Evaluación de un sistema aislado de tierra de un parque eólico y análisis de la operación de sus esquemas de protección ante fallas a tierra

Abstract

El presente trabajo realiza un análisis exhaustivo del comportamiento de las fallas a tierra en un sistema aislado de tierra y, a partir de éste, obtener resultados prácticos que sean útiles para mejorar el desempeño del sistema de protecciones de los Parques Eólicos (PE), considerando tanto aspectos constructivos del Parque, relacionados con su reactor de aterrizamiento, como aspectos relacionados a las funciones de protección utilizadas y sus ajustes. Los PE cuentan con una zona aislada de tierra, ya que su sistema colector se encuentra entre los devanados en conexión delta del transformador elevador a alta tensión y de los transformadores asociados a cada aerogenerador. Esto ocasiona problemas con la sensibilidad de las corrientes de cortocircuito y con la identificación de su direccionalidad, provocando errores en la operación de las funciones de protección del parque. La zona aislada de tierra es aterrizada, en la gran mayoría de los casos, mediante un reactor zigzag. Sin embargo, su presencia no termina de solucionar los problemas ocasionados por esta condición al parque. Se evidencia, por ejemplo, que la protección diferencial de transformador no logra detectar las fallas internas debido a su falta de direccionalidad. Un correcto dimensionamiento del reactor zigzag podría ayudar a solucionar este problema, pero al realizar un catastro de distintos PE nacionales y sus características, nos damos cuenta de que no hay rigurosidad en la elección del tamaño de este equipo en casi ningún PE. Aunque la literatura existente entrega algunas pistas para obtener un reactor correctamente dimensionado, los problemas de los PE y sus protecciones no son abarcados en su totalidad en prácticamente ningún artículo científico, norma o guía de aplicación. Por lo mismo, este trabajo propone una metodología para dimensionar correctamente el reactor zigzag, basado en las características constructivas del parque y buscando mejorar el desempeño de su sistema de protección. La metodología propuesta se guía por el tamaño de su transformador elevador, la capacitancia de secuencia cero de su sistema colector y la intención de incluir una protección de tierra restringida (87N) que proteja correctamente la zona del transformador de poder. Junto con lo anterior, se realiza un análisis teórico de fallas a tierra en sistemas aislados, y se lleva a cabo la evaluación de un PE real y el desempeño de su sistema de protección ante fallas a tierra. De esta forma, se logran evidenciar los problemas existentes en la operación de las protecciones del PE real, con el fin de dar recomendaciones que ayuden a planificar correctamente su sistema de protecciones y mejorar su desempeño ante fallas a tierra. Estas recomendaciones incluyen: uso de protección diferencial de tierra restringida para el transformador de poder, preferencia de relés GE T60 para la zona del transformador en lugar de los SEL, ABB y SIEMENS, reajuste de protecciones de sobrecorriente residual, entre otras recomendaciones menores. Estas recomendaciones se complementan con un correcto dimensionamiento del reactor, mediante la metodología que se propone.