal y en contingencia de la red del SEIN, sirvieron de base para la verificacin de la coordinacin de las protecciones, especficamente los rels de distancia y de sobrecorriente.

    3. ALCANCE

    Determinar los niveles de corriente de cortocircuito en las subestaciones que son parte del alcance de la actualizacin del estudio de coordinacin de protecciones, considerando los principales proyectos de generacin y transmisin a ejecutarse en el SEIN en el corto plazo, en los escenarios base de avenida y estiaje en condiciones de mxima, media y mnima demanda.

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    4. CRITERIOS Y METODOLOGA DE CLCULO

    4.1 CONCEPTOS GENERALES

    El anlisis de cortocircuito se fundamenta en el clculo o determinacin de las magnitudes de las corrientes de falla y los aportes de cada uno de los elementos a esta falla, caractersticas que permiten el diseo de los equipos de seccionamiento y ajustes de los sistemas de proteccin, por lo que es necesario realizar el clculo para cada uno de los niveles de tensin del sistema.

    Entre las causas ms frecuentes de cortocircuitos a nivel de instalaciones comerciales e industriales podemos mencionar las debidas a la ruptura y debilitamiento del aislamiento de conductores y/o equipos y los producidos por agentes ambientales (descargas atmosfricas).

    Los efectos de las corrientes de cortocircuitos son muy variados, pero entre los ms importantes son los debidos al efecto Joule (calentamiento de los equipos elctricos debido a la gran circulacin de corriente), esfuerzos electromecnicos en las mquinas elctricas y destruccin fsica del lugar de la falla cuando se producen grandes arcos elctricos. De los efectos de las fallas por cortocircuito, el ms notorio es la interrupcin del suministro elctrico debido a la necesaria apertura del circuito elctrico por parte de los dispositivos de proteccin para despejar la falla y evitar mayores daos en el sistema.

    4.2 TIPOS DE FALLAS

    En los sistemas elctricos se pueden producir distintos tipos de fallas, las cuales son:

    Cada una de estas fallas genera una corriente de amplitud definida y caractersticas especficas.

    De los 4 tipos de fallas, solo el trifsico produce un sistema de intensidades simtricas en las 3 fases. A fin de calcularse las corrientes circulantes por las fases en cortocircuitos bifsicos, bifsicos a tierra y monofsicos se usa el mtodo de las componentes simtricas.

    La razn de llamarse fallas asimtricas es debido a que las corrientes post-falla son diferentes en magnitudes y no estn desfasadas en 120 grados.

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    En general la falla trifsica es la que impone las condiciones ms severas a los componentes del sistema y por lo tanto, los estudios de cortocircuitos enfocan con ms atencin este tipo de fallas.

    Las fallas monofsicas a tierra pueden generar corrientes de falla cuya magnitud puede superar a la corriente de falla trifsica. Sin embargo, esto es ms frecuente que ocurra en sistemas de transmisin o de distribucin, sobre todo cuando la falla se ubica cerca de la subestacin donde se tiene la presencia de un nmero importante de transformadores (aterramiento mltiple).

    Porcentajes promedios de ocurrencia de cada tipo de falla en un sistema:

    CORTOCIRCUITO TRIFSICO

    Es una falla que consiste en el contacto de las tres fases directamente o a travs de una impedancia de valor bajo. Una falla trifsica que se prolongue en el tiempo puede producir daos fsicos en el equipamiento de la red (transformadores, generadores, etc), que impidan reestablecer el suministro de electricidad en un corto plazo. Este tipo de falla deber ser detectado y eliminado en el menor tiempo posible. Cuando se produce un cortocircuito, los equipos del sistema tienden a comportarse en una forma distinta a cuando estn en operacin normal.

    Desde el punto de vista del anlisis, es el ms simple de ser calculado, porque al estar involucradas las 3 fases en la misma forma la corriente de falla son iguales en las 3 fases, siendo representado por un sistema de corrientes simtrico.

    Es una de las fallas ms severas para el sistema y de clculo obligado.

    CORTOCIRCUITO BIFSICO

    Las fallas bifsicas consisten en el contacto de 2 fases entre s. Como por ejemplo: roce de 2 fases en lneas areas o la falla del aislamiento puntual en cables aislados. Este tipo de falla produce un sistema desequilibrado de corrientes, con valores diferentes en las 3 fases, obligando en su clculo a la utilizacin tanto de la red de secuencia positiva como a la red de secuencia negativa.

    En un principio las corrientes iniciales simtricas de falla son menores que las de la falla trifsica, aunque si la falla se produce en las inmediaciones de mquinas sincrnicas o asncronas de cierta potencia, las corrientes de esta falla pueden llegar a presentar valores incluso mayores que las de cortocircuito trifsico.

    CORTOCIRCUITO BIFSICO CON CONTACTO A TIERRA

    En este tipo de fallas, 2 de las fases toman contacto entre s y con la tierra en el punto de falla. Es este tipo de falla con menor probabilidad de ocurrencia.

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    CORTOCIRCUITO MONOFSICO ENTRE UNA FASE Y TIERRA

    Esta falla es el tipo de cortocircuito ms frecuente en un sistema elctrico (en lneas areas, el 80% son de esta naturaleza).

    Las corrientes de falla que provoca dependen de la impedancia de la falla y de las conexiones a tierra de los transformadores en la lnea.

    Este es el cortocircuito ms frecuente y severo, producindose con mayor frecuencia en redes rgidamente puestas a tierra o mediante impedancias de bajo valor.

    Su clculo es importante, tanto por lo elevado de sus corrientes como por su conexin a tierra, lo que permite determinar las fugas a tierra, las tensiones de contacto o de paso, o valorar las interferencias que estas corrientes puedan provocar.

    Para su clculo, al ser desequilibrado y con prdida de energa, son necesarias las 3 redes de secuencia (positiva, negativa y cero).

    4.3 DEFINICIONES DE LAS DIFERENTES CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO

    Corriente de Cortocircuito Simtrica Inicial (Ik)

    Es el valor eficaz de la componente simtrica alterna de la corriente de falla prevista en el instante de la aparicin del cortocircuito.

    Valor Cresta de la Corriente de Cortocircuito (Ip)

    Valor instantneo mximo posible de la corriente de falla prevista.

    Para el clculo de esta corriente se considera la mxima asimetra posible de la corriente debido a la componente de continua, esta asimetra dependen de la relacin R/X del circuito en falla y del valor de la tensin en el instante del cortocircuito.

    Corriente de Cortocircuito Simtrica de Corte (Ib)

    El clculo de la corriente de cortocircuito de corte slo es necesaria en el caso de una falla cercana a los generadores y cuando la proteccin queda asegurada por interruptores automticos retardados.

    Esta corriente sirve para determinar el poder de corte de los interruptores de potencia.

    Corriente de Cortocircuito Permanente (Ik)

    Es el valor eficaz de la corriente de cortocircuito que se mantiene tras la extincin de los fenmenos transitorios.

    La amplitud de la corriente permanente Ik depende del estado de saturacin del circuito magntico de los generadores, por lo tanto, su clculo es menos preciso que el de la corriente simtrica inicial Ik.

    4.4 FUENTES QUE CONTRIBUYEN A LA FALLA

    La magnitud de la corriente que fluir a travs de un cortocircuito depende principalmente de dos factores:

    Las caractersticas y el nmero de fuentes que alimentan al cortocircuito.

    La oposicin o resistencia que presente el propio circuito de distribucin.

    La oposicin que presenta el propio circuito de distribucin al flujo de corriente de cortocircuito se denomina impedancia en trminos elctricos y depende de la configuracin del sistema elctrico y se calcula a partir de la impedancia de cada uno de los componentes del sistema.

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    Otro de los factores que influyen sobre la magnitud de la corriente de cortocircuito son el momento, tipo y ubicacin de la falla.

    Para evaluar la corriente de falla de un sistema de potencia es necesario identificar los diferentes equipos que van a contribuir a la corriente.

    Las fuentes principales de corrientes de cortocircuito entre fases sin contacto a tierra (trifsica y bifsica) son los generadores y compensadores sncronos existentes en el sistema de potencia local y la generacin remota del sistema de transmisin del SEIN, sin embargo, los motores sncronos y de induccin que antes de la falla representaban una carga para el sistema, en condiciones de cortocircuito, se comportan como generadores durante un tiempo relativamente corto.

    En el caso de cortocircuitos con contacto a tierra (monofsica y bifsica a tierra), adems de los generadores con neutro puesto a tierra, tambin son fuentes de corrientes de secuencia cero los puntos de conexin a tierra de los transformadores de potencia que cuentan con devanado delta.

    4.5 APLICACIN

    Los anlisis de cortocircuito se necesitan para el diseo de los sistemas de potencia. La seleccin de los equipos que conforman la red no slo depende de los requerimientos en tensin y corriente en estado estacionario, sino de los requerimientos en tensin y corriente durante eventos de cortocircuito.

    La determinacin de los niveles de corriente de cortocircuito nos permite:

    Dimensionar equipos de maniobra y seccionamiento.

    Calcular los ajustes de las protecciones

    Dimensionar la malla de puesta a tierra

    Dimensionamiento de conductores

    Determinar la energa incidente en arcos elctricos.

    Especificar equipos especiales destinados a reducir los niveles de corriente de cortocircuito.

    Especificar la impedancia de cortocircuito de transformadores de potencia.

    Evaluar la capacidad de ruptura de los interruptores de potencia.

    Verificar la soportabilidad trmica de los transformadores de corriente.

    Igualmente en caso de que se conecten nuevas instalaciones al sistema elctrico interconectado nacional (lneas de transmisin, subestaciones, centrales de generacin, plantas industriales y mineras) uno de los objetivos es determinar los niveles de corriente de cortocircuito en las principales barras de las subestaciones adyacentes al proyecto, a fin de evaluar el incremento de la corriente de falla por el ingreso de las nuevas instalaciones.

    5. ESCENARIOS Y TIPOS DE FALLAS SIMULADAS

    A continuacin se listan los diferentes tipos de fallas simuladas en los diferentes escenarios de operacin definidos para el ao 2014:

    Fallas trifsicas y monofsicas francas en mxima demanda avenida

    Fallas trifsicas y monofsicas francas en media demanda avenida

    Fallas trifsicas y monofsicas francas en mnima demanda avenida

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    Fallas trifsicas y monofsicas francas en mxima demanda estiaje

    Fallas trifsicas y monofsicas francas en media demanda estiaje

    Fallas trifsicas y monofsicas francas en mnima demanda estiaje

    Para cada uno de los cortocircuitos determinados, en los apndices del presente informe se muestran las salidas grficas con resmenes de fallas en barras que muestran la corriente total de falla en barras y la contribucin que llega a cada barra a travs de lneas, transformadores y generadores.

    Siendo las variables mostradas:

    Para cortocircuito trifsico se muestra

    - La corriente subtransitoria: Ik = Ia = Ib = Ic

    - La corriente pico: Ip

    Para cortocircuito monofsico se muestra

    - La corriente subtransitoria en la fase fallada: IkA = Ia

    - La corriente homopolar: 3Io

    Igualmente con el objetivo de verificar la coordinacin de protecciones se realizaron fallas en los siguientes puntos de inters:

    Se realiz cortocircuitos para las condiciones iniciales de todos los escenarios de flujos de potencia definidos como casos base (ao 2014), as como para las contingencias n-1.

    Se efectuaron cortocircuitos en todas las barras principales de la red. Para las lneas de transmisin, se efectuaron cortocircuitos adicionales a lo largo de la lnea, con ubicaciones al 0%, 20%, 40%, 60%, 80% y 100% de la longitud de cada lnea.

    Para el caso de los transformadores de potencia se efectuaron cortocircuitos en los pasatapas (bushing) de los mismos.

    Los tipos de cortocircuitos y resistencia de fallas considerados para cada tipo de falla son los siguientes:

    Cortocircuitos monofsicos franco (0 Ohm) y para dos valores de resistencia de falla a tierra: 20 Ohmios y 50 Ohmios.

    Cortocircuitos bifsicos para tres valores de resistencia de falla entre fases: 0 ohm, 5 ohmios y 10 ohmios en el nivel de 138 kV.

    Cortocircuitos bifsicos para tres valores de resistencia de falla entre fases: 0 ohm, 3 ohmios y 6 ohmios en el nivel de 220 kV y 500 kV.

    Cortocircuito trifsico para 0 ohm de resistencia de falla.

    6. ANALISIS DE LOS RESULTADOS

    6.1 RESUMEN DE LOS RESULTADOS AO 2014

    En los Apndices A y B del presente informe se muestra en forma grfica los niveles de corriente de cortocircuito para el ao 2014 para cada rea definida del SEIN.

    A continuacin se presentan las barras del SEIN donde la corriente de cortocircuito es mayor a 16 kA, es decir se ha filtrado, de todas las barras de transmisin del SEIN, aquellas donde se producen las mayores corrientes de cortocircuito, siendo el sistema de transmisin de Lima donde se presentan los mayores niveles de corriente de

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    cortocircuito, tal como se muestra en el siguiente cuadro resumen y los grficos respectivos:

    MAXIMAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO - AO 2014

    SUBESTACION

    Cortocircuito Trifsico Cortocircuito Monofsico

    MXAVE14 MXEST14 MXAVE14 MXEST14

    Ik", 3 (kA) Ik", 3 (kA) IkA, 1 (kA) IkA, 1 (kA)

    BALNEARIOS 220kV 15.86 15.92 16.44 16.49

    BALNEARIOS 60kV_A 21.08 21.12 28.16 28.22

    BALNEARIOS 60kV_B 14.66 14.67 20.16 20.17

    BARSI 220kV 17.61 17.80 17.48 17.60

    BARSI 60kV 24.71 24.79 33.74 33.85

    CARABAYLLO 220kV_A 21.72 21.97 25.07 25.28

    CARABAYLLO 220kV_B 21.72 21.97 25.07 25.28

    CHAVARRIA 220kV_A 25.77 26.21 29.04 29.40

    CHAVARRIA 220kV_B 25.77 26.21 29.04 29.40

    CHAVARRIA 60kV_A 26.00 25.99 33.41 33.30

    CHAVARRIA 60kV_B 23.28 26.01 31.14 34.47

    CHILLON 220kV 23.86 24.14 24.89 25.08

    CHILLON 60kV 28.63 28.58 31.37 31.38

    CHILCAREP 220kV_A 25.20 24.99 28.27 27.33

    CHILCAREP 220kV_B 25.20 24.99 28.27 27.33

    CHILCA 60kV 10.38 10.87 10.62 11.10

    CHILCANUEVA 220kV_A 24.33 24.35 28.36 28.35

    CHILCANUEVA 220kV_B 24.33 24.35 28.36 28.35

    INDUSTRIALES 220kV_A 18.18 18.45 16.30 16.43

    INDUSTRIALES 220kV_B 18.18 18.45 16.30 16.43

    INDUSTRIALES 60kV_A 8.78 8.80 11.12 11.15

    INDUSTRIALES 60kV_B 8.78 8.80 11.12 11.15

    PLANICIE 220kV_A 15.38 15.43 12.93 12.94

    PLANICIE 220kV_B 15.38 15.43 12.93 12.94

    SANTA ROSA 220kV_A 25.23 25.90 28.88 29.38

    SANTA ROSA 220kV_B 25.23 25.90 28.88 29.38

    SANTA ROSA-LDS 60kV_A 33.52 33.81 35.92 36.09

    SANTA ROSA-LDS 60kV_B 36.21 36.56 47.34 47.71

    SANTA ROSA-EDN 60kV_A 34.91 35.23 40.95 41.19

    SANTA ROSA-EDN 60kV_B 35.00 35.32 44.15 44.46

    SAN JUAN 220kV_A 22.01 22.11 22.84 22.90

    SAN JUAN 220kV_B 22.01 22.11 22.84 22.90

    SAN JUAN 60kV_A 19.88 19.94 23.15 23.24

    SANJUAN 60kV_B 19.88 19.94 23.15 23.24

    ZAPALLAL 220kV_A 21.82 22.09 22.31 22.51

    ZAPALLAL 220kV_B 21.82 22.09 22.31 22.51

    ZAPALLAL-EDN 60kV 16.46 17.18 16.34 17.02

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    0

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    CH

    ILLO

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    AR

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    20

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    CH

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    IND

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    IND

    US_

    22

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    IND

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    IND

    US_

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    B

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    PLA

    NIC

    IE2

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    SRO

    SAN

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    A

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    A2

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    ZAP

    A-E

    DN

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    Cortocircuito Trifsico

    MXAVE14

    MXEST14

    kA

    BARRA

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    CA

    RA

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    CA

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    CH

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    A-E

    DN

    60

    Cortocircuito Monofsico

    MXAVE14

    MXEST14

    BARRA

    kA

  • Estudio de Coordinacin de las Protecciones

    del Sistema Interconectado Nacional AECP-2014

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    7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

    Aun cuando se disee muy cuidadosamente un sistema de potencia, este estar siempre expuesto al dao que puedan causar flujos de corriente en condiciones de cortocircuito tales como sobrecalentamientos y arcos elctricos destructivos. Para asegurar que los equipos de proteccin puedan aislar fallas rpidamente y minimizar el dao de cada uno de los componentes del sistema de potencia y el riesgo del personal, el estudio de corrientes de cortocircuito debe ser incluido en el diseo de los sistemas de potencia y tambin cuando se efecten modificaciones a los sistemas en el rea adyacente a estas.

    Teniendo en cuenta que el objetivo principal del presente informe es obtener los valores mximos de corrientes de cortocircuito, los resultados permitirn que las empresas que operan las subestaciones y que pertenecen al COES-SINAC puedan utilizar esta informacin y verifiquen lo siguiente:

    - La capacidad de ruptura de sus interruptores de potencia existentes.

    - Capacidad del sistema de barras colectoras en 500 kV, 220 kV, 138 kV y 60 kV.

    - La saturacin y lmite trmico de sus transformadores de corriente existentes.

    Para el ao 2014 la mxima corriente trifsica calculada en 220 kV se presenta en la subestacin Chavarra con un valor de 26.21 kA en el escenario de mxima demanda estiaje.

    Para el ao 2014 la mxima corriente monofsica calculada en 220 kV se presenta en la subestacin Chavarra con un valor de 29.04 kA en el escenario de mxima demanda estiaje.

    Para el ao 2014 la mxima corriente trifsica calculada en 60 kV se presenta en la subestacin Santa Rosa-LDS (Barra B), con un valor de 36.56 kA en el escenario de mxima demanda estiaje.

    Para el ao 2014 la mxima corriente monofsica calculada en 60 kV se presenta en la subestacin Santa Rosa-LDS (Barra B), con un valor de 47.71 kA en el escenario de mxima demanda estiaje.

    Dada la limitacin de capacidad de cortocircuito en un determinado nivel de tensin se recomienda tomar en cuenta en el planeamiento del sistema de transmisin de Lima los niveles de corriente de cortocircuito a fin de plantear una solucin ptima de expansin a largo plazo, principalmente en los grandes centros de transformacin (Chavarra, Santa Rosa, San Juan y Balnearios).

    Si bien es cierto que con el crecimiento del sistema elctrico interconectado nacional en los ltimos 4 aos los niveles de corriente de cortocircuito en el sistema de transmisin de la Zona Norte, Zona Este y Zona sur del SEIN no han experimentado incrementos significativos, sin embargo en el sistema de distribucin de media tensin (tensiones menores a 22.9 kV) si se ha experimentado un incremento significativo principalmente en aquellas instalaciones adyacentes a los grandes proyectos de transmisin, por lo tanto se recomienda a los usuarios libres y empresas distribuidoras tomar en cuenta las recomendaciones vertidas en el presente informe a fin de garantizar la seguridad y continuidad de servicio de sus instalaciones.