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 Electricos de Potencia (SEP), el desarrollo de tecnicas para su analisis y la implementacion de herramientas y soluciones tecnologicas de toda indole, ha estado centrado tradicionalmente en los grandes sistemas interconectados. La logica indica que esto ha debido ser asi dado que estos grandes sistemas son los que abastecen de electricidad a las mayores concentraciones de poblacion mundiales y, por tanto, el impacto de cualquier perturbacion en el sistema electrico es maximo y, ademas, cuanto mas se optimice su funcionamiento, mayor eficiencia global se consigue. Sin embargo, hoy en dia la configuracion de estos grandes SEP esta cambiando rapidamente y tales cambios se preven aun mas radicales en los anos venideros. Los condicionantes medioambientales, la cada vez mayor penetracion de energias renovables y la introduccion paulatina pero continua de la generacion distribuida hacen que el modelo existente de generacion concentrada en determinados puntos y amplias redes de transporte y distribucion para llegar a los centros de consumo, este cambiando a velocidad cada vez mayor para transformarse en un modelo con un mayor acercamiento de la generacion, diferente a la convencional, al consumo. Los sistemas aislados insulares estan siendo en muchos casos adelantados a esta tendencia. En las Islas Canarias, el ejemplo de la isla de El Hierro con el sistema hidraulico de almacenamiento de energia eolica es paradigmatico 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 generacion esta ya muy proxima al consumo, aunque sigue estando concentrada en puntos concretos (centrales), de tal forma que la misma vierte la energia que produce directamente en la red de distribucion, lo que hace al sistema electrico mas debil desde el momento en que el consumidor esta “mas cerca” de la generacion. Uno de tales efectos es el de reposicion de tramos de red de distribucion despues de un periodo de mantenimiento mas o menos prolongado (horas), o tras un “cero” de tension, especialmente cuando la cantidad de cables subterraneos y de transformadores de consumo es considerable en relacion con el tamano del sistema electrico en su conjunto. En muchos casos, las corrientes que se producen en el periodo transitorio durante la conexion son de similar magnitud a las de un cortocircuito, lo que provoca la actuacion de los sistemas de proteccion y, en definitiva, impide la reposicion directa. Tal evento se conoce como conexion de carga fria (CCF o CLPU por sus siglas en ingles, de “Cold Load Pick Up”). Tal situacion ocurre sistematicamente en un tramo de la denominada Linea Norte del sistema electrico de la isla de El Hierro (con una tension 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 serian estrictamente necesarios y la necesidad de prolongar considerablemente los tiempos de reposicion. Es precisamente el analisis y propuesta de solucion de esta problematica 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 proteccion de sobreintensidad existente para proteccion de la linea de 20 kV, se la dote de la funcionalidad adecuada para distinguir entre una corriente de conexion y una corriente de cortocircuito, evitando su actuacion 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 metodologia que la electrotecnia pone a nuestra disposicion para el analisis de fenomenos transitorios y para la diseccion del comportamiento de los distintos elementos de los sistemas electricos bajo situaciones transitorias. Ademas, 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 caracteristica fundamental en este tipo de lineas de Media Tension (20 kV, o MT) de alimentacion de un conjunto de estaciones de transformacion con cargas de Baja Tension (0,38 kV o BT), es la presencia de un grupo mas 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 caracteristicas que diferencian a los sistemas aislados de pequena potencia. Se lleva a cabo igualmente una revision bibliografica referida al fenomeno de la conexion de carga fria y a los aspectos relacionados con ella, asi como una revision del conocimiento existente en cuanto al comportamiento, y caracteristicas de los diferentes elementos de un sistema electrico durante la ocurrencia de una situacion transitoria, dado que cada uno de ellos (lineas aereas o subterraneas, transformadores y cargas) presenta peculiaridades diferentes y da lugar a fenomenos especificos. Tambien se analiza el conocimiento existente en la modelizacion 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 simulacion. Tal analisis bibliografico permite establecer los limites del conocimiento y de las soluciones existentes acerca de la conexion de carga en SEP pequenos y aislados. Los fundamentos del analisis de fenomenos transitorios, como base de la metodologia utilizada, ocupan un lugar esencial en el documento, y se describe tambien con detalle el comportamiento de cada elemento de un SEP, en la medida que puede influenciar la fenomenologia observada en la isla de El Hierro. La descripcion metodologica se completa con un resumen de las caracteristicas del programa de simulacion utilizado, PSCAD®/EMTDC® (acronimos 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 calculo de corrientes y tensiones en la simulacion, ademas de con un repaso a los diferentes tipos de cortocircuitos que pueden darse en un SEP y a los parametros que permiten identificar a cada uno de ellos, dado que tales parametros son esenciales para determinar que criterios pueden utilizarse para distinguir una corriente de conexion de carga de una debida a la ocurrencia de un defecto. Tambien se explica someramente el funcionamiento de los reles de sobreintensidad instalados en los SEP de Canarias, con el fin de establecer que no disponen de ninguna funcion que permita detectar la ocurrencia de un evento de conexion de carga fria. Por ultimo, se presenta la descripcion del SEP de El Hierro y se exponen los resultados de las medidas realizadas durante maniobras de energizacion de cargas en julio de 2011 y octubre de 2013. Igualmente, y dado que la conexion de transformadores es determinante en la conexion de carga fria, se simula la energizacion de este tipo de maquinas y se analizan los resultados tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia para determinar que parametros o elementos son determinantes en la discriminacion entre una conexion de carga fria y un cortocircuito. Tras la discusion de los resultados obtenidos, se propone un algoritmo que permita dicha discriminacion, generalizable a otros SEP con similar configuracion 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 lineas de investigacion que pueden ser exploradas a partir de ella. Los objetivos que se persiguen con esta Tesis son los siguientes:  Estudiar el comportamiento de la conexion de carga fria durante el regimen transitorio en un tramo de la denominada Linea Norte de la red de distribucion de Media Tension en el sistema electrico de la isla de El Hierro, con alta densidad de carga y de cables subterraneos.  Analizar, tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, las similitudes y diferencias entre el comportamiento transitorio de los principales parametros electricos del sistema (tension, intensidad, potencia activa y reactiva) durante la conexion de carga fria y el que se produce durante la ocurrencia de cortocircuitos en similares condiciones.  A partir de tal analisis, establecer, si es posible, uno o varios criterios diferenciadores mediante los cuales se establezcan las bases de un diseno que permita a los reles de sobreintensidad distinguir entre las corrientes que se generan en esta conexion de carga fria y las que se producen cuando existe un defecto real, sin que haya necesidad de sustituir dichos reles.  Determinar una metodologia que permita generalizar tal analisis a situaciones similares en cualquier SEP de baja potencia de cortocircuito.

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