Análisis de la calidad del servicio y mejoramiento del sistema de protecciones para la planta Cemento Melón LCA considerando el cambio en el nivel de tensión propuesto por la empresa en el mediano plazo y el ingreso de generación distribuida

Abstract

La presente memoria de titulación desarrolla un estudio integral orientado a mejorar la calidad del servicio eléctrico y la coordinación del sistema de protecciones de la planta Cemento Melón LCA, considerando cambios operativos proyectados a mediano plazo. Estos cambios incluyen el reemplazo de equipos en 44 kV con vida útil sobrepasada, la migración a un nivel de 12 kV y la futura incorporación de una planta fotovoltaica PMGD en la red de 66 kV. El trabajo tiene por objetivo asegurar la continuidad de suministro, la seguridad del sistema y el cumplimiento de la normativa vigente, para lo cual se implementó un modelo eléctrico detallado en DIgSILENT PowerFactory, evaluando un horizonte de diez años bajo distintos escenarios de demanda, penetración renovable y contingencias definidas por el criterio N-1. La metodología abarcó estudios de flujos de potencia, cortocircuito y coordinación de protecciones, complementados con una evaluación técnico-económica. Los resultados evidencian que, en escenarios de alta demanda, se producen caídas de tensión que superan los rangos permitidos por norma. La solución planteada consiste en inyectar 10,8 MVAR de potencia reactiva en 66 kV, lo que restituye los niveles de tensión normativos, aunque provoca sobrecargas en transformadores y líneas, sugiriendo la necesidad de refuerzos de infraestructura en el mediano plazo. Los estudios de cortocircuito muestran que las modificaciones propuestas no incrementan de forma significativa las corrientes de falla, manteniéndose dentro de la capacidad de interrupción de los equipos existentes. En cuanto a la coordinación de protecciones, se detectaron desajustes en las funciones de sobrecorriente y de distancia, además de falta de selectividad entre transformadores en paralelo. Se propusieron nuevos ajustes (ANSI 50/51, 51N, 21) y la incorporación de lógicas de bloqueo basadas en IEC 61850 GOOSE, logrando mejorar la confiabilidad y la seguridad del sistema. Finalmente, la evaluación económico-financiera, aunque arrojó un VAN negativo en el escenario base, reveló mediante análisis de sensibilidad que, con mayores ahorros anuales en mantenimiento, pérdidas y costos de falla, el proyecto podría alcanzar rentabilidad positiva. Pese a ello, se concluye que las mejoras técnicas resultan imprescindibles para la continuidad operativa y el cumplimiento de la Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Servicio (NTSyCS) y los criterios del Coordinador Eléctrico Nacional (CEN). This thesis evaluates technical and economic measures to improve supply continuity, protection coordination, and regulatory compliance at the Cementos Melón La Calera (LCA) plant amid medium-term changes: retirement of end-of-life 44 kV equipment, migration to 12 kV, and the planned integration of a small-scale photovoltaic facility. A detailed network model was built in DIgSILENT PowerFactory and assessed over a 10-year horizon across demand and renewable-penetration scenarios and N-1 contingencies. The methodology combined power-flow, short-circuit, and protection-coordination studies with a techno-economic assessment. Results show that under high-demand cases the steady-state voltage at 66/12 kV interfaces violates the applicable limits. Injecting 10,8 MVAr at 66 kV restores voltages to within the normative range but introduces transformer and line overloads, indicating the need for medium-term reinforcements. Short-circuit analyses indicate that proposed modifications keep fault levels within the interrupting capabilities of existing switchgear. Protection studies revealed miscoordination in phase, residual overcurrent, and distance elements and insufficient selectivity between parallel transformers. Updated settings (ANSI 50, ANSI 51, ANSI 51N, ANSI 21) and IEC 61850 GOOSE-based blocking are proposed to enhance reliability and safety. Economically, the base case yields a negative NPV; however, sensitivity analysis shows that higher annual savings from maintenance reduction, loss minimization, and avoided failure costs can render the project profitable. Overall, the technical measures are essential for operational continuity and compliance with the NTSyCS and CEN criteria.