Resumen de Análisis de la influencia de fenómenos transitorios en redes de media tensión en sistemas eléctricos aislados de pequeña potencia: aplicación a la conexión de carga fría en la isla de El Hierro y extensión a sistemas eléctricos similares
El estudio de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP), el desarrollo de técnicas para su análisis y la implementación de herramientas y soluciones tecnológicas de toda índole, ha estado centrado tradicionalmente en los grandes sistemas interconectados. La lógica indica que esto ha debido ser así dado que estos grandes sistemas son los que abastecen de electricidad a las mayores concentraciones de población mundiales y, por tanto, el impacto de cualquier perturbación en el sistema eléctrico es máximo y, además, cuanto más se optimice su funcionamiento, mayor eficiencia global se consigue.
Sin embargo, hoy en día la configuración de estos grandes SEP está cambiando rápidamente y tales cambios se prevén aún más radicales en los años venideros. Los condicionantes medioambientales, la cada vez mayor penetración de energías renovables y la introducción paulatina pero continua de la generación distribuida hacen que el modelo existente de generación concentrada en determinados puntos y amplias redes de transporte y distribución para llegar a los centros de consumo, esté cambiando a velocidad cada vez mayor para transformarse en un modelo con un mayor acercamiento de la generación, diferente a la convencional, al consumo.
Los sistemas aislados insulares están siendo en muchos casos adelantados a esta tendencia. En las Islas Canarias, el ejemplo de la isla de El Hierro con el sistema hidráulico de almacenamiento de energía eólica es paradigmático en este sentido. Estos sistemas insulares aislados presentan particularidades que los diferencian claramente de los grandes sistemas interconectados y su fragilidad y vulnerabilidad es mucho mayor.
En ellos, en general, la generación está ya muy próxima al consumo, aunque sigue estando concentrada en puntos concretos (centrales), de tal forma que la misma vierte la energía que produce directamente en la red de distribución, lo que hace al sistema eléctrico más débil desde el momento en que el consumidor está “más cerca” de la generación.
Uno de tales efectos es el de reposición de tramos de red de distribución después de un período de mantenimiento más o menos prolongado (horas), o tras un “cero” de tensión, especialmente cuando la cantidad de cables subterráneos y de transformadores de consumo es considerable en relación con el tamaño del sistema eléctrico en su conjunto. En muchos casos, las corrientes que se producen en el período transitorio durante la conexión son de similar magnitud a las de un cortocircuito, lo que provoca la actuación de los sistemas de protección y, en definitiva, impide la reposición directa. Tal evento se conoce como conexión de carga fría (CCF o CLPU por sus siglas en inglés, de “Cold Load Pick Up”).
Tal situación ocurre sistemáticamente en un tramo de la denominada Línea Norte del sistema eléctrico de la isla de El Hierro (con una tensión de funcionamiento de 20 kV), que debe ser subdividida en varios tramos para poder ser repuesta tras cualquier trabajo de mantenimiento prolongado, con el consiguiente despliegue adicional de recursos sobre los que serían estrictamente necesarios y la necesidad de prolongar considerablemente los tiempos de reposición.
Es precisamente el análisis y propuesta de solución de esta problemática lo que constituye el objeto de la presente Tesis. Se trata, en definitiva, de establecer los criterios para que, sin necesidad de sustituir por completo la protección de sobreintensidad existente para protección de la línea de 20 kV, se la dote de la funcionalidad adecuada para distinguir entre una corriente de conexión y una corriente de cortocircuito, evitando su actuación en el primero de los casos. Estos criterios han de ser suficientemente concretos y aplicables como para ser extensibles a situaciones similares en cualquier otro SEP.
Para ello, se han utilizado las herramientas y metodología que la electrotecnia pone a nuestra disposición para el análisis de fenómenos transitorios y para la disección del comportamiento de los distintos elementos de los sistemas eléctricos bajo situaciones transitorias. Además, se analizan los datos obtenidos de dos conexiones reales realizadas en julio de 2011 y en octubre de 2013 en la isla de El Hierro para identificar el problema, teniendo en cuenta que la característica fundamental en este tipo de líneas de Media Tensión (20 kV, o MT) de alimentación de un conjunto de estaciones de transformación con cargas de Baja Tensión (0,38 kV o BT), es la presencia de un grupo más o menos numeroso de transformadores MT/BT con potencias inferiores a 1 MVA.
La Tesis describe en primer lugar la estructura general de un SEP y las características que diferencian a los sistemas aislados de pequeña potencia. Se lleva a cabo igualmente una revisión bibliográfica referida al fenómeno de la conexión de carga fría y a los aspectos relacionados con ella, así como una revisión del conocimiento existente en cuanto al comportamiento, y características de los diferentes elementos de un sistema eléctrico durante la ocurrencia de una situación transitoria, dado que cada uno de ellos (líneas aéreas o subterráneas, transformadores y cargas) presenta peculiaridades diferentes y da lugar a fenómenos específicos. También se analiza el conocimiento existente en la modelización de tales elementos, en la medida que la forma en que se modela tiene influencia considerable en los resultados que se obtienen de los programas de simulación. Tal análisis bibliográfico permite establecer los límites del conocimiento y de las soluciones existentes acerca de la conexión de carga en SEP pequeños y aislados.
Los fundamentos del análisis de fenómenos transitorios, como base de la metodología utilizada, ocupan un lugar esencial en el documento, y se describe también con detalle el comportamiento de cada elemento de un SEP, en la medida que puede influenciar la fenomenología observada en la isla de El Hierro.
La descripción metodológica se completa con un resumen de las características del programa de simulación utilizado, PSCAD®/EMTDC® (acrónimos de Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC y marcas registradas de Manitoba Hydro International, Ltd) y la forma en que enfoca el cálculo de corrientes y tensiones en la simulación, además de con un repaso a los diferentes tipos de cortocircuitos que pueden darse en un SEP y a los parámetros que permiten identificar a cada uno de ellos, dado que tales parámetros son esenciales para determinar qué criterios pueden utilizarse para distinguir una corriente de conexión de carga de una debida a la ocurrencia de un defecto.
También se explica someramente el funcionamiento de los relés de sobreintensidad instalados en los SEP de Canarias, con el fin de establecer que no disponen de ninguna función que permita detectar la ocurrencia de un evento de conexión de carga fría.
Por último, se presenta la descripción del SEP de El Hierro y se exponen los resultados de las medidas realizadas durante maniobras de energización de cargas en julio de 2011 y octubre de 2013. Igualmente, y dado que la conexión de transformadores es determinante en la conexión de carga fría, se simula la energización de este tipo de máquinas y se analizan los resultados tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia para determinar qué parámetros o elementos son determinantes en la discriminación entre una conexión de carga fría y un cortocircuito. Tras la discusión de los resultados obtenidos, se propone un algoritmo que permita dicha discriminación, generalizable a otros SEP con similar configuración y dimensiones al de El Hierro, y se presentan las simulaciones llevadas a cabo de las maniobras de julio de 2011 y octubre de 2013.
Finalmente, se aportan las conclusiones de esta Tesis y se enumeran futuras líneas de investigación que pueden ser exploradas a partir de ella.
Los objetivos que se persiguen con esta Tesis son los siguientes: Estudiar el comportamiento de la conexión de carga fría durante el régimen transitorio en un tramo de la denominada Línea Norte de la red de distribución de Media Tensión en el sistema eléctrico de la isla de El Hierro, con alta densidad de carga y de cables subterráneos.
Analizar, tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, las similitudes y diferencias entre el comportamiento transitorio de los principales parámetros eléctricos del sistema (tensión, intensidad, potencia activa y reactiva) durante la conexión de carga fría y el que se produce durante la ocurrencia de cortocircuitos en similares condiciones.
A partir de tal análisis, establecer, si es posible, uno o varios criterios diferenciadores mediante los cuales se establezcan las bases de un diseño que permita a los relés de sobreintensidad distinguir entre las corrientes que se generan en esta conexión de carga fría y las que se producen cuando existe un defecto real, sin que haya necesidad de sustituir dichos relés.
Determinar una metodología que permita generalizar tal análisis a situaciones similares en cualquier SEP de baja potencia de cortocircuito.
