Confiabilidad Operativa en Sistemas de Distribución de Energía Eléctrica, ante la Aparición de Sobretensiones de Origen Atmosférico

Abstract

Las descargas atmosféricas son eventos fascinantes que surgen de manera periódica en todo el mundo y despiertan multiples emociones en los seres humanos. Desde una perspectiva ingenieril, se define como pulso electromagnético que se produce entre las nueves y la superficie terrestre. Su acople con los sistemas de potencia es inherente y se cuantifica mediante la estimación de sobretensiones, las cuales pueden causar interrupciones en el suministro de energía. En general, los esquemas de protección para estos eventos se diseñan mediante una coordinación de aislamiento, que contempla la identifican de sobretensiones, la parametrización de los dispositivos de protección y la selección de la capacidad disruptiva del aislamiento.

En este trabajo, se presenta una metodología alternativa para vincular los tres procesos que conforman la coordinación de aislamiento e incluye una cuarta componente de valoración financiera. Particularmente, se enfoca en determinar el desempeñoo de redes de distribución mediante la incorporación del concepto de confiabilidad operativa. Para tal efecto, se desarrolla una estructura conceptual y una herramienta computacional que involucra tres etapas: (i) Un estimador de sobretensiones utilizando el modelo Rusck y redes de dos puertos, (ii) Un estimador de confiabilidad basado en cadenas de Markov y (iii) Un analizador probabilístico de riesgo que integra el método de Monte Carlo, agrupamiento con K-means y diagramas de Voronoi. Esta estructura combina datos de un sistema de detección de descargas atmosféricas, sistemas de información geogréfico y registros de interrupciones gestionados en SCADA, para proporcionar una la clasificación de riesgo a nivel espacial y temporal.

Se realiza la primera implementación sobre un sistema real, el cual es administrado por la Compañía Nacional de Fuerza y Luz (CNFL). Se determinó que en su área de concesión existe una densidad anual de descargas atmosféricas de 10 impactos/km2 y una intensidad de corriente promedio de 15 kA. Se estimó que el 80 % de las sobretensiones generadas sobre el sistema es inferior a los 50 kV. También, se tiene que la disponibilidad del sistema es de 0.999 (tres nueves) considerando todos los modos de falla y de 0.99999 (cinco nueves) ante sobretensiones externas. Se estima que la tasa de fallas y restablecimiento ante sobretensiones es de 3.14 y 28 min, respectivamente, con impacto anual de 1.2 millones de colones. Mediante la aplicación de acciones de mejoras basadas en normalización de los parémetros del sistema de protección se estima un ahorro inmediato 28 millones de colones anuales.