Metodología para el dimensionamiento y la selección

del Interruptor de Potencia para Generadores (GCB) usando etap

Rafael Franco Manrique,Ingeniero Líder de Ventas y

Soporte Técnico Software etap

César Augusto RamosIngeniero Auxiliar de Estudiosen Sistemas de Potencia etap

PTI S.A

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E l propósito de este artículo es presentar una metodo-logía para el dimensionamiento y selección de un inte-

rruptor de potencia usado para protección de generadores (GCB); Para tal fin, se usa como caso de estudio el ejemplo incluido en el Anexo A de la IEEE C37.13 -1997 simulado en el software etap y se utiliza el módulo de IEC para ilustrar el comportamiento de las corrientes para los escenarios estu-diados y seleccionar la corriente de interrupción apropiada para el GCB. La metodología incluye la evaluación de dos es-cenarios de cortocircuito para el sistema, luego se presentan los resultados y las gráficas de corrientes IEC para registrar los aportes del sistema y del generador a la falla. Finalmen-te, se concluye sobre los resultados obtenidos mostrando la importancia de la apropiada selección del GCB de acuerdo a las normas mencionadas haciendo uso del software etap.

The purpose of this article is present a methodology for the Sizing and Selection of a Generator Circuit Breaker, used specifically for Generator Protection; for that matter, as a study case, we use the example included in the Annex A of the standard IEEE C37.13 -1997 simulated on the etap sof-tware and is used the IEC 61363 to illustrate the currents behavior for the studied scenarios to select the appropriate breaking current for the GCB. The methodology includes the assessment of two short-circuit scenarios, then the results are shown and the IEC current plots to register the system and generator fault contributions. Finally, it is concluded about the obtained results, showing the importance of the appropriate selection of the GCB according to the mentio-ned standards using etap software.

Palabras Clave

GCB, Dimensionamiento, Selección, IEEE C37.13,

IEC 61363, etap

Ing. Rafael Franco Manrique,Ingeniero Líder de Ventas y

Soporte Técnico Software etap

Ing. César Augusto RamosIngeniero Auxiliar de Estudios en

Sistemas de Potencia etap

PTI S.A

Keywords

CB, Sizing, Selection, IEEE C37.13,

IEC 61363, etap

Metodología para el dimensionamiento y la selección del Interruptor de Potencia para Generadores (GCB) usando etap

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I. GLOSARIO

Interruptores de Potencia de Generadores (GCB): Los interruptores que son conectados entre un generador de gran potencia (100 MVA hasta 1800 MVA) y transformador elevador.

Duty (capacidad de interrupción): El trabajo o la operación de interrupción para un equipo o disposi-tivo durante la condición de cortocircuito.

II. INTRODUCCIÓN

La importancia en el dimensionamiento y la selección de un interruptor de potencia para generador (GCB) adecuado, radica en las condiciones particulares de generación, dado que las características y capacidad de interrupción tienen que garantizar ser óptimas para el funcionamiento del sistema de potencia.

La norma IEEE C37.13-1997 establece los requeri-mientos para el interruptor de potencia de AC para generadores, con base en una corriente simétrica, aplicada directamente en los terminales de salida del generador. Los requerimientos de uso y dimensiona-miento de estos interruptores no están cubiertos de manera adecuada por otras normas, por lo que se hizo necesaria esta reglamentación [1]. Además, la norma IEC 61363-1 establece los cálculos numéricos para encontrar la ecuación de la forma de onda de cortocircuito para interruptores de potencia de uso general, dado que en IEC no existe una norma espe-cífica para los GCB.

En los últimos años se han realizado varios estudios,enfocándose en la importancia de este tema para laconfiabilidad de los sistemas de potencia. En un es-tudio realizado por Chanda et al. [2], se discute acer-ca de la selección de un GCB en casos donde la falla simétrica, cercana a los terminales de grandes ge-neradores, presenta un alto grado de asimetría. Por su parte, Dartwan et al. [3] con el objetivo de evaluar el Duty (capacidad de interrupción) de cortocircuito de un GCB usando las normas IEEE e IEC, propor-ciona comparaciones entre los cálculos realizados para dimensionar un interruptor de uso general y un GCB, tomando como caso de estudio un sistema de ciclo combinado con dos generadores. Sin embargo, dichos cálculos son realizados de forma teórica.

Para terminar, en este artículo se presenta la meto-dología para el dimensionamiento de los GCB usan-do la simulación de cortocircuito del ejemplo Anexo A IEEE C37.13-1997 del software etap, mostrando como se calculan los parámetros del interruptor de potencia a partir del estado y los datos del sistema, concluyendo sobre la viabilidad de utilizar el softwa-re etap para este proceso.

III. METODOLOGÍA

La metodología para el adecuado dimensionamiento y selección del GCB se presenta a continuación:

A. Planteamiento del ProblemaEn los sistemas de potencia las capacidades y carac-terísticas de interrupción del GCB son determinadas por las corrientes de cortocircuito que están asocia-das a las contribuciones del sistema y del generador respectivamente.

Generalmente, las corrientes de falla que son ali-mentadas por el sistema ver Figura 1 a), típicamente son de magnitud mayor que las alimentadas por el generador en la mayoría de los casos [2], pero las corrientes de fallas del generador pueden presentar un mayor grado de asimetría (mayor componente de DC), ver Figura 1 b) [3].

Figura 1. Contribuciones de Cortocircuito: a) Lado Sistema y del b) Lado Generador tomado del Anexo A1 IEEE C37.013-1997

Existe la probabilidad de seleccionar un GCB dimen-sionado con capacidades conservativas o también se puede seleccionar un GCB con características

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constructivas inferiores. Como se puede inferir, nin-guna de las dos filosofías de dimensionamiento es deseable en un proyecto o instalación que requiera un GCB.

Hay pocos fabricantes de interruptores para gene-rador, y por esta razón, los modelos disponibles son limitados. Para determinar el tipo de GCB requerido por el sistema de potencia de Alta o Media Tensión en particular, es necesario realizar una evaluación de las capacidades y características adecuadas siguien-do los lineamientos de la IEEE C37.013 [2] [3].

Resumiendo lo anterior, el interruptor de potencia del generador (GCB), es el elemento de protección principal de una planta de generación de energía eléctrica. Su importancia radica, en que tiene como función proteger componentes críticos para el sis-tema como generadores y transformadores, siendo así, un factor clave para garantizar la confiabilidad y la estabilidad del sistema.

Por medio del ejemplo que se encuentra en el Anexo A1 de la norma IEEE C37.013-1997 [1], realizamos la evaluación de las condiciones y requerimientos de la norma que nos permiten dimensionar correctamen-te un GCB simulando dicho sistema en el software etap.

B. Diagrama UnifilarSe muestra el diagrama unifilar del sistema SC-Exam-ple- ANSI-3 empleado como caso de estudio en la Figura 1.

Figura 2. Ejemplo de GCB en el software etap

C. Modelado del GCBPara efectuar el modelado del GCB, insertamos el ele-mento Gen CB en el diagrama unifilar en etap, como se muestra la Figura 2. Ingresamos al cuadro de diálogo para modificar las propiedades del elemen-to como se muestra a continuación en la Fígura 3.

Fígura 3. Propiedades del GCB en el software etap

Se efectúa la asociación del Gen CB insertado al Gen1, como muestra la Fígura 3, dado que así etap utilizará la IEEE C37.013-1997 [1] para efectuar la evaluación de cortocircuito y no será evaluado como un interruptor de potencia para uso general (HVCB).Además cabe anotar que el GCB requiere estar lo-calizado en el sitio adecuado del sistema, entre las etapas de generación y transformación, para que el software lo evalúe según la norma mencionada.

D. Simulación de CortocircuitoPara encontrar las corrientes totales de cortocircuitosimétrico (trifásico) para los dos escenarios de cargaestudiados, se realiza la evaluación de cortocircuito para el sistema estudiado con las condiciones des-critas a continuación.

Figura 4. Simulación de Cortocircuito – Aporte del Sistema a la Corriente de Falla

Usando el módulo de IEC 61363 de cortocircuito en etap, se obtiene la gráfica de corriente total como muestra la Figura 5.

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Figura 5. Corriente Total de Falla Simétrica – Lado Sistema

Segundo, se analizan los aportes del generador al cortocircuito en vacío, ubicando una falla simétrica en la Barra A1 como muestra la Figura 6.

Figura 6. Simulación de Cortocircuito - Aporte del Generador a

la corriente de Falla

Por medio de la simulación con el módulo de IEC 61363 de cortocircuito, en la Figura 7 se muestra la gráfica de corriente total obtenida.

Figura 7. Corriente Total para Falla Simétrica – Lado Generador

E. ResultadosSe presentan los resultados de simulación de corto-circuito para el sistema estudiado.

TABLA I. Falla Simétricas según IEC 61363 Obtenidas en las Ba-rras A1 y B1

Se observa que el escenario crítico se presenta cuando se evalúan los aportes del sistema a la fa-lla, tal como se había podido esperar. Por lo que se selecciona la corriente simétrica de falla que incluye las contribuciones del lado del sistema para el di-mensionamiento del GCB.

Según el tipo de carga conectada, se muestran los datos del factor de potencia entregado, de acuerdo a la siguiente estimación presentada por el software:

TABLA II. Corriente de Cortocircuito Instantánea (1/2 ciclo) del GCB para diferentes FP según los escenarios simulados

En el caso de una carga con un factor de potencia en atraso (inductiva), para el caso del generador del lado del sistema, el voltaje interno del generador será mayor por lo que se presentará una sobretensión y la corriente de falla tendrá un valor adicional el cual depende de la FLA del generador incrementada por la baja impedancia del generador. De manera inver-sa ocurre para una carga en adelanto (capacitiva), se presentará un aporte de cortocircuito mayor debido a que en este caso el generador estará consumiendo reactivos para suplir la carga y se presenta una sub-tensión en la barra y el voltaje interno del generador será menor.

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F. Conclusiones• El software etap nos sirve como herramienta paracalcular la corriente mínima de cortocircuito para eldimensionamiento del duty de un GCB. En todas lasaplicaciones prácticas, la contribución al cortocircui-to del sistema es mayor que la contribución del ge-nerador, por esta razón la corriente de cortocircuito proveniente del generador es usada para verificar la clase del interruptor GCB.• La norma IEEE C37.013-1997 no especifica un mé-todo para calcular la relación X/R; la cual es necesa-ria para calcular las corrientes pico y asimétricas de la corriente simétrica. En el software etap se utiliza el equivalente X/R de todo el sistema para calcular las corrientes de acuerdo con la IEEE C37.010-1979, obteniendo resultados conservativos.• Un interruptor de potencia para generador (GCB), posee una característica diferente de componente DC para la capacidad asimétrica de interrupción en comparación a un HVCB. Para un GCB, la constante de tiempo para el decaimiento de la componente de dc es igual a 133 ms mientras que para un HVCB co-mún es de 45 ms. Esto debido a la que se considera un valor de X/R de 50, el cual es considerado como conservativo, para efectuar los cálculos según la sec-ción 4.9.2.2 de la IEEE C37.013 – 1997 [1].• El análisis del Duty (capacidad de interrupción) decortocircuito nos permite analizar cómo se compor-tará el GCB con respecto a distintos FP, con el objeti-vo de evaluar el peor escenario para nuestro sistema para diferentes tipos de carga.• El estudio de cortocircuito para GCB en el software etap, nos permite dimensionar, seleccionar y ajustar correctamente el interruptor para protección del ge-nerador. Un dimensionamiento inadecuado, sin tener en cuenta estas consideraciones, puede significar un sobrecosto, pues tocaría cambiar el GCB además, de otros costos más, significativos asociados al lu-cro cesante en el posible caso que el interruptor no accione debido a su inapropiada selección u ajuste y gastos de mantenimiento para hacer el cambio.

IV. REFERENCIAS

[1] «IEEE Standard for AC High-Voltage Genera-tor Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis, IEEE Standard C37.013 - 1997».

[2] K. Chanda, R. Parthasarathi y S. Holla, «Esti-mation of short circuit capability of Generator Circuit Breaker for a generator fed fault,» de Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America, 2008 IEEE/PES, Bogota, 13-15 Aug. 2008.[3] C. S. P. Ketut Dartawan, «Evaluating Gene-rator Breakers Short-circuit Duty using IEEE Std. C37.010 and C37.013,» Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 50, nº 6, pp. 4164-4170, 2014.[4] S. Kaplan, Wiley Electrical and Electronics Engineering Dictionary,Wiley-IEEE Press, 2004.

V. RESEÑA AUTORES

Ing. Rafael Franco Manrique, Esp. Nació en Cali, Valle del Cauca, Colombia en 1982. Recibió el título de Tecnólogo en Electrónica de la Universidad del Valle, Palmira, Colombia en 2004 y los títulos de In-geniero Electricista y Especialista en Ingeniería de la Universidad del Valle, Santiago de Cali, Colombia en 2009 y 2012 respectivamente. Se desempeñó comoauxiliar de pruebas en el laboratorio de Alta Tensión Gralta, por algunos años y también como profesor Hora Cátedra en la Escuela de Electrónica de la Uni-versidad del Valle, vinculado a un proyecto para Eco-petrol – Villavicencio “Análisis de Confiabilidad” antes de vincularse a PTI S.A. actualmente se desempeña como Ingeniero Líder de Ventas y Soporte Técnico etap - Proyectos y Consultoría para Colombia y parte de Latinoamérica (Bolivia y Panamá) en el software etap.

Ing. César Augusto Ramos. Nació en Palmira, Va-lle del Cauca Colombia en 1988. Recibió el título de Técnico Profesional en Mantenimiento Electrónico en 2007 y el título de Ingeniero Electricista de la Uni-versidad del Valle en 2013. Se desempeñó como mo-nitor de investigación en el grupo de investigación Conversión de Energía Eléctrica, CONVERGIA y auxi-liar en el área de Obras Eléctricas durante los últimos semestres en la Universidad del Valle, trabajó como Residente Auxiliar de Ingeniería en la constructora INACAR S.A. por algún tiempo antes de vincularse a PTI S.A. actualmente se desempeña como Ingeniero Auxiliar de Estudios en Sistemas de Potencia en el software etap.

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