Implementación de un paño a escala de una subestación eléctrica para la conexión, ajustes y pruebas de protecciones digitales en un sistema eléctrico reducido

Abstract

Actualmente en la UTFSM, existen asignaturas para los estudiantes de Ingeniería Eléctrica que enseñan protecciones eléctricas desde un enfoque teórico hasta abarcar programas de simulación como DIgSILENT, permitiendo modelar redes eléctricas y efectuar análisis de cortocircuito para posteriormente realizar estudios de coordinación de protecciones. Sin embargo, en la UTFSM, aún no existe un Laboratorio de Protecciones Eléctricas que permita al estudiante de esta rama de la ingeniería consolidar sus conocimientos en la práctica y poder interactuar con dispositivos de protección eléctrica reales. Este trabajo de memoria aporta una solución a esta situación mediante un primer equipo para la Universidad que permite realizar experiencias básicas de un laboratorio de protecciones eléctricas. Este equipo consiste en una unidad modular (rack portátil) que representa un paño eléctrico a escala para la conexión de una línea de transmisión. Está conformado por los elementos mínimos necesarios que hacen posible a cualquier protección real realizar lecturas de la red y operar, como lo son interruptores, desconectadores, transformadores de corriente y transformadores de potencial. El equipo se dividió en tres zonas: zona de componentes, zona de circuitos (primario y secundario) y zona para el montaje de protecciones eléctricas. Su circuito primario está compuesto por cables de 6 [mm2] de sección, con capacidad de 33 [A]/750 [V], por otro lado, el circuito secundario está compuesto por cables de 2.5 [mm2] de sección, con capacidad de 20 [A]/750 [V]. Se ocuparon transformadores de corriente cuya razón de transformación es de 50/5 [A] y transformadores de potencial cuya razón de transformación es de 220/110 [V]. Se ocuparon relés de estado sólido para cumplir la función de interruptores (52), los que pueden interrumpir corrientes de hasta 80 [A]. También se ocuparon interruptores termomagnéticos de 40 [A] para cumplir la función de desconectadores. Los costos asociados al proyecto ascendieron a $1,153,890 sin considerar la protección integrada al equipo, la que cuesta aproximadamente $8,773,595. Además, en este documento se describe cómo operar y ajustar una protección digital SEL 321-5, diseñando también la red eléctrica a escala sobre la que se realizan distintos ensayos de cortocircuito reales que permiten evaluar el desempeño de los ajustes de la protección y el funcionamiento del equipo. Currently at the UTFSM, there are courses for Electrical Engineering students that teach electrical protection from a theoretical approach to include simulation programs such as DIgSILENT, allowing modeling of electrical networks and short circuit analysis to subsequently perform protection coordination studies. However, there is still no electrical protection laboratory at the UTFSM that allows students of this branch of engineering to consolidate their knowledge in practice and to be able to interact with real protection devices. This memory work provides a solution to this situation by means of a first equipment for the university that allows to carry out basic experiences of an electrical protection laboratory. This equipment consists of a modular unit (portable rack) that represents an electrical panel as it is made up of the minimum necessary elements that make it possible for any protection to make readings of the network and operate, such as switches, current transformers, and potential transformers. The equipment was divided into three areas: components area, circuit area (primary and secondary) and area for the assembly of electrical protections. Its primary circuit is composed of 6 [mm2] cross-section cables, with a capacity of 33 [A]/750 [V]; on the other hand, the secondary circuit is composed of 2.5 [mm2] cross-section cables, with a capacity of 20 [A]/750 [V]. Current transformers with a transformation ratio of 50/5 [A] and potential transformers with a transformation ratio of 220/110 [V] were used. Solid state relays were used as circuit breakers (52), which can interrupt currents up to 80 [A]. Thermomagnetic switches of 40 [A] were also used as disconnectors. The costs associated with the project amounted to $1,153,890 without considering the integrated protection of the equipment, which costs approximately $8,773,595. In addition, this document describes how to operate and adjust a SEL 321-5 digital protection, designing also the scaled electrical network on which different real short-circuit tests are performed to evaluate the performance of the protection settings and the operation of the equipment.