Configuración en anillo: operación, fallas y protecciones

Qué es la configuración en anillo

En la configuración en anillo los interruptores se conectan en serie formando un lazo cerrado, y cada circuito sale de un nodo entre dos interruptores. Hay tantos interruptores como circuitos, así que cada circuito queda entre dos interruptores con un solo interruptor por circuito. Cada interruptor tiene un seccionador a cada lado, y cada circuito tiene su seccionador de línea o de transformador (89L) con cuchilla de tierra, para poder aislarlo y volver a cerrar el anillo mientras se trabaja en él.

Una precisión de nombres: en el Vocabulario Electrotécnico Internacional (IEC 60050-605), el lazo con interruptores en serie se llama mesh substation, y ring substation es el lazo que solo tiene seccionadores. En Colombia y en la práctica norteamericana (ring bus), “anillo” es el lazo con interruptores, y así lo usa este artículo. El mismo vocabulario define el caso de cuatro interruptores en cuadro (four-switch mesh) y una variante para dos líneas y dos transformadores con tres interruptores y un puente de seccionadores.

Con dos líneas y dos transformadores, el diagrama de esta serie es un anillo de cuatro interruptores. Los transformadores de corriente (CT) van asociados a cada interruptor, y como no hay barra común, cada circuito lleva su transformador de tensión (PT).

Cómo opera en servicio normal

Todos los interruptores están cerrados y la energía puede llegar a cada nodo por los dos lados del lazo. Cada interruptor lleva la corriente que circula por el anillo, que depende de cómo estén repartidas las fuentes y las cargas. Una práctica habitual es alternar circuitos fuente y circuitos carga alrededor del anillo, para que una apertura no deje las cargas del lado sin fuentes.

Qué pasa ante fallas y mantenimientos

• Falla en un circuito. La protección del circuito abre los dos interruptores vecinos y el extremo remoto abre el suyo. El anillo queda abierto en ese nodo, pero los demás circuitos siguen unidos por el resto del lazo.
• Falla en un tramo del anillo. No hay barra: el tramo entre dos interruptores forma parte de la zona del circuito que sale de ese nodo y se despeja igual que una falla de ese circuito.
• Falla de interruptor (50BF). Cada interruptor es compartido por dos circuitos. Si falla, la 50BF abre el siguiente interruptor del anillo y desconecta el extremo remoto del circuito vecino con disparo directo transferido. Se pierden dos circuitos y el anillo queda abierto en dos puntos.
• Mantenimiento de un interruptor. Se abre y se aísla; ningún circuito sale, pero el anillo queda abierto. Una falla en ese estado puede partir la subestación en dos grupos sin conexión entre sí. Por eso los mantenimientos se programan cortos y con la red en condición favorable.

Confiabilidad, flexibilidad, costo y área

El anillo da la disponibilidad de “dos interruptores por circuito” con un interruptor por circuito, y por eso es muy económico con pocos circuitos. Comparado con la barra sencilla, no tiene una barra cuya falla saque todo. Comparado con el interruptor y medio, usa menos interruptores, pero con más circuitos el anillo se alarga, cada apertura deja más circuitos en serie y la probabilidad de partir la subestación crece. Algunas empresas limitan el número de interruptores del anillo en sus criterios y exigen que el patio quede dispuesto para convertirlo en interruptor y medio o interruptor y un tercio, dejando en los nodos que serán barras posiciones de transformador y no de línea.

El área es pequeña para cuatro a seis circuitos. La ampliación es su punto débil: agregar un circuito exige abrir el lazo e intervenir equipos en servicio.

Implicaciones para protección y control

• Sin 87B. No hay zonas de barra: las zonas de los circuitos se traslapan sobre cada interruptor. Por eso la posición de los CT respecto al interruptor debe revisarse para no dejar zonas muertas.
• Corriente de cada circuito. La protección de línea recibe los CT de los dos interruptores vecinos, sumados por fuera del relé o en un relé con dos entradas. Con corriente circulando por el anillo, un CT saturado puede crear una corriente de línea falsa ante fallas externas; los relés de dos entradas permiten lógica de detección de falla externa.
• Tensión. Como no hay PT de barra, la verificación de sincronismo 25 de cada interruptor compara los PT de los circuitos a ambos lados, y la selección de tensiones debe prever los circuitos desconectados.
• Recierre (79). Con dos interruptores por línea se define un líder y un seguidor. Si uno de ellos está abierto por mantenimiento, el otro debe pasar a líder; con el anillo abierto, conviene revisar si el recierre puede unir partes de la red que quedaron separadas.
• Protección stub. Al abrir un 89L y cerrar sus dos interruptores para restituir el anillo, el tramo entre ellos y el seccionador se protege con sobrecorriente o diferencial de los dos CT, habilitada por la posición del 89L, sin enviar disparo transferido.
• Enclavamientos 89. Seccionadores de interruptor con su interruptor abierto; 89L con los dos interruptores del circuito abiertos; cuchilla de tierra sin tensión en el circuito. La lógica vive en el controlador de bahía.

Uso típico

Se usa en alta y extra alta tensión con pocos circuitos y en subestaciones que empiezan pequeñas y crecerán. En Colombia, la tabla de unidades constructivas del STN de la CREG incluye el anillo entre sus configuraciones para 230 kV. Los criterios generales de arreglos de barras están en la guía de la subestación convencional AIS.

Pruebas en puesta en servicio

• Relación, polaridad y excitación de cada CT, y verificación de que la suma de los dos CT de cada circuito da cero con corriente circulando por el anillo.
• Matriz de 50BF de cada interruptor, con los arranques de los dos circuitos que comparte y el disparo transferido probado extremo a extremo.
• Recierre y selección de tensiones para la 25 con cada interruptor fuera de servicio.
• Lógica stub con cada 89L abierto y matriz completa de enclavamientos.

Ver inyección secundaria y pruebas extremo a extremo.

Le ayudamos con su anillo

En un anillo cada interruptor sirve a dos circuitos, y un ajuste mal pensado de 50BF o de recierre se nota cuando el lazo está abierto. En Tiza Group hacemos el estudio de coordinación de protecciones y la configuración remota de relés para subestaciones de alta y extra alta tensión, en servicio público y en industria.

Referencias

• IEC 60050-605: Vocabulario Electrotécnico Internacional, subestaciones (términos 605-01-19 a 605-01-23).
• IEC 61936-1: instalaciones eléctricas de potencia de más de 1 kV en corriente alterna.
• IEEE C37.234: guía de aplicación de protecciones a barras de sistemas de potencia.
• IEEE C37.119: guía de protección de falla de interruptor.
• IEEE C37.104: guía de recierre automático de interruptores en líneas de transmisión y distribución.
• CIGRE, Technical Brochure 161: General guidelines for the design of outdoor AC substations.
• CREG, Resolución 011 de 2009 (unidades constructivas), compilada en la Resolución Única del sector eléctrico.
• J. D. McDonald (ed.), Electric Power Substations Engineering, CRC Press.

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