Ajuste y evaluación de esquemas de protección para bancos de capacitores en subestaciones eléctricas de 23kv

Abstract

RESUMEN: La instalación de bancos de capacitores en derivación (SCB por sus siglas en inglés) a nivel distribución de los sistemas eléctricos es común, esto con el objetivo de compensar potencia reactiva y corregir así el factor de potencia, también se utilizan para mantener los perfiles de tensión en los intervalos normalizados. Los bancos se encuentran conformados por unidades capacitivas, las cuales a su vez son construidas con elementos capacitivos conectados en serie y paralelo. Las fallas en las unidades capacitivas se deben principalmente a las sobretensiones a las que pueden estar expuestas, estas sobretensiones ocasionan el rompimiento de la capa dieléctrica que separa las placas de los elementos capacitivos, dejándolos en cortocircuito. Una vez en cortocircuito, esto propicia otras sobretensiones a los demás elementos y unidades capacitivas, ocasionando una falla en cascada. La detección oportuna de estas condiciones, las cuales producen desbalances en el banco de capacitores en derivación, es necesario para evitar una operación crítica del banco. Existen varios métodos para calcular el desbalance que se produce en los bancos debido a fallas internas, mediante distintos esquemas de protección. Por esta razón, se considera importante realizar un estudio a estos y evaluar su desempeño. En este trabajo de tesis, se realizó el ajuste y evaluación a cuatro esquemas de protección para cuatro configuraciones distintas de bancos de capacitores, considerando unidades capacitivas con fusible externo y sin fusible. La evaluación se llevó a cabo mediante simulaciones dinámicas en PSCAD/EMTDC, donde los bancos de prueba fueron sometidos a fallas internas y externas. Asimismo, se desarrolló un programa en el entorno Matlab 2020b con base a las ecuaciones del estándar IEEE Std C37.99™-2012 para calcular desbalances debido a fallas internas al banco y así realizar el ajuste a los esquemas de protección y sus diferentes métodos. Esto en el capítulo 4 para ser evaluados por medio de simulaciones en el capítulo 5. Los sistemas de prueba con los que se realizaron los escenarios de operación se conforman de dos subestaciones en 23 kV con presencia de bancos de capacitores, correspondientes a la subestación eléctrica Moctezuma y la de Tuzania, las cuales pertenecen al sistema eléctrico nacional. Los resultados obtenidos muestran las condiciones bajo las cuales, estos esquemas de protección responden adecuadamente. Sin embargo, se presentan escenarios donde los métodos y esquemas no identifican condiciones de fallas internas cuando en la realidad ya existe una condición crítica interna. De estos resultados también se determina que los métodos que operan bajo el principio de medición de tensiones son los que requieren de un menor grado de sensibilidad en comparativa a los de corriente. ABSTRACT: The presence of shunt capacitor banks (SCB) at distribution levels to compensate reactive power, power factor correction and improving system voltage, is one of the most common. The SCB is constructed using capacitor units, which are constructed by capacitor elements connected in series and parallel groups. The failure on capacitor units occurs due a overvoltage stress, this overvoltage cause a rupture on dielectric film on capacitor elements and produce a short circuit. In addition, this element failure causes an overvoltage on other elements and units and initiating a fault of several units. To avoid a critical operation of SCB an early detection is required, using an unbalance signal. There are many methods to calculate unbalance signals on SCB due internal faults and using different protection schemes. A study and evaluation of these methods and schemes is required. This thesis will show the set and evaluation of four protection schemes with four different shunt capacitor bank configurations, also units with external fuses and fuseless. Internal and external faults on SCB was taken to evaluate and software PSCAD/EMTDC was used to simulate this. The test systems on this thesis are two substations on México electrical system on 23 kV with presence of shunt capacitor banks, called SE Moctezuma and SE Tuzania. The results show critical conditions where protection schemes operate properly. Nevertheless, some scenarios evidence a null operation of protection schemes even with several units or elements faulted. Finally, the evaluation on these schemes demonstrates that methods with voltage operating principle require a less sensitivity than schemes witch current operating principle