Palabras Clave - CIDET
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Este documento recoge la experiencia técnica derivada de un evento ocurrido durante el mantenimiento de un
interruptor de potencia en una subestación eléctrica de 220kV. Durante las actividades de mantenimiento y pruebas del esquema de discrepancia de polos, se produjo la opera-ción defectuosa del esquema, originando la quema de las bobinas de disparo asociadas en cada uno de los polos del interruptor.El evento descrito dio origen al análisis de las características de operación del esquema de discrepancia y se pudo evi-denciar que, el diseño implementado por el fabricante para ese tipo de interruptor se podía mejorar de forma sencilla, aumentando la confiabilidad del esquema de discrepancia de polos como tal, disminuyendo la probabilidad de que-ma de las bobinas de disparo del interruptor y evitando la recurrencia del evento para los demás interruptores de la subestación. El resultado obtenido con las mejoras implan-tadas contribuye a disminuir el impacto de este tipo de fallos y las consecuencias económicas que puede acarrear la in-disponibilidad del activo o las compensaciones derivadas de energía no suministrada y/o demanda no atendida.
This article describes the technical expertise from an inci-dent during maintenance of a single-pole circuit breaker in a 220kV power substation. During the maintenance and tests of pole discrepancy protection in the circuit breaker, was found a bad operation of scheme, causing burning off the trip coils on each circuit breaker pole.This event made analyze the factory design about pole discrepancy protection scheme, im proving the protection scheme easily and increasing the reliability of the pole dis-crepancy scheme, reducing the probably of burned coils and avoiding a recurrence of the same event on other power substation circuit breakers. The result obtained with the im-proves, helps to reduce the technical impact of this types of failures and economic impact of the asset unavailable or compensation by energy not supplied and unmet demand.
Palabras Clave
Subestación, interruptor, discrepancia de polos,
bobina de disparo, relé temporizado.
Keywords
Substation, circuit breaker, discrepancies poles,
trip coil, timed relay.
Gerardo Guerra GarcíaEspecialista en Mantenimiento de Infraestructuras Eléctricas
en Alta Tensión
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I. GLOSARIO
Bobina de disparo: Elemento electromecánico que al ser energizado a través de un relé de protección, libera el trinquete del mecanismo de un interruptor de potencia, provocando la apertura de los polos del mismo.
Discrepancia de polos: Es la condición en la cual los polos de un interruptor están en posiciones di-ferentes, durante un tiempo superior al límite esta-blecido por los estudios de coordinación y ajuste de protecciones.
Interruptor: Dispositivo de maniobra capaz de in-terrumpir, establecer y llevar las corrientes norma-les o asignadas de un circuito y las anormales o de cortocircuito, mediante el cierre o apertura de sus contactos principales.
Relé temporizado: Dispositivo electromecáni-co que al ser energizado o desenergizado, genera el cambio de posición en sus contactos auxiliares, una vez que se ha cumplido el tiempo seleccionado como ajuste.
Subestación: Instalación en la que confluyen ele-mentos o dispositivos eléctricos, electrónicos y me-cánicos que interactúan en un sistema que permite cambiar las características de la energía eléctrica (voltaje, corriente, frecuencia, etc.), tipo C.A a C.C, o bien conservarle dentro de ciertos niveles requeridos.
II. INTRODUCCIÓN
Los esquemas de discrepancia de polos se utilizan para despejar eventos en los cuales, por alguna razón la posición de los polos de un interruptor de potencia queda en condición de discordancia, esta situación puede generar peligrosas corrientes homopolares en los equipos aguas abajo del inte-rruptor y el disparo indeseado de las protecciones de sobrecorriente de tierra. Para evitar los proble-mas mencionados, muchos de los fabricantes de interruptores utilizan un esquema de disparo ba-sado en la posición de los contactos auxiliares pro-pios del interruptor de potencia, tanto en abierto
como en cerrado, asociados a relés auxiliares temporizados, los cuales generan el disparo del interruptor en forma tripolar, tan pronto como se detecta la condición de discrepancia de polos y la superación del tiempo ajustado en la unidad tem-porizada del relé asociado al esquema.La experiencia en las actividades de manteni-miento de interruptores y específicamente en las pruebas del esquema de discrepancia de polos, ha demostrado que dependiendo del fabricante y del modelo del interruptor bajo análisis, existen pequeñas variaciones en los diseños implemen-tados, variaciones que en algunos casos son sus-ceptibles de mejora del diseño establecido, con el propósito de evitar un inconveniente tan compli-cado como la quema de las bobinas de apertura del interruptor, ante la mala operación del esque-ma de discrepancia de polos.
Este artículo plasma la experiencia técnica ante un evento de mala operación del esquema de discrepancia, con quema de bobinas de disparo. Esto originó el análisis del esquema empleado y la posterior implementación de las acciones correc-tivas para superar los defectos encontrados en el diseño, los cuales originaron la destrucción de las bobinas de disparo del interruptor. Con esto se busca crear la inquietud en las áreas técnicas de las empresas del sector, de realizar la verificación a fondo de las ingenierías propuestas por los fa-bricantes, ya que a pesar de la enorme calidad de los equipos y gran experiencia de los fabricantes, siempre es posible implementar opciones de me-jora que permiten aumentar la confiabilidad de los equipos y muchas veces las mejoras que se pue-den implementar, son tan sencillas que generan un costo muy bajo en comparación con los asociados a la indisponibilidad del activo y penalidades por posible energía no suministrada o demanda no atendida a causa del fallo del equipo.
III. INTERRUPTORES DE POTENCIA Y DISCREPANCIA DE POLOS.
A. Teoría básica del interruptor de potencia.La confiabilidad de las subestaciones eléctricas en alta tensión se ha asegurado tradicionalmente por el
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seguimiento de planes bien estudiados y estructura-dos de mantenimiento y rutinas de inspección para la instalación [1]. Los interruptores de potencia son equipos de gran importancia dentro de una subes-tación, por lo tanto su mantenimiento constituye un punto fundamental para garantizar el correcto fun-cionamiento de los sistemas de potencia y el cumpli-miento de la regulación vigente.Los fabricantes de interruptores, a través del tiempo han mejorado los materiales, procesos de fabrica-ción y medios de extinción del arco en las cámaras internas de estos equipos, de tal forma que depen-diendo de la instalación y los niveles de tensión en que se trabaje, se pueden encontrar interruptores con medio de extinción en vacío, en aceite o en SF6 (hexafluoruro de azufre).
Los objetivos principales del mantenimiento de inte-rruptores son:
• Asegurar la confiabilidad y disponibilidad del activo, así como la duración de su vida útil.• Contribuir al cumplimiento de la normativa de se-guridad y medio ambiente.• Satisfacer todos los requisitos del sistema de cali-dad de la empresa propietaria.
Los interruptores de potencia actúan provocando la apertura o cierre de sus contactos de potencia y cor-tando o estableciendo en flujo de potencia en una instalación de acuerdo a lo siguiente:Cierre de contactos de potencia: Se produce cuando se aplica una orden de cierre al equipo, para pasar sus contactos de potencia de posición abiertos a posición cerrados, esta orden puede ser local (por operación directa en el tablero del equipo) o remota (operación desde la sala de control de la subesta-ción o desde un centro de control asociado). La or-den básicamente es un pulso de tensión que energi-za la bobina de cierre asociada al circuito de control del interruptor.
Apertura de contactos de potencia: Se produce cuando se aplica una orden de apertura al equipo, para pasar sus contactos de potencia de posición cerrados a posición abiertos, esta orden puede ser por operación normal o por actuación de los equipos de protección asociados. La orden básicamente es un pulso de tensión que energiza la bobina de aper-tura asociada al circuito de control del interruptor.
Tanto para el cierre como para la apertura, cuando se energiza la bobina respectiva, se libera un trinquete mecánico a alta velocidad, dicho trinquete está co-nectado internamente al mecanismo de operación de los contactos de potencia, produciendo el cam-bio de posición de acuerdo a la acción requerida.
B. La discrepancia de polos en un interruptor de potencia.
En la operación normal de estos equipos, los tres po-los del interruptor deben permanecer en la misma posición, abiertos (si el equipo está interrumpiendo el flujo de potencia) o cerrados (si el equipo está es-tableciendo el paso del flujo de potencia), sin embar-go es común que se presenten fallas monofásicas en los sistemas de potencia, fallas que al ser detectadas por los relés de protección, producen disparos mo-nofásicos de los interruptores de potencia. Si se pro-duce el recierre monopolar correspondiente, dentro de los tiempos considerados como esperados por los estudios de coordinación y ajuste de proteccio-nes, la condición del interruptor se considera nor-mal, si por el contrario el recierre no se produce o si supera los tiempos establecidos, se considera que el interruptor se encuentra en discordancia de polos.
Cuando por alguna razón, la posición de los polos de un interruptor de potencia quedan en condi-ción de discordancia, esta situación puede generar peligrosas corrientes homopolares en los equipos aguas abajo del interruptor y el disparo indeseado de las protecciones de sobrecorriente de tierra. Para evitar los problemas mencionados, muchos de los fabricantes de interruptores utilizan un esquema de disparo, basado en la posición de los contac-tos auxiliares propios del interruptor de potencia, tanto en abierto como en cerrado, asociados a re-lés auxiliares temporizados, los cuales generan el disparo del interruptor en forma tripolar, tan pron-to como se detecta la condición de discrepancia de polos y la superación del tiempo ajustado en la unidad temporizada del relé asociado al esquema.
C. Prueba del esquema discrepancia de polos que produjo quema de las bobinas de apertu-
ra del interruptor.Dentro de las pruebas que se le pueden realizar a un interruptor de potencia [2], se encentra la verificación
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del esquema de discrepancia de polos, para realizar la prueba basta con colocar uno de los polos del in-terruptor en posición diferente a los otros dos. Para este caso se probó un interruptor de 245kV en una subestación con configuración interruptor y medio, la prueba se realizó para un interruptor correspondien-te a uno de los cortes centrales de la subestación.
En la figura No.1 se puede apreciar el esquema de discrepancia de polos implementado por el fabri-cante en el gabinete del interruptor. Este esquema utiliza dos relés temporizados (K41 y K42), un con-tactor (K40) y contactos auxiliares de posición del in-terruptor en abierto (a) y en cerrado (b), para formar el circuito de control.
Fig. 1. Esquema de discrepancia de polos del interruptor.
De la figura se puede apreciar que el esquema toma los contactos auxiliares de posición del interruptor, tanto en abierto (a) como en cerrado (b), cuando se produce una discordancia de polos se energiza el relé temporizado K41, el cual solo cambia la posición de sus contactos auxiliares (K41: 15-18), si la condi-ción de discrepancia supera el tiempo ajustado en el relé (para este caso 1.8 segundos), cuando esto ocurre, se energizan simultáneamente el contactor K40 y el relé temporizado K42, el primero actúa de inmediato cerrando sus contactos auxiliares (K40: 1-2, 3-4, 5-6, 13-14), produciendo la energización de las bobinas de disparo del interruptor A, B y C, y el segundo limita el tiempo que dura presente la señal de disparo energizando de las bobinas de apertura (para este caso 1 segundo), a través su contacto au-xiliar (K42: 15-16). Si el esquema opera de forma co-rrecta, el interruptor es disparado de forma tripolar y la condición de falla es eliminada.
Durante las pruebas realizadas al interruptor de po-tencia se presenta la siguiente secuencia de even-tos:
1. Estando el interruptor con los tres polos cerrados, se provoca la condición de discrepancia abriendo solo el polo de la fase B.
2. Tan pronto como pasó el tiempo de ajuste del relé K41, se produjo la actuación del esquema de dis-crepancia con disparo a cada una de las bobinas de apertura del interruptor, quedando el equipo con las tres fases abiertas.
3. A pesar de la apertura del equipo, se mantiene presente la orden disparo hacia las bobinas de aper-tura de las tres fases.
4. Se produce la quema de las tres bobinas de dispa-ro asociadas al esquema de discrepancia de polos.
D. Análisis del fallo.Dado que el relé temporizado K42 es el encargado de controlar el tiempo de energización de las bobi-nas de disparo, mediante la desenergización del con-tactor K40, se demostró que el fallo de este elemen-to (K42, Figura 2.) causo la energización permanente de las bobinas hasta que se produjo su destrucción, ya que las bobinas de apertura y cierre de los inte-rruptores de potencia están fabricadas para recibir pulsos cortos de tensión.
Fig. 2. Relés temporizados y contactor.
En la figura No. 3 se puede apreciar una de las bobi-nas del disparo del interruptor que debió ser reem-plazada a causa del evento objeto de estudio.
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645 121 221 321
558 559
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543 544 545
730 735 740 601
PB
601 603602
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Fig. 3. Bobina de apertura del interruptor.
E. Acciones implementadas para normalizar el equipo y mejorar el esquema de diseño
implementado para la función discrepancia de polos.
Tan pronto se presentó el evento, fue necesario con-sultar a varias empresas del sector eléctrico para po-der conseguir de forma oportuna las tres bobinas de repuesto, dado que en el almacén de repuestos no se tenían en stock.Las bobinas pudieron ser reemplazadas para norma-lizar la condición operativa del equipo.Analizando este tipo de falla y llevándolo a otro esce-nario más crítico, por ejemplo para un interruptor co-locado en una bahía de línea de una subestación en configuración barra sencilla y asociado a un siste-ma radial, la falla en mención pudo haber generado fuertes penalizaciones económicas por concepto de compensaciones por energía no suministra y/o de-manda no atendida [3], sumadas al perjuicio que re-presenta la indisponibilidad del equipo [4]. Por tanto, en busca de tener un esquema de discrepancia más fiable se realizó la siguiente modificación al diseño.
Fig. 4. Esquema modificado.
De la figura No. 4 Se observa que el nuevo esque-ma para la discrepancia de polos, incluye contactos auxiliares de posición del interruptor normalmente abiertos, de tal forma que se asegura que una vez el esquema ha operado y el interruptor está abierto, las bobinas de disparo son desenergizadas, sin importar que se presente algún problema con el relé tempo-rizado K42 o con el contactor K40. De esta forma se tiene un esquema mucho más confiable y que no pone en riesgo las bobinas de disparo ante una mala operación.
Este esquema modificado fue implementado en to-dos los interruptores de la subestación y fueron in-formados los otros agentes relacionados con la sub-estación: un generador (que reportó que sus equipos tenían el diseño inicial y que programarían trabajos para implementar las correcciones) y un transmisor con activos similares en la subestación del extremo de la línea.
Esta experiencia de mantenimiento demuestra como a partir de una situación adversa (condición de falla), se pueden tomar acciones sencillas de implemen-tación de mejoras que contribuyen al aumento de la confiabilidad de las instalaciones y la optimización de los procesos.
IV. REFERENCIAS
[1] Pontificia Universidad Comillas, “Especiali-zación en Mantenimiento de Infraestructuras Eléc-tricas en Alta Tensión, libro guía, módulo 4, Tema 2: mantenimiento de interruptores”, Madrid 2012.
[2] Brikci Fouad y Nasrallah Emile, “Manteni-miento de interruptores de potencia MT y AT”, revis-ta Electric Energy T&D, edición mayo 2006.
[3] Comisión de Regulación de Energía y Gas. “Resolución CREG 093 de 2012”.
[4] Comisión de Regulación de Energía y Gas. “Resolución CREG 011 de 2009”.
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V. CONCLUSIONES
Es claro que durante las actividades de manteni-miento de equipos eléctricos, no estamos exentos de sufrir inconvenientes inesperados y fallos repentinos, sin embargo, experiencias como las transmitidas por este tipo de artículos, muestran que estas situaciones pueden convertirse en el punto de partida para ree-valuar nuestras instalaciones y encontrar alternativas de mejora que nos permitan llevar nuestros equipos a mejores niveles de confiabilidad y seguridad.
Dado que las diferentes empresas que integran el sector eléctrico poseen en general equipos de los mismos fabricantes, es importante que este tipo de experiencias sean compartidas, con el fin de que las implementaciones y mejoras que se ponen en mar-cha en el día a día del mantenimiento y la gestión de los activos, puedan ser aprovechadas al máximo. Dar a conocer este tipo de experiencias, permite evitar fa-llos en el sistema de potencia y la afectación de los diferentes agentes que forman parte de él.
Este artículo es un ejemplo claro de que en muchas ocasiones las mejoras y cambios que se requieren hacer en los equipos y esquemas asociados, son muy sencillos y con un bajo grado de inversión se puede mejorar la confiabilidad y seguridad de los ac-tivos.
Desde el punto de vista de los fabricantes de equi-pos para subestaciones y en general de cualquier tipo de industria, ellos están siempre enfocados en la mejora continua de sus productos para garanti-zar la satisfacción del cliente, y una de las fuentes de información de entrada para este proceso, es la retroalimentación de los usuarios acerca de posibles mejoras y recomendaciones de servicio. Es de gran importancia que se ponga en conocimiento del fabri-cante este tipo de hallazgos, con el fin de que este pueda tomar las acciones de mejora concernientes en los casos que sean aplicables.
VI. BIBLIOGRAFÍA
Pontificia Universidad Comillas, “Especialización en Mantenimiento de Infraestructuras Eléctricas en Alta Tensión, Módulo 4, Tema 2: mantenimiento de inte-rruptores”, Madrid 2012.
Brikci Fouad y Nasrallah Emile, “Mantenimiento de interruptores de potencia MT y AT”, revista Electric Energy T&D, edición mayo 2006.
Mejía Villegas Ingenieros Asociados, “Subestaciones de Alta y Extra Alta Tensión”, segunda edición, 2005.
Grupo Nacional de Protecciones y Control, “Guías para el buen ajuste y coordinación de protecciones en el SIN”, Abril 2012.
Ramírez Castaño Samuel, “Protección de Sistemas Eléctricos”, primera edición, Universidad Nacional de Colombia, Manizales.
VII. RESEÑA AUTOR
Gerardo Guerra García----Ingeniero eléctrico egre-sado de la Universidad de la Costa (CUC), Colombia. Especialista en mantenimiento de infraestructuras eléctricas en alta tensión por la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ICAI) de la Uni-versidad Pontificia Comillas, España. En el campo profesional se ha desempeñado en empresas del sector eléctrico como Applus Norcontrol Colombia LTDA, Seringel LTDA, en las áreas de inspecciones eléctricas en subestaciones en todos los niveles de tensión, diagnóstico de sistemas de puesta a tierra y apantallamientos, pruebas de equipos de potencia en alta tensión, pruebas de relés de protección en sistemas de transmisión y distribución. Actualmente se desempeña como asesor de la gerencia de man-tenimiento de la Empresa de Energía de Bogotá S.A. E.S.P. en las áreas de mantenimiento de equipos de potencia, mantenimiento y análisis de actuación de equipos de protección.
Contacto: [email protected]
