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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.16 n.6 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000600008 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°6-2005, págs.: 43-49

ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA

Sobretensiones por Resonancia Serie en el Sistema de Potencia de Plantas Petroquímicas

Series Resonance Overvoltages in Petrochemical Plant Power Systems 

J. García(1), O. A. Reyes(1) y D. Olguín(2)
(1) Instituto de Investigaciones Eléctricas, Calle Reforma 113, Col Palmira,
62490 Cuernavaca, Morelos-México (e-mail: jgarcia@iie.org.mx; oareyes@iie.org.mx)
(2) Instituto Politécnico Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación,
Av. Politécnico Nacional s/n, 07738 Zacanteco, México, D.F.-México (e-mail: dolguin@ipn.mx)


Resumen

El objetivo del trabajo presentado en este artículo fue determinar las condiciones en que se presentan sobretensiones debidas al fenómeno de resonancia electromagnética en el sistema eléctrico de potencia de plantas petroquímicas de México. El análisis se efectuó a través de simulaciones del sistema eléctrico en condiciones de falla utilizando ATPDraw. Los resultados muestran que la resonancia se presenta en un intervalo de 2 a 18.5 kHz con una magnitud máxima de 20.5 p.u. Se encontró que este fenómeno está asociado con el esquema de aterrizamiento de los equipos de potencia de la planta. Para evitar la presencia de estas sobretensiones se requiere modificar el esquema de interconexión de los equipos de potencia. De acuerdo con el análisis realizado se determinó que es necesario aislar eléctricamente los generadores a través de transformadores de unidad en conexión delta-estrella.


Abstract

The purpose of this study was to determine the conditions under which resonance overvoltages occur in the petrochemical plant power system in Mexico. This analysis was carried out by means of simulations of the electrical system using ATPDraw under fault conditions. The simulation results showed that the resonance appeared from 2 to 18.5 kHz, with a maximum magnitude of 20.5 p.u. It was found that this phenomenon depended on the grounding scheme of the plant. Modification of the interconnection scheme of the power system was required in order to avoid these overvoltages. Based on the simulations carried out, it was necessary to electrically isolate the generators using unit transformers in a delta – star connection.

Keywords: electrical power system, series resonance, neutral grounding, overvoltage


INTRODUCCION

El suministro de energía eléctrica, es un factor fundamental para los procesos de producción de los centros petroquímicos. Inicialmente, el esquema de interconexión de su sistema eléctrico fue diseñado para operar como un sistema aislado, con la capacidad requerida para satisfacer la demanda máxima y de reserva de carga. Desde su diseño se ha utilizado un esquema radial selectivo, en el cual cada generador alimenta la carga conectada de manera independiente (API-540; Daley, 1985; Dunki-Jacobs y Davis, 1992).

Con el incremento en la demanda y para mantener la continuidad del suministro de la energía eléctrica, las plantas se vieron en la necesidad de interconectarse a la red pública. Esta acción se realizó a través de un bus de sincronización con reactores limitadores de corriente de corto circuito en conexión serie, como se observa en la Fig. 1. En este esquema, cuando los generadores salen de operación, se mantiene la continuidad en el suministro de energía de la planta a través del enlace con la red pública. Además, se puede mantener un intercambio de energía en ambos sentidos.

Fig. 1: Sistema de distribución típico de una planta petroquímica.

A pesar de los cambios que ha sufrido la red eléctrica por los requerimientos de las plantas de proceso, el esquema de conexión del neutro de los equipos de potencia no ha sido modificado. La práctica común es mantener sólo uno de los equipos de potencia con referencia a tierra (API-540). Por lo anterior, en condiciones de falla se ha observado que pueden presentarse sobretensiones que afectan la integridad de los equipos eléctricos (ERA 5144).

En este artículo se describen las condiciones en que se presentan sobretensiones debidas al fenómeno de resonancia electromagnética en el sistema eléctrico de potencia de plantas petroquímicas en México. Con base en los estudios realizados, se proponen algunas modificaciones al esquema empleado actualmente.

La conexión a tierra de un sistema eléctrico es la práctica de conectar físicamente un punto del sistema, el neutro de un generador o un transformador, a la tierra física. El objetivo de esta práctica es crear una tensión de referencia para el sistema eléctrico (IEEE-142).

El esquema de conexión a tierra del neutro del equipo principal que se utiliza en algunas plantas petroquímicas, se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2: Esquema de aterrizamiento del neutro.

En este esquema únicamente se conecta el neutro de uno de los equipos a tierra. Esta es una práctica común debido a que la distribución de la energía se efectúa en el mismo nivel de tensión de generación, 13.8 kV. Por tanto, si se conecta a tierra el neutro de todos los equipos, no se tendría selectividad en caso de falla. Es decir, esto implica que todos los generadores salgan de operación de acuerdo con la coordinación de protecciones.

Los equipos son conectados a tierra a través de un bus de neutros, ver Fig. 2. Para la puesta a tierra del neutro de los generadores se utiliza un cable de energía clase 15 kV.  Este cable tiene una capacitancia parásita asociada del orden de 0.3 nF/m. Es importante notar que la distancia entre el neutro de los generadores y el bus de neutros varía entre 50 m y 1 km.

Se ha visto que este esquema presenta una gran desventaja. En caso de presentarse una falla a tierra, la corriente de falla circula a través del generador que se encuentra aterrizado. Las protecciones de la máquina detectan la corriente y abren el interruptor de máquina. Esto ocasiona que el sistema opere temporalmente aislado de tierra.

En un sistema sin referencia a tierra se presenta una sobretensión del 73% por arriba de su condición normal de operación (IEEE-142). Sin embargo, en la práctica, la inmensa mayoría de las fallas inicia como fallas a tierra de bajo nivel limitadas por la impedancia del arco; por lo cual, la tensión alcanzada es superior al 73%. Powell (1998) menciona que cuando las fallas a tierra por arco son consideradas, se presentan los siguientes problemas: a) Múltiples fallas a tierra; b) Resonancia; c) Sobretensiones transitorias.

Aunque  no  es  común, el  fenómeno de resonancia puede presentarse cuando una de las fases se aterriza a través de una inductancia; por ejemplo, una tierra entre el devanado de un transformador de instrumento. Cuando sucede esto, la corriente provoca voltajes elevados a través de las fases no falladas.

Los eventos transitorios debido a maniobras o fallas intermitentes a tierra, pueden producir sobretensiones sustancialmente elevadas en los sistemas aislados como menciona Nelson (2002).

DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO

El esquema típico de conexión de un centro petroquímico se muestra en la Fig. 3. Los generadores son de dos polos con una capacidad de 32 y 40 MVA, con un factor de potencia de 0.8 a 13.8 kV. Como fuente de respaldo se tiene una interconexión con la red pública a través de dos transformadores de enlace de relación 115/13.8 kV. La capacidad de estos transformadores es de 20 MVA.

Fig. 3: Esquema típico de interconexión de los equipos de potencia de un centro petroquímico.

Por otro lado, cada generador se conecta a un bus de sincronización a través de un reactor de 0.63 W. La carga principalmente proviene de motores de inducción tipo jaula de ardilla, aunque también se cuenta con motores síncronos. La demanda de la carga fluctúa alrededor de los 67 MW. En caso de que uno de los generadores salga de operación, es necesario transferir la energía hacia la carga a través de los reactores en conexión serie, en donde se tienen caídas de tensión considerables, del orden de 4.8%, por lo que es necesario sobrexcitar a los generadores. Esta condición, como menciona García (2003), ocasiona problemas severos en los extremos del estator debido al flujo disperso que se concentra en los cabezales, lo cual genera altas pérdidas, elevación de la temperatura y el daño del aislamiento interlaminar del núcleo del estator.

Por otro lado, en este esquema, cuando se presenta una falla a tierra en uno de los alimentadores del reactor, por ejemplo el RX-2, se presenta una corriente de desbalance en el neutro. Al presentarse la falla en este alimentador, la corriente de falla circula a través del neutro del generador TG-3 y de los transformadores de la subestación de enlace. El generador TG-3 y el transformador TR-1 se encuentran conectados a tierra a través del neutro.

En el momento de la falla, la protección de falla a tierra detecta la elevación de corriente que circula a través del neutro, y manda la señal de disparo del interruptor principal de la máquina y del transformador TR-1. En este momento el sistema queda sin referencia de tierra, es decir, queda “flotado” temporalmente, hasta que se conecta el neutro de otro generador.

El proceso de conectar otro generador a tierra, se efectúa manualmente. El operador detecta la señal de alarma en los tableros de control, y dependiendo de la secuencia de los eventos, identifica la ubicación de la falla y la aísla. Esto puede tardar varias horas. Durante este tiempo el sistema permanece flotado y queda expuesto a eventos de sobretensiones transitorias que pueden dañar a los equipos. En este caso particular se reportó la falla a tierra de una de las fases del generador TG-2, ver Fig. 4. El esquema y la secuencia de eventos descritos anteriormente, fueron simulados a través de ATPDraw, con la finalidad de determinar la magnitud de la sobretensión alcanzada durante la falla.

Fig. 4: Falla de fase a tierra en un bastón del generador TG-2.

RESULTADOS

Se realizó la simulación del circuito mostrado en la Fig. 3, usando ATPDraw. En este caso se tomó como base la secuencia de eventos descrita en la sección anterior. Al quedar flotado el sistema, y viendo al generador TG-2 desde el punto de vista de la falla, se observa la presencia de un circuito serie formado por la capacitancia a tierra del generador, la impedancia del devanado de la máquina y la impedancia del alimentador (ver Fig. 5). Adicionalmente, en este circuito existe una fuente de corriente (Ifalla) debida a la corriente del arco eléctrico que se produce durante la falla. La frecuencia de la corriente generada por el arco eléctrico no es constante, sino que posee un espectro amplio y aleatorio.

Fig. 5: Circuito RLC formado en una falla de fase a tierra.

En la Fig. 5, Cg es la capacitancia del devanado del generador; Cn es la capacitancia del neutro; Cc es la capacitancia del cable; IN: es la corriente en el neutro; IR es la corriente del alimentador; y Zg es la impedancia del devanado del generador.

De acuerdo con los resultados obtenidos por simulación, en el cual se consideran parámetros típicos para un generador en un centro petroquímico, se encontró que el rango de frecuencias al cual se puede presentar el fenómeno de resonancia serie está entre los 2 y los 18.5 kHz, y la magnitud llega a alcanzar una sobretensión de hasta 20.5 p.u., como se observa en las Figs. 6 y 7. En estas figuras se muestra la sobretensión que se presenta en el bus de sincronización cunado el sistema se encuentra flotado. La Fig. 6 corresponde al sistema alimentado a través de un generador y la red pública. En la Fig. 7 el sistema se encuentra alimentado únicamente a través de la red pública.

Fig. 6: Sobretensión por resonancia cuando un generador y la red pública alimentan la carga.


Fig. 7: Sobretensión por resonancia cuando el sistema eléctrico se encuentra alimentado sólo por la red pública.

Por otro lado, se observó que la resonancia no se presenta cuando el sistema se encuentra con referencia a tierra como se aprecia en la Fig. 8. La referencia a tierra puede ser a través del neutro del generador o través del transformador de enlace con la red pública.

Los centros industriales actualmente tienen la posibilidad de operar con el neutro en el nivel de la tensión de generación, sin referencia de tierra. Para evitar sobretensiones que pongan en riesgo la operación y vida útil de los equipos de potencia es necesario mantener el neutro de los equipos conectado a tierra. Para poder realizar la conexión del neutro de todas las unidades de generación (ver Fig. 3), es necesario modificar la configuración de la interconexión de los equipos primarios. Esto implica instalar nuevos elementos que permitan aislar al generador. Para ello es necesario conectar un transformador de la capacidad del generador, y de relación adecuada para poder conectar a tierra su neutro permanentemente, como se observa para el caso de la Fig. 9.

Fig. 8: Comportamiento de la tensión en función de la frecuencia en un sistema eléctrico con referencia de tierra.

Con esta acción se tienen las siguientes ventajas:

a) Reducir riesgos de accidente al personal.

b) Limitar la magnitud de las sobretensiones transitorias.

c) Reducir los esfuerzos eléctricos y mecánicos a los que se ve sometido el aislamiento del equipo eléctrico.

d) Proporcionar un medio para la detección de fallas a tierra.

Con el esquema mostrado en la Fig. 9. se tiene la ventaja de que los tableros de carga tienen dos fuentes de alimentación; no se tienen las caídas de tensión que se presentan en los reactores serie por lo que los generadores no operan sobrexcitados, el nivel de corriente de corto circuito se mantiene por debajo de los limites de fabricación comercial y el neutro de todos los generadores se encuentra permanentemente conectado a tierra. Por otro lado, con un esquema como el descrito en la Fig. 9, el transformador actúa aislando eléctricamente las fallas del bus de sincronización de las fallas que ocurren en el primario del transformador. Asimismo, en el esquema de la Fig. 10 y en gráfica de la Fig. 11 se observa que se reduce la posibilidad de que se presente el fenómeno de resonancia, debido a que no se limita la formación de un circuito RLC.

Fig. 9:  Esquema propuesto para el sistema eléctrico de potencia de las plantas petroquímicas.


Fig. 10: Circuito de falla en un sistema con neutro aterrizado.

CONCLUSIONES

Los esquemas utilizados actualmente para el aterrizamiento del neutro en los sistemas de potencia, tienen serias repercusiones en la operación de las plantas al verse sometidas a sobretensiones por resonancia. De acuerdo con la simulación efectuada y los resultados obtenidos, se determinó que es factible que se presenten sobretensiones a una frecuencia de 2 a 18.5 Hz, con una magnitud de hasta 20.5 p.u. Un esquema de puesta a tierra en todos los equipos de potencia, puede proteger de daño físico al equipo. Para lograrlo se requiere modificar la configuración del sistema eléctrico de los equipos primarios. Esto puede efectuarse aislando el sistema de generación a través de un transformador de unidad.

Fig. 11: Ausencia de sobretensiones en el esquema de interconexión propuesto.

REFERENCIAS

API-540 “Electrical Installations in Petroleum Processing Plants”, fourth edition, April (1999)        [ Links ]

Daley, J.M. “Design considerations for operating on-site generators in parallel with utility service”, IEEE Transactions on Industry Applications, IA-21(1), 69-80 (1985)        [ Links ]

Dunki-Jacobs, J.R. y Davis C.E. “An argument and procedure for conceptual power system design studies”, IEEE 39th Petroleum and Chemical Industry Conference, San Antonio, Texas, 28-30 September (1992)        [ Links ]

ERA 5144 “Resonance as a cause of excessive surge voltages in 33 kV earthing transformer” 5144, (1966)        [ Links ]

García A. “Deterioro térmico de los generadores con rotores de polos lisos ocasionado por flujo disperso”, XVI Reunión de Verano de Potencia RVP, IEEE Sección México, Acapulco, Gro. Julio (2003)        [ Links ]

Gole, A.M.; Martinez-Velasco J. y Keri, A. J. F. “Tutorial on : “Modeling and analysis of system transients using digital programs”. IEEE PES Special Publication 99TP-133-0, (1998)        [ Links ]

IEEE-142 “Recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems”, (1982)        [ Links ]

Nelson, J. P. “System grounding and ground-fault protection in the petrochemical industry: a need for a better understanding”, IEEE Transactions on Industry Applications, 38(6), 1633-1640 (2002)        [ Links ]

Powell, L. J. “The impact of system grounding practices on generator fault damage”, IEEE Transactions on Industry Applications, 34(5), 923-927 (1998)        [ Links ]