E

ste documento recoge la experiencia técnica derivada de un evento ocurrido durante el mantenimiento de un interruptor de potencia en una subestación eléctrica de 220kV. Durante las actividades de mantenimiento y pruebas del esquema de discrepancia de polos, se produjo la operación defectuosa del esquema, originando la quema de las bobinas de disparo asociadas en cada uno de los polos del interruptor. El evento descrito dio origen al análisis de las características de operación del esquema de discrepancia y se pudo evidenciar que, el diseño implementado por el fabricante para ese tipo de interruptor se podía mejorar de forma sencilla, aumentando la confiabilidad del esquema de discrepancia de polos como tal, disminuyendo la probabilidad de quema de las bobinas de disparo del interruptor y evitando la recurrencia del evento para los demás interruptores de la subestación. El resultado obtenido con las mejoras implantadas contribuye a disminuir el impacto de este tipo de fallos y las consecuencias económicas que puede acarrear la indisponibilidad del activo o las compensaciones derivadas de energía no suministrada y/o demanda no atendida.

This article describes the technical expertise from an incident during maintenance of a single-pole circuit breaker in a 220kV power substation. During the maintenance and tests of pole discrepancy protection in the circuit breaker, was found a bad operation of scheme, causing burning off the trip coils on each circuit breaker pole. This event made analyze the factory design about pole discrepancy protection scheme, im proving the protection scheme easily and increasing the reliability of the pole discrepancy scheme, reducing the probably of burned coils and avoiding a recurrence of the same event on other power substation circuit breakers. The result obtained with the improves, helps to reduce the technical impact of this types of failures and economic impact of the asset unavailable or compensation by energy not supplied and unmet demand.

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Gerardo Guerra García Especialista en Mantenimiento de Infraestructuras Eléctricas en Alta Tensión

Palabras Clave

Subestación, interruptor, discrepancia de polos, bobina de disparo, relé temporizado.

Keywords

Substation, circuit breaker, discrepancies poles, trip coil, timed relay.

I. GLOSARIO Bobina de disparo: Elemento electromecánico que al ser energizado a través de un relé de protección, libera el trinquete del mecanismo de un interruptor de potencia, provocando la apertura de los polos del mismo. Discrepancia de polos: Es la condición en la cual los polos de un interruptor están en posiciones diferentes, durante un tiempo superior al límite establecido por los estudios de coordinación y ajuste de protecciones. Interruptor: Dispositivo de maniobra capaz de interrumpir, establecer y llevar las corrientes normales o asignadas de un circuito y las anormales o de cortocircuito, mediante el cierre o apertura de sus contactos principales. Relé temporizado: Dispositivo electromecánico que al ser energizado o desenergizado, genera el cambio de posición en sus contactos auxiliares, una vez que se ha cumplido el tiempo seleccionado como ajuste. Subestación: Instalación en la que confluyen elementos o dispositivos eléctricos, electrónicos y mecánicos que interactúan en un sistema que permite cambiar las características de la energía eléctrica (voltaje, corriente, frecuencia, etc.), tipo C.A a C.C, o bien conservarle dentro de ciertos niveles requeridos.

II. INTRODUCCIÓN Los esquemas de discrepancia de polos se utilizan para despejar eventos en los cuales, por alguna razón la posición de los polos de un interruptor de potencia queda en condición de discordancia, esta situación puede generar peligrosas corrientes homopolares en los equipos aguas abajo del interruptor y el disparo indeseado de las protecciones de sobrecorriente de tierra. Para evitar los problemas mencionados, muchos de los fabricantes de interruptores utilizan un esquema de disparo basado en la posición de los contactos auxiliares propios del interruptor de potencia, tanto en abierto

como en cerrado, asociados a relés auxiliares temporizados, los cuales generan el disparo del interruptor en forma tripolar, tan pronto como se detecta la condición de discrepancia de polos y la superación del tiempo ajustado en la unidad temporizada del relé asociado al esquema. La experiencia en las actividades de mantenimiento de interruptores y específicamente en las pruebas del esquema de discrepancia de polos, ha demostrado que dependiendo del fabricante y del modelo del interruptor bajo análisis, existen pequeñas variaciones en los diseños implementados, variaciones que en algunos casos son susceptibles de mejora del diseño establecido, con el propósito de evitar un inconveniente tan complicado como la quema de las bobinas de apertura del interruptor, ante la mala operación del esquema de discrepancia de polos. Este artículo plasma la experiencia técnica ante un evento de mala operación del esquema de discrepancia, con quema de bobinas de disparo. Esto originó el análisis del esquema empleado y la posterior implementación de las acciones correctivas para superar los defectos encontrados en el diseño, los cuales originaron la destrucción de las bobinas de disparo del interruptor. Con esto se busca crear la inquietud en las áreas técnicas de las empresas del sector, de realizar la verificación a fondo de las ingenierías propuestas por los fabricantes, ya que a pesar de la enorme calidad de los equipos y gran experiencia de los fabricantes, siempre es posible implementar opciones de mejora que permiten aumentar la confiabilidad de los equipos y muchas veces las mejoras que se pueden implementar, son tan sencillas que generan un costo muy bajo en comparación con los asociados a la indisponibilidad del activo y penalidades por posible energía no suministrada o demanda no atendida a causa del fallo del equipo.

III. INTERRUPTORES DE POTENCIA Y DISCREPANCIA DE POLOS. A. Teoría básica del interruptor de potencia. La confiabilidad de las subestaciones eléctricas en alta tensión se ha asegurado tradicionalmente por el

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seguimiento de planes bien estudiados y estructurados de mantenimiento y rutinas de inspección para la instalación [1]. Los interruptores de potencia son equipos de gran importancia dentro de una subestación, por lo tanto su mantenimiento constituye un punto fundamental para garantizar el correcto funcionamiento de los sistemas de potencia y el cumplimiento de la regulación vigente. Los fabricantes de interruptores, a través del tiempo han mejorado los materiales, procesos de fabricación y medios de extinción del arco en las cámaras internas de estos equipos, de tal forma que dependiendo de la instalación y los niveles de tensión en que se trabaje, se pueden encontrar interruptores con medio de extinción en vacío, en aceite o en SF6 (hexafluoruro de azufre). Los objetivos principales del mantenimiento de interruptores son: • Asegurar la confiabilidad y disponibilidad del activo, así como la duración de su vida útil. • Contribuir al cumplimiento de la normativa de seguridad y medio ambiente. • Satisfacer todos los requisitos del sistema de calidad de la empresa propietaria. Los interruptores de potencia actúan provocando la apertura o cierre de sus contactos de potencia y cortando o estableciendo en flujo de potencia en una instalación de acuerdo a lo siguiente: Cierre de contactos de potencia: Se produce cuando se aplica una orden de cierre al equipo, para pasar sus contactos de potencia de posición abiertos a posición cerrados, esta orden puede ser local (por operación directa en el tablero del equipo) o remota (operación desde la sala de control de la subestación o desde un centro de control asociado). La orden básicamente es un pulso de tensión que energiza la bobina de cierre asociada al circuito de control del interruptor. Apertura de contactos de potencia: Se produce cuando se aplica una orden de apertura al equipo, para pasar sus contactos de potencia de posición cerrados a posición abiertos, esta orden puede ser por operación normal o por actuación de los equipos de protección asociados. La orden básicamente es un pulso de tensión que energiza la bobina de apertura asociada al circuito de control del interruptor.

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Tanto para el cierre como para la apertura, cuando se energiza la bobina respectiva, se libera un trinquete mecánico a alta velocidad, dicho trinquete está conectado internamente al mecanismo de operación de los contactos de potencia, produciendo el cambio de posición de acuerdo a la acción requerida. B. La discrepancia de polos en un interruptor de potencia. En la operación normal de estos equipos, los tres polos del interruptor deben permanecer en la misma posición, abiertos (si el equipo está interrumpiendo el flujo de potencia) o cerrados (si el equipo está estableciendo el paso del flujo de potencia), sin embargo es común que se presenten fallas monofásicas en los sistemas de potencia, fallas que al ser detectadas por los relés de protección, producen disparos monofásicos de los interruptores de potencia. Si se produce el recierre monopolar correspondiente, dentro de los tiempos considerados como esperados por los estudios de coordinación y ajuste de protecciones, la condición del interruptor se considera normal, si por el contrario el recierre no se produce o si supera los tiempos establecidos, se considera que el interruptor se encuentra en discordancia de polos. Cuando por alguna razón, la posición de los polos de un interruptor de potencia quedan en condición de discordancia, esta situación puede generar peligrosas corrientes homopolares en los equipos aguas abajo del interruptor y el disparo indeseado de las protecciones de sobrecorriente de tierra. Para evitar los problemas mencionados, muchos de los fabricantes de interruptores utilizan un esquema de disparo, basado en la posición de los contactos auxiliares propios del interruptor de potencia, tanto en abierto como en cerrado, asociados a relés auxiliares temporizados, los cuales generan el disparo del interruptor en forma tripolar, tan pronto como se detecta la condición de discrepancia de polos y la superación del tiempo ajustado en la unidad temporizada del relé asociado al esquema. C. Prueba del esquema discrepancia de polos que produjo quema de las bobinas de apertura del interruptor. Dentro de las pruebas que se le pueden realizar a un interruptor de potencia [2], se encentra la verificación

del esquema de discrepancia de polos, para realizar la prueba basta con colocar uno de los polos del interruptor en posición diferente a los otros dos. Para este caso se probó un interruptor de 245kV en una subestación con configuración interruptor y medio, la prueba se realizó para un interruptor correspondiente a uno de los cortes centrales de la subestación. En la figura No.1 se puede apreciar el esquema de discrepancia de polos implementado por el fabricante en el gabinete del interruptor. Este esquema utiliza dos relés temporizados (K41 y K42), un contactor (K40) y contactos auxiliares de posición del interruptor en abierto (a) y en cerrado (b), para formar el circuito de control. 730

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601

+ LOCAL DC SUPPLY

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9

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10

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a

34 162

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a 162

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K40

34 162

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b

3

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2

4

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A2

A1

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K42 A2

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A1

K40

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321

13 14

K42 A2

41

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b

b

15 a 18

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a

42

a

43 44

15 16 A1

K40 A2

2. Tan pronto como pasó el tiempo de ajuste del relé K41, se produjo la actuación del esquema de discrepancia con disparo a cada una de las bobinas de apertura del interruptor, quedando el equipo con las tres fases abiertas. 3. A pesar de la apertura del equipo, se mantiene presente la orden disparo hacia las bobinas de apertura de las tres fases. 4. Se produce la quema de las tres bobinas de disparo asociadas al esquema de discrepancia de polos.

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563 564 565

K41

C

A2

121

1

b

A1

B

b

20

18

34

A1

K14

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b

A

17

11 16

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a KD8210 TRIP COIL-2

15

1. Estando el interruptor con los tres polos cerrados, se provoca la condición de discrepancia abriendo solo el polo de la fase B.

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PB

R/L

Durante las pruebas realizadas al interruptor de potencia se presenta la siguiente secuencia de eventos:

A1

K41 A2

606 -

Fig. 1. Esquema de discrepancia de polos del interruptor.

De la figura se puede apreciar que el esquema toma los contactos auxiliares de posición del interruptor, tanto en abierto (a) como en cerrado (b), cuando se produce una discordancia de polos se energiza el relé temporizado K41, el cual solo cambia la posición de sus contactos auxiliares (K41: 15-18), si la condición de discrepancia supera el tiempo ajustado en el relé (para este caso 1.8 segundos), cuando esto ocurre, se energizan simultáneamente el contactor K40 y el relé temporizado K42, el primero actúa de inmediato cerrando sus contactos auxiliares (K40: 1-2, 3-4, 5-6, 13-14), produciendo la energización de las bobinas de disparo del interruptor A, B y C, y el segundo limita el tiempo que dura presente la señal de disparo energizando de las bobinas de apertura (para este caso 1 segundo), a través su contacto auxiliar (K42: 15-16). Si el esquema opera de forma correcta, el interruptor es disparado de forma tripolar y la condición de falla es eliminada.

D. Análisis del fallo. Dado que el relé temporizado K42 es el encargado de controlar el tiempo de energización de las bobinas de disparo, mediante la desenergización del contactor K40, se demostró que el fallo de este elemento (K42, Figura 2.) causo la energización permanente de las bobinas hasta que se produjo su destrucción, ya que las bobinas de apertura y cierre de los interruptores de potencia están fabricadas para recibir pulsos cortos de tensión.

Fig. 2. Relés temporizados y contactor.

En la figura No. 3 se puede apreciar una de las bobinas del disparo del interruptor que debió ser reemplazada a causa del evento objeto de estudio.

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De la figura No. 4 Se observa que el nuevo esquema para la discrepancia de polos, incluye contactos auxiliares de posición del interruptor normalmente abiertos, de tal forma que se asegura que una vez el esquema ha operado y el interruptor está abierto, las bobinas de disparo son desenergizadas, sin importar que se presente algún problema con el relé temporizado K42 o con el contactor K40. De esta forma se tiene un esquema mucho más confiable y que no pone en riesgo las bobinas de disparo ante una mala operación. Fig. 3. Bobina de apertura del interruptor.

E. Acciones implementadas para normalizar el equipo y mejorar el esquema de diseño implementado para la función discrepancia de polos. Tan pronto se presentó el evento, fue necesario consultar a varias empresas del sector eléctrico para poder conseguir de forma oportuna las tres bobinas de repuesto, dado que en el almacén de repuestos no se tenían en stock. Las bobinas pudieron ser reemplazadas para normalizar la condición operativa del equipo. Analizando este tipo de falla y llevándolo a otro escenario más crítico, por ejemplo para un interruptor colocado en una bahía de línea de una subestación en configuración barra sencilla y asociado a un sistema radial, la falla en mención pudo haber generado fuertes penalizaciones económicas por concepto de compensaciones por energía no suministra y/o demanda no atendida [3], sumadas al perjuicio que representa la indisponibilidad del equipo [4]. Por tanto, en busca de tener un esquema de discrepancia más fiable se realizó la siguiente modificación al diseño. 730

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+ LOCAL DC SUPPLY

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PB

R/L

9

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KD8210 TRIP COIL-2

K14 645

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a

a

34 161

11

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11 10

162

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17 12

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a

34 161

162

b

161

162

B

5

4

6

A2

558

559

41 42

b

15 a 18

43

43

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a

A1 K42

A2

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A1

K40

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321

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13 14

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K42 A2

b

41 42 563 564 565

K41

Fig. 4. Esquema modificado.

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3

2

C

A2

121

1

b

A1

A

K40

34

b

A1

b

20

15 16 A1

K40 A2

A1

K41 A2

a

Este esquema modificado fue implementado en todos los interruptores de la subestación y fueron informados los otros agentes relacionados con la subestación: un generador (que reportó que sus equipos tenían el diseño inicial y que programarían trabajos para implementar las correcciones) y un transmisor con activos similares en la subestación del extremo de la línea. Esta experiencia de mantenimiento demuestra como a partir de una situación adversa (condición de falla), se pueden tomar acciones sencillas de implementación de mejoras que contribuyen al aumento de la confiabilidad de las instalaciones y la optimización de los procesos.

IV. REFERENCIAS [1] Pontificia Universidad Comillas, “Especialización en Mantenimiento de Infraestructuras Eléctricas en Alta Tensión, libro guía, módulo 4, Tema 2: mantenimiento de interruptores”, Madrid 2012. [2] Brikci Fouad y Nasrallah Emile, “Mantenimiento de interruptores de potencia MT y AT”, revista Electric Energy T&D, edición mayo 2006.

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[3] Comisión de Regulación de Energía y Gas. “Resolución CREG 093 de 2012”. [4] Comisión de Regulación de Energía y Gas. “Resolución CREG 011 de 2009”.

V. CONCLUSIONES Es claro que durante las actividades de mantenimiento de equipos eléctricos, no estamos exentos de sufrir inconvenientes inesperados y fallos repentinos, sin embargo, experiencias como las transmitidas por este tipo de artículos, muestran que estas situaciones pueden convertirse en el punto de partida para reevaluar nuestras instalaciones y encontrar alternativas de mejora que nos permitan llevar nuestros equipos a mejores niveles de confiabilidad y seguridad. Dado que las diferentes empresas que integran el sector eléctrico poseen en general equipos de los mismos fabricantes, es importante que este tipo de experiencias sean compartidas, con el fin de que las implementaciones y mejoras que se ponen en marcha en el día a día del mantenimiento y la gestión de los activos, puedan ser aprovechadas al máximo. Dar a conocer este tipo de experiencias, permite evitar fallos en el sistema de potencia y la afectación de los diferentes agentes que forman parte de él. Este artículo es un ejemplo claro de que en muchas ocasiones las mejoras y cambios que se requieren hacer en los equipos y esquemas asociados, son muy sencillos y con un bajo grado de inversión se puede mejorar la confiabilidad y seguridad de los activos. Desde el punto de vista de los fabricantes de equipos para subestaciones y en general de cualquier tipo de industria, ellos están siempre enfocados en la mejora continua de sus productos para garantizar la satisfacción del cliente, y una de las fuentes de información de entrada para este proceso, es la retroalimentación de los usuarios acerca de posibles mejoras y recomendaciones de servicio. Es de gran importancia que se ponga en conocimiento del fabricante este tipo de hallazgos, con el fin de que este pueda tomar las acciones de mejora concernientes en los casos que sean aplicables.

Brikci Fouad y Nasrallah Emile, “Mantenimiento de interruptores de potencia MT y AT”, revista Electric Energy T&D, edición mayo 2006. Mejía Villegas Ingenieros Asociados, “Subestaciones de Alta y Extra Alta Tensión”, segunda edición, 2005. Grupo Nacional de Protecciones y Control, “Guías para el buen ajuste y coordinación de protecciones en el SIN”, Abril 2012. Ramírez Castaño Samuel, “Protección de Sistemas Eléctricos”, primera edición, Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

VII. RESEÑA AUTOR Gerardo Guerra García----Ingeniero eléctrico egresado de la Universidad de la Costa (CUC), Colombia. Especialista en mantenimiento de infraestructuras eléctricas en alta tensión por la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ICAI) de la Universidad Pontificia Comillas, España. En el campo profesional se ha desempeñado en empresas del sector eléctrico como Applus Norcontrol Colombia LTDA, Seringel LTDA, en las áreas de inspecciones eléctricas en subestaciones en todos los niveles de tensión, diagnóstico de sistemas de puesta a tierra y apantallamientos, pruebas de equipos de potencia en alta tensión, pruebas de relés de protección en sistemas de transmisión y distribución. Actualmente se desempeña como asesor de la gerencia de mantenimiento de la Empresa de Energía de Bogotá S.A. E.S.P. en las áreas de mantenimiento de equipos de potencia, mantenimiento y análisis de actuación de equipos de protección. Contacto: [email protected]

VI. BIBLIOGRAFÍA Pontificia Universidad Comillas, “Especialización en Mantenimiento de Infraestructuras Eléctricas en Alta Tensión, Módulo 4, Tema 2: mantenimiento de interruptores”, Madrid 2012.

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