Francisco X. Rodríguez Véliz Christian A. Solano Villao DISEÑO DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN PRIMARIO DE LA SUBESTACIÓN “SALINAS” DE LA EMPRESA ELÉCTRICA PENÍNSULA DE SANTA ELENA S.A. BASADO EN LA CALIDAD DE SERVICIO Presentada por: Francisco X. Rodríguez Véliz Christian A. Solano Villao Luis X. Solano Villao

INTRODUCCIÓN En la actualidad, las empresas de distribución eléctrica deben encargarse no solo de llevar energía hasta sus clientes, sino también, de ofrecer un nivel aceptable de calidad de dicha energía. Esto se da porque cada vez existen más aparatos eléctricos que son sensibles a los disturbios, pero en especial, porque los entes de control exigen que se cumplan parámetros de calidad establecidos por medio de regulaciones.

OBJETIVO La interrupción del servicio eléctrico a causa de fallas en el sistema de distribución es uno de los acontecimientos más problemáticos y comunes que se presentan y que influyen directamente en la calidad del servicio. Disminuir este problema, un beneficio tanto para la empresa como para los clientes, es lo que se busca conseguir con el desarrollo de este proyecto.

CONSIDERACIONES El diseño se lo hará teniendo en cuenta dos aspectos fundamentales que son: reducir el número de interrupciones y reducir los efectos de los disturbios que se presenten en el sistema, de tal forma que tanto el abonado como la empresa tengan beneficios.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO El área de servicio del sistema eléctrico de la Península de Santa Elena abarca aproximadamente 6774 Km². Este sistema se lo divide en dos sistemas de subtransmisión que son: - El sistema Playas. - El sistema Península.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO El sistema eléctrico de la Península de Santa Elena se encuentra formado por 14 subestaciones de distribución. Siendo objeto de nuestro estudio la subestación Salinas la cual consta de 5 alimentadoras.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO FIGURA 1.1: AREA DE INFLUENCIA DE LA SUBESTACIÓN.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO La subestación Salinas posee 5 alimentadoras las cuales están conectadas a la barra de 13.8 KV y son las siguientes: - Alimentador Rubira (#1) - Alimentador Dobronsky (#2) - Alimentador Bases Militares (#3) - Alimentador Interconexión (#4) - Alimentador La dunas (#5)

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO FIGURA 1.2: CONFIGURACIÓN TRIFÁSICA 1. FIGURA 1.3: CONFIGURACIÓN TRIFÁSICA 2. FIGURA 1.4: CONFIGURACIÓN TRIFÁSICA 3. FIGURA 1.5: CONFIGURACIÓN DE LAS DERIVACIONES BIFÁSICAS. FIGURA 1.6: CONFIGURACIÓN DE LAS DERIVACIONES MONOFÁSICAS.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO TABLA 1.1: PARÁMETROS PARA EL CALCULO DE LA CAPACIDAD TÉRMICA DE LOS CONDUCTORES TABLA 1.2: CAPACIDAD TÉRMICA DE LOS CONDUCTORES

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO TABLA 1.3: LONGITUD ALIMENTADORAS

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO Los transformadores ubicados en el sistema eléctrico de distribución son del tipo convencional y autoprotegidos (1) con capacidades de 10, 15, 25, 37.5, 50, 75 y 100 MVA principalmente de la marca ECUATRAN. TABLA 1.4: NÚMERO DE TRAFOS POR ALIMENTADORA

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO La subestación cuenta con una capacidad instalada de 12 MVA nominales y sus alimentadoras tienen una carga del tipo residencial y comercial. El valor de demanda máximo en la subestación Salinas se registro el 31 de Diciembre para el año 2005, de donde se obtuvieron los siguientes datos de voltaje, potencia activa y reactiva. TABLA 1.5: DATOS OBTENIDOS DE LA SUBESTACIÓN SALINAS (31/12/05)

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO FIGURA 1.7: CURVA DE CARGA DIARIA DE LA SUBESTACIÓN SALINAS. FIGURA 1.8: ENERGÍA CONSUMIDA POR ALIMENTADORA.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO

ANALISIS DEL SISTEMA ELÉCTRICO ACTUAL La configuración del sistema de distribución primario de la subestación Salinas es estrella multi-aterrizado de 4 hilos siendo el nivel de voltaje en las alimentadoras de 13,8 KV para voltaje de línea a línea y de 7,69 KV para voltaje de línea a neutro FIGURA 2.1 CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN PRIMARIO

ANALISIS DEL SISTEMA ELÉCTRICO ACTUAL Los análisis que se realizaron para cada una de las alimentadoras fueron: - CAÍDA DE VOLTAJE - BALANCE EN ALIMENTADORAS - SISTEMA DE PROTECCIÓN - CARGAS/CONSUMIDORES - INTERRUPCIONES - CONFIABILIDAD - CORTOCIRCUITO

CÁLCULO DE CAÍDA DE VOLTAJE: OBJETIVO E IMPORTANCIA Se busca determinar el voltaje en un punto del alimentador en función de la distancia que exista entre este punto y la subestación. Es importante determinar el perfil de voltaje de la alimentadora para cuantificar que tan significativa es la caída de voltaje al final de la misma.

CÁLCULO DE CAÍDA DE VOLTAJE: MÉTODOS MATEMÁTICOS UTILIZADOS En al siguiente tabla se hace un resumen de las características de los procesos utilizados para el cálculo de caída de voltaje: TABLA 2.1: MÉTODOS MATEMÁTICOS UTILIZADOS

CÁLCULO DE CAIDA DE VOLTAJE: CONSIDERACIONES PARA SIMPLIFICAR EL MODELO DEL SISTEMA Las siguientes consideraciones se han realizado para simplificar el sistema: La impedancia tanto de los transformadores de distribución como del circuito secundario (voltajes de 110 y 220 V) no se ha considerado. Se considera solo el cálculo de voltaje de la troncal trifásica más larga de la alimentadora; y en los puntos en donde existan derivaciones monofásicas y bifásicas, se considera una carga equivalente de todas las cargas servidas por dichas derivaciones. Se ha considerado la fase de la alimentadora a la que esta conectado cada transformador de distribución.

CÁLCULO DE CAÍDA DE VOLTAJE: PERFILES DE VOLTAJE OBTENIDOS

BALANCE EN ALIMENTADORAS: CONSIDERACIONES La distribución de la carga servida por cada fase de una alimentadora es uno de los factores que más afectan al voltaje presente en cada punto de la misma. Lo ideal es que esta distribución sea igual para cada una de las fases, algo que nunca se logra, debido en gran medida a una mala planificación de la extensión de las redes de distribución y a una mala proyección del crecimiento de la demanda del sistema.

BALANCE EN ALIMENTADORAS: FORMULAS UTILIZADAS En la siguiente tabla se muestran las formulas utilizadas para el cálculo de balance en alimentadores: TABLA 2.2: FORMULAS PARA CÁLCULO DE BALANCE EN ALIMENTADORAS

SISTEMAS DE PROTECCIONES La protección de las alimentadoras de la Subestación Salinas se realiza a través del interruptor de vacío y de fusibles. En distintos puntos de las alimentadoras se han colocado cajas fusibles con el propósito de proteger a las secciones y aislarlas de la troncal en caso de fallas. El sistema actual de protección contra rayos que utiliza EMEPE esta basado en la colocación de pararrayos para transformadores convencionales, debido a que la zona no presenta un alto nivel isoceraúnico.

SISTEMAS DE PROTECCIONES

COORDINACIÓN DE PROTECCIONES El criterio de coordinación seguido por EMEPE es que el elemento que este colocado aguas arribas, cercano al punto donde se produjo la falla, opere antes que el elemento que este colocado aguas abajo cercano a la fuente. Para lograr este objetivo la empresa utiliza el criterio de colocar fusibles de mayor capacidad para las derivaciones 3Ø (200 A) y de menor capacidad para las derivaciones y subderivaciones 1Ø y 2Ø (100 A)

COORDINACIÓN DE PROTECCIONES PROBLEMA CONSECUENCIA Una falla en una subderivación 2Ø o 1Ø , hace que el fusible de respaldo opere antes que el fusible protector, aumentando la zona afectada por la falla y por lo tanto haciendo al sistema menos selectivo. En algunas derivaciones 3 se han colocado fusibles de 100 A por motivo de falta de stock de fusibles 200 A. Los relés de sobrecorrientes asociados al interruptor de vacío están desconectados por lo que la protección de las troncales 3Ø de las alimentadoras esta dada por el interruptor de vacío Una falla en cualquiera de las troncales 3Ø de las alimentadoras, desconecta a todas las alimentadoras, aumentando la zona afectada por la falla. Por lo que disminuye la selectividad del sistema y aumenta la frecuencia de las interrupciones.

CARGAS/CONSUMIDORES: OBJETIVO E IMPORTANCIA Con el fin de medir el alcance del servicio de las alimentadoras que conforman el sistema de distribución primario de la Subestación, es necesario calcular ciertos parámetros de densidad (consumidores por área de servicio). Estos parámetros indican que tipo de área es abastecido.

CARGAS/CONSUMIDORES: FORMULAS UTILIZADAS En la siguiente tabla se muestran las formulas utilizadas para el cálculo de parámetros de densidad y dispersión: TABLA 2.3: FORMULAS PARA CÁLCULO DE DENSIDAD Y DISPERSIÓN DE CARGAS

CAIDA DE VOLTAJE, BALANCE Y CARGA: TABLA DE RESULTADOS TABLA 2.5: PARÁMETROS DE CARGA PARA LA ALIMENTADORA DOBRONSKY TABLA 2.4: PARÁMETROS DE CARGA PARA LA ALIMENTADORA RUBIRA TABLA 2.6: PARÁMETROS DE CARGA PARA LA ALIMENTADORA BASES MILITARES

CAIDA DE VOLTAJE, BALANCE Y CARGA: TABLA DE RESULTADOS TABLA 2.7: PARÁMETROS DE CARGA PARA LA ALIMENTADORA INTERCONEXIÓN TABLA 2.8: PARÁMETROS DE CARGA PARA LA ALIMENTADORA LAS DUNAS

INFORMACIÓN ESTADÍSTICA DE LAS INTERRUPCIONES Con el propósito de evaluar la calidad de servicio desde el punto de vista técnico que recibe el usuario de parte de la Empresa Eléctrica Península de Santa Elena (EMEPE) en la ciudad de Salinas, procedemos a realizar un análisis estadístico de las interrupciones que se presentaron en el sistema de distribución de la Subestación Salinas en los años 2004, 2005 y 2006. Para realizar este estudio se procede a clasificar las interrupciones según las normas vigentes del CONELEC dadas en la regulación 004/01.

INFORMACIÓN ESTADÍSTICA DE LAS INTERRUPCIONES

EVALUACIÓN DE LA CONFIABILIDAD Para el análisis de la confiabilidad se procede al cálculo de los parámetros indicados en la regulación 004/001 del CONELEC, que desde el punto de vista de la calidad del servicio técnico se basa en la ocurrencia y tiempo de duración de las interrupciones. Los índices a calcular son:

EVALUACIÓN DE LA CONFIABILIDAD TABLA 2.9: VALORES LÍMITES PARA FMIK Y TTIK

CÁLCULO DE CORTOCIRCUITO: OBJETIVO E IMPORTANCIA Para diseñar un sistema de protección confiable que minimice las interrupciones por fallas de sobrecorriente a través del uso de equipos de protección, se hace necesario el cálculo de corrientes de fallas en diferentes puntos del sistema de distribución. En cada punto donde se ubique un equipo de protección de sobrecorriente, se requiere conocer los valores máximos de corrientes de fallas para determinar si la capacidad de interrupción del equipo es la más adecuada y si el equipo de protección en serie coordinará de manera apropiada.

CÁLCULO DE CORTOCIRCUITO: FORMULAS UTILIZADAS En la siguiente tabla se muestran las formulas utilizadas para el cálculo de cortocircuito: TABLA 2.10: FORMULAS PARA CÁLCULO DE CORTOCIRCUITO

CÁLCULO DE CORTOCIRCUITO: RESULTADOS OBTENIDOS

CÁLCULO DE CORTOCIRCUITO: RESULTADOS OBTENIDOS

REDISEÑO DEL SISTEMA ELECTRICO DE DISTRIBUCION DE LA SUBESTACIÓN SALINAS - Determinación de Parámetros (Tasas de Falla) - Rediseño de la topología del Sistema de Media Tensión basado en la calidad de servicio - Rediseño del sistema de protecciones basado en la calidad de servicio

DETERMINACIÓN DE PARAMETROS Las redes de distribución radiales de la subestación Salinas son sistemas cuyo funcionamiento es continuo, que falla aleatoriamente y que es reparable. Estas características del sistema dan lugar a una serie de índices probabilísticos que están relacionados con los componentes del sistema y el tiempo de reposición del servicio.

DETERMINACIÓN DE PARAMETROS Los siguientes parámetros pretenden estimar el funcionamiento de los componentes que forman la red y el tiempo de reparación del mismo estando expuesto a un disturbio y son: Indicador que estima la probabilidad de que el transformador tenga una mala operación cuando se encuentre expuesto a un disturbio 1. TASA DE FALLA DE TRANSFORMADORES Indicador que estima la probabilidad que falle el sistema considerando la longitud o tramo que esta siendo afectado 2. TASA DE FALLA DE ALIMENTADORAS Indicador que estima la probabilidad que el equipo de protección tenga una mala operación cuando este expuesto a un disturbio. 3. FALLA EQUIPOS DE PROTECCIÓN 4. TIEMPO DE RESTAURACIÓN Intervalo entre el inicio de la falla y la reparación o reemplazo del componente dañado.

DETERMINACIÓN DE PARAMETROS FORMULAS PARA CÁLCULO TASA DE FALLA DE TRANSFORMADORES TABLA 3.1: Tasa de falla estimada para transformadores en las alimentadoras

DETERMINACIÓN DE PARAMETROS FORMULAS PARA CÁLCULO TASA DE FALLA DE ALIMENTADORAS TABLA 3.2: Factor de escala de las Alimentadoras

DETERMINACIÓN DE PARAMETROS FORMULAS PARA CÁLCULO TASA DE FALLA DE EQUIPOS DE PROTECCIÓN TABLA 3.3: Tasa de falla para equipos de distribución aéreo (IEEE)

DETERMINACIÓN DE PARAMETROS FORMULAS PARA CÁLCULO TIEMPO DE RESTAURACIÓN PARA ALIMENTADORAS TABLA 3.4: Tiempo medio de Restauración de las alimentadoras

REDISEÑO DE LA TOPOLOGÍA DEL SISTEMA DE MEDIA TENSIÓN BASADO EN AL CALIDAD DEL SERVICIO En este literal se pretende representar los aspectos más importantes de la red de distribución de la Subestación Salinas desde el punto de vista de la confiabilidad. El modelado de la red es un esquema sencillo que toma en cuenta la configuración radial simple del sistema, considerando que solo existe un camino entre la fuente de energía o alimentación y cualquier punto de carga

REDISEÑO DE LA TOPOLOGÍA DEL SISTEMA DE MEDIA TENSIÓN BASADO EN AL CALIDAD DEL SERVICIO Los elementos que se propone representar para modelar el sistema son: los tramos de longitudes de las alimentadoras, la potencia instalada (numero de consumidores) y los equipos de protección y seccionamiento FIGURA 3: Modelado de la red

REDISEÑO DE LA TOPOLOGÍA DEL SISTEMA DE MEDIA TENSIÓN BASADO EN AL CALIDAD DEL SERVICIO CALCULO INDICADORES DE CONFIABILIDAD Los índices a calcular para la evaluación de la confiabilidad están orientados a la carga y al consumidor para el sistema. ÍNDICES ORIENTADOS AL CONSUMIDOR ÍNDICE DE FRECUENCIA DE INTERRUPCIÓN PROMEDIO DEL SISTEMA SAIFI ÍNDICE DE LA DURACIÓN DE INTERRUPCIÓN PROMEDIO DEL SISTEMA SAIDI

REDISEÑO DE LA TOPOLOGÍA DEL SISTEMA DE MEDIA TENSIÓN BASADO EN AL CALIDAD DEL SERVICIO ÍNDICES ORIENTADOS AL CONSUMIDOR ÍNDICE DE LA DURACIÓN DE INTERRUPCIÓN PROMEDIO DE CONSUM. CAIDI ÍNDICE DE LA DISPONIBILIDAD PROMEDIO DEL SERVICIO ASAI ÍNDICE DE LA INDISPONIBILIDAD PROMEDIO DEL SERVICIO ASUI

REDISEÑO DE LA TOPOLOGÍA DEL SISTEMA DE MEDIA TENSIÓN BASADO EN AL CALIDAD DEL SERVICIO ÍNDICES ORIENTADOS A LA CARGA ENERGÍA NO SUPLIDA AL SISTEMA ENS ENERGIA PROMEDIO NO SUPLIDA DEL SISTEMA AENS

REDISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIONES BASADO EN LA CALIDAD DE SERVICIO El propósito de realizar un rediseño de este tipo es la disminución de las interrupciones, en su duración y frecuencia. El problema que se presenta al tener una configuración serie (si falla un componente del sistema entonces falla todo el sistema) puede ser resuelto por el uso de equipos de protección y seccionamiento. A continuación se exponen 4 modelos con los cuales se pretende mejorar los índices de calidad del servicio del sistema

REDISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIONES BASADO EN LA CALIDAD DE SERVICIO CASO 2: REDISEÑO UTILIZANDO SECCIONADORES, RECONECTADORES Y FUSIBLES EN LAS DERIVACIONES DE LAS ALIMENTADORAS CASO 1: REDISEÑO UTILIZANDO RECONECTADORES Y FUSIBLES EN LAS DERIVACIONES DE LAS ALIMENTADORAS

REDISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIONES BASADO EN LA CALIDAD DE SERVICIO CASO 4: REDISEÑO UTILIZANDO SECCIONADORES, RECONECTADORES, FUSIBLES EN LAS DERIVACIONES DE LAS ALIMENTADORAS Y EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA CON RETORNO AUTOMATICO CASO 3: REDISEÑO UTILIZANDO SECCIONADORES, RECONECTADORES, FUSIBLES EN LAS DERIVACIONES DE LAS ALIMENTADORAS Y EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA CON RETORNO MANUAL

PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Para una mejor interpretación de los resultados que se obtienen se procede: - Realizar un benchmark con una empresa modelo de similares características. - Comparación con los índices referenciales que constan en la regulación Argentina. Para los índices del SAIFI, SAIDI, CAIDI su análisis se lo realiza considerando lo expresado en líneas superiores, mientras que para el análisis de los demás índices se realiza un estudio comparativo con los índices calculados para el sistema actual (CASO BASE)

PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS TABLA 3.5: Índices de Confiabilidad TABLA 3.6: Resultados obtenidos para el CASO BASE

ANÁLISIS DE RESULTADOS DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA CONFIABILIDAD

ANÁLISIS DE RESULTADOS DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA CONFIABILIDAD

ANÁLISIS DE RESULTADOS DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA CONFIABILIDAD

ANÁLISIS DE RESULTADOS DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA CONFIABILIDAD

ANÁLISIS DEL COSTO DE INVERSIONES PARA LA MEJORA DE LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA El análisis costo-beneficio nos permite elegir la alternativa que resulte económicamente conveniente para la empresa. Este criterio nos permite cuantificar el nivel de beneficio que obtendrá la empresa. Los costos serán medidos a través de dos variables económicas: - Costo de Interrupción total de la alimentadora. - Costo de interrupción por consumidor El beneficio será cuantificado a través de la mejora de la confiabilidad del sistema

ANÁLISIS DEL COSTO DE INVERSIONES PARA LA MEJORA DE LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA El método Costo-Beneficio asocia un costo con la carga interrumpida (L) y la energía no suplida (E). Su formula es la siguiente: TABLA 3.8: Precios referenciales de los equipos utilizados TABLA 3.7: Parámetros para análisis Costo-Beneficio

ANÁLISIS DEL COSTO DE INVERSIONES PARA LA MEJORA DE LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA

ANÁLISIS DEL COSTO DE INVERSIONES PARA LA MEJORA DE LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA TABLA 3.9: Alternativa escogida para cada una de las alimentadoras

CONCLUSIONES - El análisis de los diferentes casos propuestos muestra que se logra reducir los índices de confiabilidad hasta ubicarlos en el rango de los índices que constan en la regulación argentina y los señalados en la empresa modelo. - La alternativa escogida para el rediseño del sistema de distribución de la Subestación Salinas es adicionar fusibles y reconectadores a todas las alimentadoras a excepción del alimentador LAS DUNAS.

RECOMENDACIONES - Contar con una base de datos donde se registre los eventos causados por las interrupciones. - Mantenimientos preventivos - Control más estricto en lo que se refiere al registro de fallas para poder realizar una mejor clasificación y análisis de las interrupciones.

GRACIAS