Localización de faltas en sistemas de distribución de energía eléctrica con neutro puesta a tierra mediante método basado en el modelo

Resumen

1) Tema abordado: se trata de definir e implementar un sistema de localización de faltas para redes de distribución de energía eléctrica, con un régimen de neutro puesto a tierra a través de una resistencia limitadora. Un porcentaje elevado del tiempo necesario para reponer una avería en este tipo de redes es la localización de la falta en la línea eléctrica. En muchas ocasiones el propio trazado de la línea a través de una orografía muy montañosa, como el caso de la zona norte de España, y si a esto se añade factores climatológicos y/o falta de luz diurna, puede generar una gran dificultad al trabajo de las brigadas en campo, para localizar el lugar de la falta. 2) ¿Cuál es el problema? Cuando hay una falta permanente en una línea de una red de distribución de energía eléctrica, el operador del despacho de explotación de la red, trata de aislar la falta en el tramo más pequeño que le permita el sistema de telecontrol. A partir de este momento, el operador debe enviar a la brigada de campo a localizar la falta en el tramo de línea donde se encuentra. Dependiendo de la zona, el tipo de línea y el grado de automatización, el tramo de línea aislado puede tener una longitud entre 1 km y 15 km. Cuando el tipo de línea es área, puede presentar dificultades añadidas como la orografía del terreno, malas condiciones atmosféricas y poca visibilidad (de noche), que puede provocar riesgos laborales a las brigadas de campo. Como ejemplo, 14-02-2012 Subestación de la Malva, línea Pola, a las 17:11 se produce una falta permanente en condiciones atmosféricas muy adversas y una orografía difícil, la localización se prolonga hasta las 22:00, suspendiendo la búsqueda de la avería debido a la alta probabilidad de que se produzca un accidente laboral. Se continúa la búsqueda al día siguiente, con la luz del día, localizando la avería a las 10:00 del 15-02-2012, es decir, unas 17 horas de corte de suministro, afectando a varias poblaciones. 3) ¿Cómo se aborda habitualmente este problema? Cuando se produce una falta permanente en una línea, el operador del centro de control, a través de los sistemas de control, trata de aislar la zona que presenta la falta, reponiendo el suministro al mayor número posibles de clientes, en función del tipo de línea y del grado de automatización de la red de distribución eléctrica. A continuación, se envía, en la mayoría de los casos, a dos brigadas de campo para que localicen la falta en el tramo de línea aislado previamente por el operador. Cada brigada se coloca en uno de los extremos y comienzan a recorrer el tramo de línea. En muchas ocasiones, las brigadas de campo piden al operador del centro de control la realización de una prueba para descartar la presencia de la falta en alguna zona de ese tramo de línea, por ejemplo, aislado una derivación de esa línea. Usando el método prueba y error, las brigadas localizan la falta. 4) ¿Qué solución se propone en esta tesis? Un sistema de localización de faltas para redes de distribución de energía eléctrica basado en el modelo. El sistema proporciona una posible ubicación de la falta, de este modo, el operador del despacho de explotación de la red puede dirigir a una brigada de campo a un lugar determinado para la búsqueda de la falta, reduciendo considerablemente el tiempo de localización. Como principales aportaciones de esta tesis, cabe destacar: ¿ Desarrollo de una aplicación de cálculo de parámetros eléctricos de líneas de distribución basado en las ecuaciones de Carson y Ametani. ¿ Desarrollo de una metodología de localización de faltas para redes de distribución de energía eléctrica con neutro puesto a tierra a través de resistencia limitadora, mejorando la localización de faltas respecto a las soluciones existentes para valores elevados de resistencia de falta y alta carga de las líneas y aportando una nueva solución para faltas bifásicas. ¿ Desarrollo de una aplicación para la generación de modelos de las redes de distribución a partir de la información contenida en el sistema de gestión de la distribución de HC Energía. ¿ Desarrollo de un algoritmo para la lectura inteligente de oscilosperturbografos inexistente en los modelos actuales de relés de protección. ¿ Implementación real de la metodología propuesta en la red de distribución eléctrica de HC Energía. Además, como efectos adicionales: ¿ Reducción de riesgos laborales, evitando que la brigada tenga que recorrer distancias largas por orografías con una dificultad elevada y en condiciones de baja visibilidad (de noche, niebla, lluvia) que aumenta el riesgo de sufrir un accidente. ¿ Reducción de pruebas sobre defecto. El método convencional de prueba y error, implica la realización de varias pruebas para determinar la zona del defecto, esto implica un mayor desgaste de los materiales y a veces provoca nuevas averías (roturas de puentes y fallos de aislamientos) en la propia línea o en otras adyacentes, debido a las sobrecorrientes y sobretensiones provocadas en dichas pruebas. 5) ¿Qué alcance ha tenido el estudio de la solución propuesta? En esta tesis se describe la metodología para el cálculo de los parámetros eléctricos de líneas aéreas y subterráneas. La fiabilidad de cualquier método de localización de faltas basado en el modelo depende de la exactitud de los parámetros eléctricos de cada tramo que constituye cada una de las líneas eléctricas. Se desarrolla una metodología basada en los trabajos de Carson y Ametani que supone una mejora sustancial de los modelos existentes en la base de datos de instalaciones de HC Energía. Para ello se desarrolla un algoritmo programado en C# que permite el cálculo de los parámetros eléctricos a partir de los datos contenidos en los sistemas de información geográfica (GIS) basados en Oracle y Microstation de HC Energía. Esta mejora es aplicable no solo a la solución aportada en esta tesis, sino también, al resto de aplicaciones utilizadas en HC Energía como flujos de carga, análisis de cortocircuitos, ajustes de sistemas de protección, etc. Se propone un nuevo método de localización de faltas para redes de distribución con neutro puesto a tierra. A partir de la frecuencia fundamental de las corrientes y tensiones medidas al principio de la línea, y en función del tipo de falta, se estima la posible ubicación de la falta. La metodología desarrollada utiliza la conjugada de la intensidad de la falta para simplificar los cálculos de la impedancia de la falta y así tener en cuenta el valor de la resistencia del defecto. Además, ante faltas bifásicas utiliza la corriente de la fase sana para determinar la carga de la línea, evitando el uso de la corriente de pre-falta. El método tiene en cuenta la resistencia de la falta, la carga de las líneas, las derivaciones existentes y la no homogeneidad característica de los sistemas de distribución de energía eléctrica. Se realiza un análisis de sensibilidad mediante simulaciones en DigSilent de un modelo de una red real. Comprobándose una mejora significativa del método propuesto frente al método de la componente reactiva para valores elevados de resistencia de falta y alta carga de las líneas. También se genera y se estudia múltiples escenarios que abarcan diferentes condiciones de tipos de faltas y en diferentes ubicaciones, variando el valor de la resistencia de la falta y la carga de la línea para determinar la bondad del método. Para ello ha sido necesario desarrollar un interfaz entre el sistema SCADA de HC Energía y el software de simulación que permite contar en todo momento con modelo real y actualizado de la red de distribución a simular. Se describe la implementación real de la metodología de localización propuesta en una zona de la red de distribución de HC Energía, monitorizando casi 1.000 km de líneas y se analiza su comportamiento ante las diferentes faltas ocurridas en dicha red durante los últimos meses. Se puede observar el ahorro en tiempo obtenido en la localización de faltas reales. Para la implementación de la metodología ha sido necesario desarrollar un algoritmo para el tratamiento inteligente de los oscilos que permite el cálculo de los fasores de tensión e intensidad en la ventana óptima del registro del oscilo. De esta forma se tienen en cuenta los transitorios de inicio de la falta, buscando la zona estable para el cálculo de los fasores. Además, el algoritmo permite el tratamiento de faltas evolutivas, aquellas que a lo largo del tiempo varían el tipo de falta (fase tierra a bifásico, bifásico a trifásico...), obteniendo el tipo de falta y la ventana para el cálculo de fasores más óptimo.