Estudio de rechazo y seccionamiento de carga en el sistema eléctrico de HCJB

ABSTRACT

A load rejection analysis in the hydro turbines at
Papallacta Power Plant is realized by using a computer transient
stability program in order to determine maximum admissible
Operating frequencies under various power exportation conditions
to Empresa Eléctrica Quito S.A. (EEQSA) and to set the
power unit over speed relays.

A load shedding study for various load demand conditions
defined by the HCJB-EEQSA power selling contract, load at Baeza,
Papallacta, Cuyuja, El Chaco and others, and the HCJB radio
transmitters at Pifo is made in order to set the under frequency
relay at Pifo.

Maximum power revels to be sold to EEQSA
for various seasonal conditions are determined under given
security and reliability margins at the HCJB electric
system.

RESUMEN

Se realiza el análisis de rechazo de carga en las
turbinas hidráulicas en la planta de Papallacta para
determinar las máximas frecuencias permisibles de
operación bajo distintas condiciones de exportación
de potencia/energía a la EEQSA y así fijar los
niveles de ajuste de los relés de
Sobrevelocidad.

Se estudia el seccionamiento de carga para diferentes
condiciones de demanda definidas por el contrato de venta de
energía a la EEQSA en Pifo, cargas de Baeza, Papallacta,
El Chaco y otros, y los transmisores de radio de HCJB en Pifo,
con el objeto de fijar los niveles de ajuste del relé de
baja frecuencia.

Se determina los máximos niveles de potencia a
venderse a la EEQSA en varias épocas estacionales dentro
de un margen de seguridad y confiabilidad del sistema
eléctrico de HCJB.

1.
INTRODUCCIÓN

El sistema eléctrico de HCJB
construido por una mini-central hidráulica de 6.4MW
abastece de Energía a las cargas de Papallacta, parte de
Petroecuador, Cuyuja, Baeza, El Chaco, Borja, y Otros,
transmisores de radio de HCJB y un contrato de enta de
potencia/energía con la EEQSA; y un sistema de
subtransmisión a 43kV desde Papallacta hasta
Pifo.

En la figura 1 se muestra el diagrama
unifilar del

Sistema Eléctrico de
HCJB.

2. ESTUDIO DE
RECHAZO DE CARGA

Para análisis de rechazo y seccionamiento de
carga se consideran varios casos de exportación a la
EEQSA, resumidas en la tabla1.

Tabla 1 condiciones iníciales de
Operación

El tiempo de detección de los relés de
protección es de 2 ciclos y el tiempo de actuación
del disyuntor es

6 ciclos; con lo cual el tiempo de operación
total de las protecciones es de 8 ciclos. En el apéndice
se detallan algunos datos de los relés de
protección utilizados.

Para el caso de 3.5MW de exportación a la EEQSA
en Pifo (operando la unidad 1 y unidad 2 en paralelo), se
presentan los siguientes resultados:

a) Frecuencia de Generación

Como se observa en la tabla 2, el sistema permanece en
estado estable hasta 0.5s, tiempo en el cual se simula el rechazo
de carga abriendo la línea 9 (alimentador de la EEQSA
Pifo-Yaruquí, Tumbaco en la S/E de HCJB en Pifo),
abriéndose el sistema en dos regiones. En el tiempo de
1.52s actúa el relé de Sobrevelocidad de la unidad
1 dando la orden de apertura nuevamente para sacarle a la unidad
del sistema. En un tiempo de 10.25s se termina la
simulación.

Los resultados obtenidos se muestran en el
gráfico 1:

Gráfico 1 Frecuencia de
Generación

Como se puede observar en el gráfico 1, hasta
antes de la apertura de la línea se obtiene una frecuencia
en estado estable (60Hz), luego de la perturbación la
frecuencia de las unidades tienden a aumentar (hay una potencia
acelerante resultante), la frecuencia de las dos unidades tienden
a aumentar en una misma proporción hasta el momento en que
actúa el relé de potencia inversa de la unidad 1
tiende a disminuir su frecuencia debido a la disminución
de la potencia acelerante por la actuación de su regulador
de velocidad, alcanzando la frecuencia de 62.48Hz y tendiendo a
estabilizarse en 60Hz luego de los 10s de
simulación.

Tabla 2 Secuencia de Operación de
Rechazo de Carga para 3.5MW de Exportación a la EEQSA THE
OPERATING SEQUENCE IS AS FOLLOWING

TT=.50 LINE (NO. 9)OPENS SYSTEM SPLIT MAX.
REGIONS = 2

TT=.84 RELAY(NAME NO. 10)OPERATES (REVERSE
POWER RELAY OF THE UNIT

1)

TT=.84 LINE(NO. 1)OPENS SYSTEM SPLIT
MAX.REGIONS = 3

TT= 1.52 RELAY (NAME NO. 3) OPERATES

TT= 1.52 LINE (NO. 1)OPENS LINE NO. 1 IS
OPEN ALREADY

TT= 10.25 END OF THE CASE STUDY

b) Voltaje Terminal del Generador

Los resultados de la simulación se presentan en
el gráfico 2, donde se observa que el voltaje terminal
máximo de la unidad 1 es 1.426 p.u. en un tiempo
de

4.45s y para la unidad 2 es de 1.10 p.u. en un tiempo de
1.42s. En estado estable se mantiene el voltaje de las dos
unidades en un valor fijo, luego de la simulación de la
apertura de la línea EEQSA-Pifo- Yaruquí-Tumbaco
los voltajes de las dos unidades crecen simultáneamente
hasta cuando opera el relé de potencia inversa de la
unidad 1 y le saca fuera del sistema, produciéndose un
Sobrevoltaje que es controlado por su propio sistema de
excitación que trata de reducirlo desde el valor nominal;
para la unidad 2 luego de que actúa el relé de
potencia inversa de la unidad 1 comienza el voltaje de oscilar
alrededor de su valor nominal alcanzando un valor máximo
de 1.1 p.u., que luego es reducido hasta el valor nominal por
acción de su sistema de excitación.

Gráfico 2 Voltaje Terminal de
Generación

En el gráfico 3 se presenta el voltaje de campo
de las unidades 1 y 2, donde se observan picos de 12 y

17% en el momento inicial de la perturbación, que
luego se amortiguan en valores fijos.

c) Potencia Mecánica de Entrada

En estado estable se observan los valores
iníciales de la potencia de entrada mecánica de las
dos unidades. Una vez simulado el rechazo de carga abriendo el
alimentador de la EEQSA-Pifo-Yaruquí- Tumbaco (en 0.5s),
los reguladores de velocidad responden cambiando la potencia
mecánica de entrada, en la unidad 1 se inicia a los 2.3s
luego del cual va cambiando continuamente hasta estabilizarse en
0MW a los 7s (compuerta de admisión completamente
cerrada); en cambio en la unidad 2 la respuesta se demora 1.2s y
luego se establece en valor fijo a los 10s de simulación,
correspondiente a un porcentaje en la posición de la
compuerta de admisión.

Gráfico 3 Voltaje de
Campo

Gráfico 4 Potencia Mecánica
de Entrada

Los resultados de la simulación se han
contrastado con pruebas de campo realizadas por Ingenieros de
HCJB en Agosto 1994, para todos los casos de exportación a
la EEQSA. Se observa que el error máximo es del 1.22% en
el caso de exportación de

2.5MW.

3. ESTUDIO DE
SECCIONAMIENTO DE CARGA

En el estado actual (agosto 1995) para servir a todo el
valle de Tumbaco (Cumbaya, Tumbaco, Puembo, Pifo, Tababela,
Yaruquí, Checa y El Quinche), la EEQSA dispone de 4
alimentadores desde la Subestación Tumbaco, uno de los
cuales, está destinado a HCJB. Debido a esta falta de
equipamiento eléctrico no se dispone de suficientes
equipos de maniobra (disyuntores, reclosers, fusibles y otros)
para realizar un adecuado esquema de seccionamiento de carga, tal
que frente a una contingencia se pueda realizar los dos sistemas
(HCJB y sistema eléctrico Quito) y puedan "sobrevivir"
separadamente.

Para el caso de 3.5MW de exportación a la EEQSA
en Pifo (operando las unidades 1 y 2). Se presentan los
siguientes resultados:

a) Frecuencia de Generación

La secuencia de operación del seccionamiento de
carga para 3.5MW de exportación a la EEQSA se muestra en
la tabla 5, donde se observa que se simula el seccionamiento de
carga abriendo el alimentador EEQSA-Tumbaco-Yaruquí-Pifo
en 0.5s de simulación, en 2.68s opera el relé de
baja frecuencia en la S/E de HCJB en Pifo y abre el alimentador;
EEQSA-Pifo-Yaruquí-Tumbaco desconectando toda la carga de
ese alimentador; en

2.99s opera el relé de potencia inversa de la
unidad

1 en Papallacta, sacándolo del sistema en 3.77s
de simulación opera el relé de Sobrevelocidad de la
unidad 1 dando la orden nuevamente de apertura del disyuntor del
generador 1 para sacarlo del sistema; en 10.25s se termina el
tiempo de simulación.

Los resultados de la simulación se presentan en
el gráfico 5, donde se observa que la frecuencia desciende
hasta activar el relé de baja frecuencia en Pifo, el mismo
que después del retardo, envía la orden al
disyuntor para que abra el alimentador
EEQSA-Pifo-Yaruquí-Tumbaco. Al momento de separarse del
sistema eléctrico Quito la frecuencia alcanza un valor de
59.34Hz y 59.23Hz en las unidades 1 y 2, respectivamente.
Después de producirse el aislamiento del sistema de HCJB,
las unidades hidráulicas en Papallacta sufren el rechazo
de carga alcanzando frecuencias de 75.23Hz en

6.78s y 63.95Hz en 4.3s en las unidades 1 y 2,
respectivamente. Después de 10s de simulación se
observa que las frecuencias de las dos unidades comienzan a
descender por efecto de la acción de los reguladores que
forzan una disminución de la potencia acelerante, la
unidad 2 sigue en línea buscando un nuevo punto de
equilibrio.

Gráfico 5 Frecuencia de
Generación

Tabla 5 Secuencia de Operación
para Seccionamiento de Carga para 3.5MW de Exportación a
la EEQSA

THE OPERATING SEQUENCE IS AS FOLLOWING: TT=.50 LINE (NO.
10) OPENS

SYSTEM SPLIT MAX. REGIONS =

2

TT=2.68 RELAY (NAME NO. 1) OPERATES (UNDER
FREQUENCY RELAY)

TT=2.68 LOAD SHEDDING ON BUS NO. 10

RA= .0 RB=

0

TT=2.99 RELAY (NAME NO. 10) OPERATES
(REVERSE POWER RELAY OF THE UNIT

1)

T=2.99 LINE (NO. 1) OPENS SYSTEM SPLIT MAX.
REGIONS =

3

TT=3.77 RELAY (NAME NO. 10) OPERATES
(REVERSE POWER RELAY OF THE UNIT

1)

TT=3.77 LINE(NO. 1) OPENS LINE NO. 1 IS
OPEN ALREADY

TT=10.25 END OF THE CASE STUDY. b) Voltaje
Terminal del Generador

Los resultados de la simulación se presentan en
el gráfico 6, donde se observa que los máximos
voltajes terminales son 1.428 p.u. en 4.65s y 1.250 p.u. en 2.35s
en las unidades 1 y 2, respectivamente.

Gráfico 6 Voltaje Terminal de
Generación

En estado estable, los voltajes de las dos unidades
permanecen fijos, luego de la apertura de la línea
EEQSA-Tumbaco-Yaruquí-Pifo los voltajes comienzan a
descender hasta que actúa el relé de baja
frecuencia en Pifo y aísla el sistema eléctrico
HCJB, produciendo un rechazo de carga en las unidades de
Papallacta; los voltajes de las dos unidades crecen
simultáneamente hasta que opera el relé de potencia
inversa y saca a la unidad 1 fuera del sistema; luego de aquello
el voltaje de la unidad1 crece hasta un valor máximo
sobreimpulso de 25% que luego es atenuado por su regulador de
voltaje haciéndole decrecer a un valor fijo luego de 10s
de simulación.

Para el caso de la apertura d la línea EEQSA-
Cumbaya-Tumbaco se presenta los siguientes resultados:

a) Frecuencia de Generación (Gráfico
7)

Gráfico 7 Frecuencia de
Generación

Se observa que la frecuencia desciende hasta 52Hz, luego
de 10s de simulación. El sistema de HCJB colapsa frente a
este tipo de perturbación, debido a que tiene que soportar
toda la carga de la S/E Tumbaco (33MVA).

b) Voltaje Terminal de Generación (Gráfico
8)

Se observa que el voltaje desciende luego de la
perturbación hasta establecerse en 0.4 p.u. operando las
protecciones de bajo voltaje de los generadores de Papallacta y
los transmisores de radio en Pifo.

Gráfico 8 Voltaje Terminal de
Generación

CONCLUSIONES

1 El Sistema de Potencia de HCJB puede
exportar en el estado actual (agosto 1995) hasta 3.5 MW a la
EEQSA cuando opere con las dos unidades hidráulicas de
Papallacta, y que en un rechazo de carga al abrir la línea
EEQSA-Pifo-Yaruquí- Tumbaco la máxima frecuencia
alcanzada para La unidad 1 es 75.2Hz (902 r.p.m) que corresponde
al 128.66% de Sobrevelocidad respecto a la Frecuencia nominal,
que es 60Hz (720 rpm). Las prácticas internacionales al
respecto recomiendan hasta un 130% de Sobrevelocidad
(7).

Cuando opere únicamente con la
unidad 2, el Sistema de Potencia de HCJB puede exportar hasta 1.5
MW en el estado actual, ya que en un rechazo de carga al abrirse
la línea EEQSA-Pifo-

Yaruquí-Tumbaco la máxima
frecuencia alcanzada para la unidad 2 es 71.2Hz (712
rpm)

que corresponde al 118.6% de Sobrevelocidad
respecto a la frecuencia nominal, que es 60Hz (600 rpm); al
abrirse la línea HCJB-Papallacta- Pifo la máxima
frecuencia alcanzada para la unidad 2 es de 73.2Hz (732 rpm) que
corresponde al 122% de Sobrevelocidad respecto a la frecuencia
nominal, que es 60Hz (600 rpm).

Operando únicamente con la unidad 2, se puede
exportar hasta 1.8MW a la EEQSA alcanzando una sobrefrecuencia al
abrir la línea HCJB- Papallacta-Pifo (caso más
crítico de rechazo de carga) de 75.1Hz (751 rpm) que
corresponda a una Sobrevelocidad de 125.1%, que estaría
por debajo de las recomendaciones internacionales, pero debido a
la importancia de mantener las cargas vivas de los transmisores
de radio de HCJB en Pifo han decidido (personal técnico de
HCJB) exportar máximo hasta 1.5MW a la EEQSA.

Se ratifica los niveles fijados de ajuste de los
relés de Sobrevelocidad, para la unidad 1 en

66.6 Hz (111%) y para la unidad 2 en 72Hz

(120%) del estudio de Tim Warham, ya que en un rechazo
de carga cuando están operando las dos unidades la unidad
1 sale por Sobrevelocidad y esto permite que la unidad 2 pueda
alcanzar un nuevo punto de estabilidad y así pueda
mantener las cargas vivas de los transmisores de radio de HCJB en
Pifo. En cambio cuando opera únicamente la unidad 2, en un
rechazo de carga la sobrefrecuencia para que no le saque a la
unidad del sistema y así pueda mantener las cargas vivas
de los transmisores de radio en Pifo.

Los modelos de sistema de excitación, reguladores
de velocidad, parámetros de las máquinas y programa
computacional resultaron adecuados, ya que se obtuvieron
resultados muy similares respecto a las pruebas de campo
realizadas por ingenieros de HCJB con un error máximo de
1.25%).

Se ratifican los niveles fijados en los relés de
Sobrevoltaje de la unidad 1 y transmisores de radio (120%), en un
tiempo de respuesta de 2.5s. en la unidad 1 se recomienda a corto
plazo cambiar el nivel de ajuste a 120% en un tiempo de respuesta
menor a 2.5s para proteger el aislamiento de los bobinados de
estator y demás elementos acoplados al
generador.

Se recomienda al personal de operación del
sistema eléctrico HCJB y Quito coordinar en las maniobras
a tomarse en las S/E de Pifo y Tumbaco, respectivamente cuando
ocurra la apertura de la línea
EEQSA-Cumbayá-Tumbaco, ya que el sistema HCJB
quedaría conectado a la S/E Tumbaco, ya que el sistema
HCJB quedaría conectado a la S/E Tumbaco tomando toda la
carga de está (33MVA) y esto produciría
lamentablemente la salida de operación del Sistema de
HCJB.

Se recomienda cambiar el sistema de excitación de
la unidad 1 (regulador de voltaje y excitatriz), ya que los
sobrevoltajes alcanzados (1.43 p.u.) en un rechazo de carga
deterioran el aislamiento de los bobinados del estator, de los
transformadores de elevación y demás elementos
acoplados al generador.

Se recomienda cambiar el nivel de ajuste de relé
de baja frecuencia en Pifo a 59.4 Hz (Switch

13,8,0,12) para tener mayor holgura y así evitar
que cualquier contingencia en el Sistema

Eléctrico Quito afecte en una forma determinante
y saque de operación al sistema eléctrico
de

HCJB.

Se recomienda instalar un relé direccional de
potencia (32 R) con dos niveles de setpoint en la S/E de Pifo,
para limitar la máxima exportación a la EEQSA de
3.5 MW o 1.5 MW cuando opere las dos unidades en paralelo o
únicamente la unidad 2. La salida del relé debe dar
una señal de alarma a los operadores de la Central de
Papallacta para que limiten la generación de potencia
activa de las unidades en paralelo o únicamente la unidad
2. La salida del relé debe dar una señal de alarma
a los operadores de la Central de Papallacta para que limiten la
generación de potencia activa de las unidades.

APENDICE

El relé de Sobrevelocidad de la unidad 1 es un
multi-function speed Switch DSP series, con
características estándar, incluye rangos de
velocidad seleccionables, ajustes individuales del setpoint,
relés de control spdt ajustables a 5A, selección
del relé para Sobrevelocidad o baja velocidad,
calibración de salida 0-10VDC y fuente de
alimentación de 115VAC; su punto de caída es
ajustado a 66.6 Hz (820 rpm, 113.8%) y su tiempo de respuesta
instantáneo (3).

El relé de Sobrevelocidad de la unidad 2 es un
GTU 451 BBC Brown Boveri, TYPE WE 77/Ex DW, fuente de
alimentación de 220V-10% + 15%/54-65Hz, consumo de
potencia aproximadamente 1.5VA, tiempo de respuesta t= 1/f (f=
frecuencia fijada), circuito de salida: 4A/250VAC/500VAC: puntos
de caída fijado en 72Hz (720 rpm, 120%) y un tiempo de
respuesta instantáneo (4).

El relé de potencia inversa de la unidad 1 es un
GENERAL ELECTRIC, fuente de alimentación de 140VAC
(fase-fase), 50 o 60Hz, corriente nominal 5 amperios, contactos
de salida de disparo: 3A en forma continua, rango de temperatura
ambiente -20ºC a + 55ºC, ajuste del nivel de potencia
inversa 0.5 a 99.9 W, ajuste del tiempo de retardo 1 a 30s; punto
de caída fijado en 0W y un tiempo de respuesta
instantáneo (3).

El relé de potencia inversa de la unidad 2 es un
BASLER ELECTRIC, modelo PRP 360, la fuente de alimentación
es de 120, 240, 480 o 600V, a una frecuencia de 50/60/400Hz,
circuito de salida mediante contactos de relé SPDT de 10A
a 28 VDC, ajustes de los límites de sensitividad de
corriente de 0.050 a 0.250ª, ajustes de los límites
del tiempo de retardo en el modelo PRP 360 de 0.25 a 1.5s o 1.25
a 7s, rango de temperatura ambiente de -20ºC a 50ºC;
punto de caída está fijado en 0W para un tiempo de
respuesta de 7s (4).

El relé de Sobrevoltaje de la unidad 1 es un
GENERAL ELECTRIC, modelo 12PJ11A10, tipo PJV, operación de
la bobina 125 voltios, ajuste del setpoint del relé 50,
70, 110, 160; punto de caída fijado en 160 VAC (145%),
tiempo de respuesta de 2.5s (3).

El relé de Sobrevoltaje de la unidad 2 es un BBC
Brown Boveril tipo USM, alimentación para la bobina es
100/110 voltios, 40 a 60Hz, el ajuste del setpoint del
relé es de 100 a 160VAC; punto de caída está
fijado en 132vac (120%) para un tiempo de respuesta de 2.5 s
(4).

El relé de baja frecuencia es un I-T-E- de estado
sólido, modelo, ITE-81, circuito de entrada de

0.7VA, ajuste de la función de bajo voltaje
60-100V, punto de disparo en el modelo a 60Hz, ajustable desde 54
a 63Hz, precisión y repetibilidad alrededor del set point
+-0.008Hz, ajuste del tiempo de retardo desde 1 a 99 ciclos,
circuito de salida mediante relés a 125VDC, 30ª
operación de servicios 5ª en forma continua, 1ª
para cargar resistiva, 0.3ª para apertura de carga
inductiva, temperatura de funcionamiento ambiental -30ºC TO
75ºC; SU PUNTO DE CAÍDA ESTÁ FIJADO EN 59.5Hz
(Switch setting 13,1,0,12) para un tiempo de respuesta de 3
ciclos.

BIBLIOGRAFÍA

1 Warham, Tim, "Power System Analysis of
HCJB System", Quito, April 1989.

2 Westinghouse, "Electrical Transmission
and Distribution-Reference Book" Chapter 13, Power System
Stability: Basic Elements of Theory and Application, Pittsburgh,
USA, 1950.

3 Moore, Eric, "Manual for the HCJB
Papallacta Power Plant Unit 1", Quito 1975.

4 Neeb, A/S Norkk Elektrisk & Brow
Boveri, "Synchronous Generator, Type WAH 1000 H12H", Plant of
Papallacta, 1981

5 Huang, Chih –Chiang and Chu,
Wen-Chen, "Manual of Power System Transient Stability Program (PC
Version)", University of Texas at Arlington, USA,
1989.

6 General Electric, "DGP Digital Generator
Protection System", USA, 1989.

7 De Mello, Dolvec, Swann and Temoshok,
"Analog Computer Studies of System Over voltages Following Load
Rejection", IEEE Trans PAS, April, 1963.

8 Dandeno and McClymont, "Extra -High-
Voltage System Over voltages Following Load Rejection of
Hydraulic Generation", IEEE Trans PAS, April, 1963.

9 IEEE Working Group on Computer Modelling
Of Excitation System, "Excitation System Models For Power System
Stability Studies", IEEE Trans.PAS, Vol. PAS-100, No. 2,
February, 1981.

10 IEEE Committee Report, "Dynamic Models
for Steam and hydro Turbines in Power System Studies", IEEE
Trans. PAS, February, 1973.

11 General Electric, "The Art of Protective
Relay, Power System Protection", USA, 1966.

12 Kimbark, Edward "Power System Stability,
Volume lll, USA, 1964.

Autor:

Milton Alquinga Q.

Escuela politecnica nacional

Egresado de Ingeniería eléctrica en la
especialización e Sistemas Eléctricos de Potencia
en 1995. Sus prácticas de ingeniería lo realizaron
en HCJB (Planta de Potencia de Papallacta) en la Dirección
de Comercialización de EL NORTE y en el Laboratorio de
Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional, como
auxiliar de Laboratorio. Actualmente trabaja en AICO
(Automatización Industrial y Control)

Sus campos de interés son: sistemas
automáticos programables, diseños en alto voltaje,
diseños asistidos por computador, ahorro y
optimización en el uso de la energía y
análisis de sistemas eléctricos de
potencia.

Ph.D. Jesús Játiva
Ibarra

Escuela politecnica nacional

Jefe de Departamento de Potencia de la FIE.
Recibió los títulos de Ingeniero Eléctrico
(1981) de la Escuela Politécnica Nacional, Máster
of Scienie in Electrical Engineering (1988) y Doctor of
Philosophy (1991) de la University of Texas at Arlington (UTA),
USA. Es coautor del libro Análisis and Control Systems"
editado por la Academic Press Inc. En 1991, y han escrito para la
Power Engineering Society del IEEE. Fue miembro Postdoctoral en
el Energy Systems Research Center de UTA, Asesor del Centro
Científico de Proyectos del CONACYT-BID, Coordinador,
Autor y Expositor en las Jornadas en Ingeniería
Eléctrica y Electrónica de la FIE e UTA e INICEL,
Interno de Energía en el Texas. Participo en el
International Training Programme en Conservación de
Energía en la Industria en Malmo. Suecia en
1995.