Maniobras en las estaciones de transformación de una planta solar: simulador con enclavamientos

La configuración

La subestación colectora tiene una barra de media tensión, alimentada por la red a través del transformador principal, y una celda de alimentador por colector: seccionador de barra 89B, interruptor 52 con su protección y cuchilla de tierra 57L de la cabecera. Cada colector es un anillo de tres estaciones de transformación; sus dos puntas llegan a la misma celda y el punto normalmente abierto es SB de la estación central (la 2 y la 5), así que cada colector trabaja como dos ramas radiales. Cada estación lleva una RMU de tres funciones: dos interruptores-seccionadores de anillo, SA y SB, cada uno con la cuchilla de tierra de su cable (57A y 57B), y la celda del transformador con seccionador 89T, interruptor de vacío 52T y cuchilla de tierra 57T en el lado de media tensión. Siguen el transformador elevador, la puesta a tierra de baja tensión 57BT en sus bornes de baja, el interruptor general de baja tensión 52BT y los inversores, que alimentan la estación desde abajo. Es la composición que declara la ficha técnica de la Huawei Smart Transformer Station STS-6000K-H1 (celda de transformador con interruptor de vacío, celdas de cable directas o con interruptor-seccionador, relé 50/51 y 50N/51N, transformador en aceite con conservador y Buchholz, interruptor general de bastidor abierto en baja tensión), y en la nomenclatura del manual de las RMU CHINT NG7-12/24 es una RMU C-C-V. No reproduce un modelo: es una estación típica con esa composición.

• Los enclavamientos de la tabla son los genéricos de IEC 62271-200 y el que el manual de CHINT NG7-12/24 declara para la función C: el interruptor-seccionador y su cuchilla de tierra se enclavan mecánicamente, cada uno se maniobra solo con el otro abierto. El manual de usuario de Huawei JUPITER-H1 (edición 03) describe además un enclavamiento opcional por llaves entre el seccionador de la celda G2 y el ACB de baja tensión (§4.5.1); como es opcional, el simulador lo aplica solo en las dos tareas que siguen ese manual. Los de su equipo están en su manual y en los planos de la estación.
• Las tareas «según el manual del fabricante» siguen el orden de los manuales oficiales leídos (Huawei JUPITER-H1 edición 03, en inglés; CHINT NG7-12/24, en ruso), con los nombres de sus celdas entre paréntesis. Donde el manual no dice algo que el simulador exige, como bloquear un seccionamiento antes de poner a tierra, la tarea lo añade por las cinco reglas de EN 50110-1, no por el manual.
• El seccionador de tres posiciones de cada celda (cerrado, abierto, a tierra) se modela como un seccionador y una cuchilla de tierra enclavados entre sí. En la celda del transformador, el 89T abre y cierra solo con el 52T abierto, y la 57T cierra solo con el 89T abierto; es la secuencia que da el manual de CHINT para la función V: interruptor, seccionador y, al final, tierra.
• Los inversores de cada estación (en la STS, inversores string conectados a su tablero de baja tensión) se representan como un grupo equivalente, dibujado con sus relés de salida. En marcha, inyectan solo mientras ven la red; sin red dejan de inyectar por la protección contra la isla y quedan esperando. El simulador nunca los deja energizar una parte muerta, pero para poner a tierra los trata como una fuente: parados no son un seccionamiento.
• El interruptor general de baja tensión 52BT se modela como interruptor apto para seccionamiento (IEC 60947-2): abre la corriente como un interruptor y, abierto y bloqueado, separa la estación de los inversores. Compruebe esa marca en el interruptor de su estación; si no la tiene, el seccionamiento lo da otro aparato del tablero.
• El transformador de tres devanados de la STS-6000K-H1 (dos de baja, cada uno con su interruptor general) se simplifica a uno de dos devanados. Los interruptores de caja moldeada de cada inversor, el transformador de servicios auxiliares y las comunicaciones no se dibujan.
• Las fallas de las tareas son permanentes. El Buchholz, el relé de la celda y los indicadores de paso de falla no se simulan: cada tarea de falla parte del interruptor ya abierto por su protección.
• Antes de maniobrar una RMU con aislamiento en gas, el manual de CHINT pide comprobar que el manómetro de densidad está en la zona verde; el simulador no modela la presión del gas.

La configuración completa, con su protección de barras y sus ventajas frente a las demás, está en la guía planta solar: estaciones de transformación en anillo de mt.

Cómo se revisa cada orden

Antes de ejecutar una orden, el simulador calcula qué queda energizado, qué queda a tierra y por dónde circula la corriente, y la compara con estas reglas. Un error no se ejecuta, como no lo ejecutaría el enclavamiento o el operador con la orden de maniobra en la mano. Una advertencia se ejecuta, pero queda en el registro porque es una mala práctica. La tarea se valida por su resultado, no por un orden único: cualquier secuencia que respete las reglas y llegue al objetivo es correcta.

• Un seccionador no abre ni cierra corriente de carga error

  El seccionador no tiene cámara de extinción. Si abre o cierra corriente de carga, de magnetización de un transformador o de carga capacitiva de una línea, se forma un arco entre sus contactos que puede escalar a una falla entre fases o a tierra, frente al operador, y la protección de barras saca toda la barra.

  IEV 441-14-05 (definición de seccionador: maniobra solo con corriente despreciable o sin cambio significativo de tensión entre sus bornes); IEC 62271-102:2018, cl. 1 y 3

• Transferencia de barras o by-pass: el seccionador maniobra con un camino paralelo corto y cerrado permitido

  Con el acople cerrado, las dos barras están al mismo potencial y el selector de barra solo conmuta la corriente de transferencia entre dos caminos en paralelo; lo mismo ocurre con el seccionador de by-pass o de transferencia que se cierra o se abre en paralelo con un interruptor cerrado. La tensión entre sus contactos es de unos pocos voltios. Son las dos maniobras en tensión que la norma reconoce para un seccionador: transferencia de barras y by-pass de interruptores. Cuánta corriente puede conmutar depende del tamaño del lazo y de la capacidad de transferencia de barras asignada al seccionador.

  IEC 62271-102:2018, 5.108 (corriente y tensión asignadas de transferencia de barras), 9.2.106 y anexo B.1; definición de seccionador, nota 1 («sin cambio significativo de tensión»: by-pass de interruptores y transferencia de barras)

• Un seccionador no abre ni cierra un lazo que no sea transferencia de barras o by-pass error

  Si el camino paralelo no es un acople ni el interruptor que se puentea, el lazo es largo: la corriente que el seccionador tendría que conmutar y la tensión que aparece entre sus contactos dependen del tamaño del lazo y de la carga, y la norma no le asigna esa capacidad. El lazo se abre o se cierra con un interruptor.

  IEC 62271-102:2018, anexo B.1 (la capacidad depende de la carga transferida y del tamaño del lazo entre el acople y el seccionador); IEV 441-14-05

• Seccionador bajo carga: abre y cierra corriente de carga, nunca un cortocircuito permitido

  El seccionador bajo carga (interruptor-seccionador) tiene cámara de extinción: abre y cierra la corriente de carga, la de un anillo cerrado, la de carga de un cable y la de vacío de un transformador de distribución. Puede cerrar sobre una falla si tiene capacidad de cierre en cortocircuito asignada, pero no la interrumpe: eso lo hace el interruptor de cabecera o el fusible. Abierto, cumple los requisitos de un seccionador, así que cuenta como seccionamiento para trabajar.

  IEC 62271-103 (interruptores para tensiones de 1 kV a 52 kV); IEV 441-14-12 (interruptor-seccionador: abierto cumple los requisitos de seccionamiento); IEC 62271-102 (seccionamiento); IEC 62271-105 (combinado interruptor-fusible)

• No se reenergiza un tramo con falla sin aislarla error

  Un tramo con falla permanente se aísla abriendo los equipos a ambos lados antes de devolver el servicio al resto. Cerrar hacia la falla provoca otra corriente de cortocircuito: el interruptor de cabecera dispara de nuevo y deja sin servicio todo el alimentador, y un seccionador bajo carga solo resiste ese cierre si tiene capacidad de cierre en cortocircuito asignada, porque no lo puede interrumpir.

  IEC 62271-103 (capacidad de cierre en cortocircuito del interruptor-seccionador; no corta cortocircuitos); práctica de operación de redes de distribución

• Energizar o desenergizar una barra se hace con interruptor advertencia

  Un seccionador puede conmutar la pequeña corriente capacitiva de una barra en vacío si tiene esa capacidad asignada, pero si quedó una tierra olvidada o una falla, no la despeja. El interruptor sí: por eso la barra se energiza cerrando el interruptor del acople o de una línea, con sus seccionadores ya cerrados.

  IEC 62271-102:2018, 5.110 (corriente de carga de barras) y anexo B.2; práctica de operación

• Un seccionador no cierra un paralelo entre dos fuentes error

  Si las dos partes tienen tensión desde fuentes distintas, entre los contactos hay diferencia de tensión y de ángulo. Al cerrar circula de golpe la corriente de cierre del anillo, con arco. Ese cierre lo hace un interruptor, con verificación de sincronismo (25).

  IEV 441-14-05; IEC 62271-102:2018, 5.108 (la transferencia exige barras ya en paralelo por el acople)

• No se cierra sobre un tramo puesto a tierra error

  Cerrar un interruptor o un seccionador hacia un tramo con la cuchilla de tierra cerrada provoca una falla franca a tierra si el otro lado tiene tensión, y si no la tiene deja la tierra unida al resto, lista para ser energizada en la siguiente maniobra. Las tierras se retiran antes de cerrar.

  EN 50110-1, 6.2 (cinco reglas: las tierras se retiran al final del trabajo, antes de reenergizar); IEC 61936-1:2021, 6.2.16 (enclavamientos)

• Una cuchilla de tierra nunca cierra sobre tensión error

  Cerrar la tierra sobre un tramo energizado es una falla trifásica a tierra provocada, a pocos metros del operador. Una cuchilla clase E0 no tiene capacidad de cierre en cortocircuito y puede destruirse. Antes de poner a tierra se verifica la ausencia de tensión.

  EN 50110-1, 6.2 (reglas 3 y 4); IEC 61936-1:2021, 8.4.4 y 8.4.5; IEC 62271-102:2018, 5.102 (clasificación de cuchillas de tierra por capacidad de cierre en cortocircuito)

• La tierra exige seccionamiento visible hacia todas las fuentes error

  Un interruptor abierto no es un seccionamiento: no tiene distancia de aislamiento comprobable y puede cerrar por un mando o una falla de control. El tramo a tierra debe quedar separado de cada fuente por un seccionador abierto, en el extremo propio y en el remoto.

  EN 50110-1, 6.2 (regla 1: desconectar completamente); IEC 61936-1:2021, 8.4.2 (equipos para el seccionamiento); IEV 441-14-05 (distancia de seccionamiento)

• La tierra exige seccionamiento también hacia el inversor (retroalimentación) error

  Un inversor es una fuente: alimenta de vuelta el transformador desde baja tensión y lo eleva a media tensión. Parado o sin red no es un seccionamiento: sus relés de salida no dan distancia de aislamiento comprobable ni se bloquean, vuelve a arrancar solo cuando ve la red estable y la protección contra el funcionamiento en isla puede fallar. Por eso el tramo a tierra debe quedar separado del lado del inversor por un aparato de seccionamiento abierto y bloqueado, igual que de la red.

  EN 50110-1, 6.2 (regla 1: separar de todas las fuentes, también la generación que puede alimentar de vuelta); IEC 61936-1:2021, 8.4.2; IEC 60364-7-712 (seccionamiento del lado de corriente alterna del inversor); IEC 62116 e IEEE 1547-2018 (protección contra la isla: no reemplaza el seccionamiento)

• El inversor solo inyecta con la red presente permitido

  Un inversor que sigue la red no energiza una red muerta: arranca, se sincroniza y empieza a inyectar solo cuando la tensión y la frecuencia están dentro de rango durante el tiempo de observación, y deja de inyectar si pierde la red. Habilitado sin red, espera; por eso, mientras no esté seccionado del lado de corriente alterna, cuenta como fuente.

  IEEE 1547-2018 (entrada en servicio y operación en isla no intencional); IEC 62116 (ensayo de la protección contra la isla en inversores conectados a la red)

• Se paran los inversores antes de abrir hacia la red advertencia

  Práctica de operación de plantas solares: antes de abrir la celda del transformador, el interruptor de baja tensión o el alimentador del colector, se reduce la potencia y se paran los inversores desde el controlador de planta o el SCADA. Abrir con los inversores inyectando corta la generación de golpe y los saca por la protección contra la isla, lo que queda registrado como un disparo.

  Práctica de operación (no es requisito de norma)

• Bloquear los seccionadores antes de poner a tierra advertencia

  La segunda regla de oro asegura los aparatos de seccionamiento contra un cierre: bloqueo del mando, candado y tarjeta. Sin ese bloqueo, alguien puede cerrar el seccionador desde el centro de control o el patio con la gente trabajando.

  EN 50110-1, 6.2 (regla 2); IEC 61936-1:2021, 8.4.3 (dispositivos contra el recierre)

• Verificar la ausencia de tensión antes de poner a tierra advertencia

  La tercera regla de oro: se comprueba con un detector de tensión probado antes y después, en el punto donde se va a poner la tierra. La posición de los seccionadores no basta: un retorno por otro circuito o un seccionador que no abrió del todo dejan tensión.

  EN 50110-1, 6.2 (regla 3); IEC 61936-1:2021, 8.4.4 (dispositivos para determinar el estado sin tensión)

• Un equipo bloqueado no se maniobra error

  El bloqueo y la tarjeta los pone quien tiene la consignación del trabajo. Maniobrar un equipo bloqueado deja sin protección a quien trabaja aguas abajo.

  EN 50110-1, 6.2 (regla 2); IEC 61936-1:2021, 8.4.3

• Se bloquean los seccionadores abiertos, no el interruptor error

  El bloqueo asegura un seccionamiento. El interruptor no lo es, y el bloqueo de un seccionador cerrado no protege a nadie.

  EN 50110-1, 6.2 (reglas 1 y 2); IEC 61936-1:2021, 8.4.2 y 8.4.3

• No dejar sin servicio una carga o una línea que la maniobra debe mantener error

  La orden de maniobra fija qué circuitos pueden quedar sin servicio: cargas que no pueden perder alimentación y líneas que no pueden quedar separadas de la subestación. Un corte no previsto es una interrupción al usuario y, en el sistema interconectado, un evento reportable.

  Orden de maniobra de la tarea

• Corte de una carga no previsto en la orden advertencia

  La carga queda sin servicio aunque la tarea no lo pedía. Revise la orden de maniobra.

  Orden de maniobra de la tarea

• Cierre de anillo o paralelo con interruptor permitido

  El interruptor sí puede cerrar entre dos partes con tensión. En servicio, ese cierre pasa por la verificación de sincronismo (25), que compara magnitud, ángulo y frecuencia.

  IEEE C37.2 (función 25); práctica de operación

• Enclavamiento de la bahía error

  El controlador de bahía solo habilita la orden si se cumplen las condiciones de enclavamiento del equipo (en IEC 61850, el nodo CILO entrega EnaOpn y EnaCls al CSWI). Las condiciones de esta subestación están en la tabla de enclavamientos.

  IEC 61850-7-4 (nodos lógicos CILO y CSWI); IEC 61936-1:2021, 6.2.16

• Enclavamiento por llaves del fabricante error

  Algunas estaciones traen un enclavamiento mecánico por llaves atrapadas entre aparatos que no están en la misma celda, por ejemplo entre el seccionador de la celda del transformador y el interruptor general de baja tensión: la llave de un aparato solo sale con él en una posición, y sin esa llave el otro no se maniobra. La cadena de llaves es la que describe el manual del fabricante; el simulador la aplica en las tareas que citan ese manual.

  Manual del fabricante citado en la tarea

• Transformador: se abre primero el lado de baja advertencia

  Práctica de operación habitual: al sacar un transformador se abre primero el interruptor de baja tensión (la carga) y luego el de alta, que interrumpe solo la corriente de vacío; al ponerlo en servicio, primero alta y luego baja. Así se evita cualquier retorno desde baja tensión. Solo aplica cuando el interruptor de alta deja de verdad sin servicio la carga: en un anillo o un diámetro, abrir uno de los dos interruptores de alta no la corta.

  Práctica de operación (no es requisito de norma)

Enclavamientos de esta subestación

Son las condiciones que el controlador de bahía exige para habilitar cada orden; en IEC 61850 las calcula el nodo lógico CILO de cada equipo y las entrega al CSWI como EnaOpn (habilita abrir) y EnaCls (habilita cerrar). Cuando hay varias opciones, basta con que se cumpla una. Son el esquema típico de esta configuración; cada subestación tiene el suyo en sus planos de control.

Los interruptores no llevan enclavamiento de apertura: deben poder abrir siempre, por orden o por disparo de su protección. Su cierre entre dos partes con tensión pasa además por la verificación de sincronismo (25).

Por qué cada maniobra prohibida es peligrosa

• Poner a tierra con los inversores solo parados

  Un inversor parado conserva su camino hasta la estación por el 52BT y el transformador. Si vuelve a arrancar, si su protección contra la isla falla o si alguien lo habilita desde el SCADA, alimenta de vuelta el transformador y lo eleva a media tensión, del lado donde está la tierra y la gente trabajando. Por eso se abre y se bloquea el 52BT, además de parar los inversores.

• Reenergizar un transformador después de un disparo por Buchholz

  El Buchholz actúa por gas o por flujo de aceite: casi siempre hay una falla interna. Cerrar de nuevo el 52T sin inspección puede convertir una falla incipiente en una falla franca dentro del tanque, con riesgo de incendio.

• Cerrar el colector sin aislar el cable fallado

  La protección del colector dispara otra vez y todas sus estaciones vuelven a salir; cada cierre sobre la falla somete a los cables y a las celdas a otra corriente de cortocircuito.

• Abrir el 89T o el 89B con su interruptor cerrado

  El seccionador no tiene cámara de extinción: abriría la corriente de vacío del transformador o la de carga de los cables con arco, frente al operador.

• Abrir hacia la red con los inversores inyectando

  La generación se corta de golpe y los inversores salen por la protección contra la isla; es un disparo que queda registrado y que el operador de red puede pedir explicar. Se reduce la potencia y se paran antes desde el controlador de planta.

Convenciones del diagrama

Los símbolos son los de IEC 60617, los que adopta el RETIE para planos eléctricos: el interruptor-seccionador se distingue del seccionador por el círculo en su contacto fijo, y los inversores se dibujan con sus relés de salida (contactor) sobre el símbolo del convertidor. El estado de cada equipo se lee en la posición de su contacto, cerrado o abierto (en los inversores, en marcha o parado), y nunca en un color. Los conductores con tensión van en magenta, los que no tienen tensión en gris oscuro y los puestos a tierra en verde y amarillo, el color del conductor de protección según IEC 60445. La barra de media tensión de la subestación colectora es la fuente de la red; los inversores solo inyectan cuando su estación tiene red.

Referencias

• IEC 62271-102:2018, seccionadores y cuchillas de puesta a tierra de corriente alterna: 5.102 (clasificación de cuchillas de tierra por capacidad de cierre en cortocircuito), 5.108 (corriente y tensión de transferencia de barras), 5.110 (corriente de carga de barras), 9.2.106 y anexo B (B.1: la capacidad de transferencia depende de la carga transferida y del tamaño del lazo). Nota 1 de la definición de seccionador: «sin cambio significativo de tensión» se refiere al by-pass de interruptores y a la transferencia de barras.
• IEC 62271-103, interruptores-seccionadores de más de 1 kV hasta 52 kV; IEC 62271-105, combinados interruptor-seccionador y fusibles; IEC 62271-200, aparamenta bajo envolvente metálica (enclavamientos de las celdas); IEV 441-14-12, definición de interruptor-seccionador.
• IEC 60050-441 (Vocabulario Electrotécnico Internacional), 441-14-05: definición de seccionador.
• IEC 61936-1:2021, instalaciones de más de 1 kV: 6.2.16 (enclavamientos eléctricos y mecánicos), 8.4 (medios para proteger a quienes trabajan en la instalación: 8.4.2 seccionamiento, 8.4.3 contra el recierre, 8.4.4 verificación de ausencia de tensión, 8.4.5 puesta a tierra y en cortocircuito, 8.4.6 protección contra partes vecinas en tensión) y anexo F.
• EN 50110-1, operación de instalaciones eléctricas, 6.2: las cinco reglas para trabajar sin tensión.
• IEC 61850-7-4: nodos lógicos CILO (enclavamiento) y CSWI (mando de equipos de maniobra).
• National Grid TS 3.01.01, esquemas de enclavamiento de subestaciones: acople que cierra solo con sus seccionadores ambos abiertos o ambos cerrados, y secuencia de transferencia de barras con carga.
• IEC 60617 (símbolos gráficos) e IEC 60445 (identificación del conductor de protección).
• Huawei, ficha técnica «JUPITER-9000K-H0 / STS-6000K/3000K-H1» y ficha de la STS-6000K-H1 (solar.huawei.com): composición de la estación, RMU en SF6 con celda de transformador de interruptor de vacío, relé 50/51 y 50N/51N, Buchholz e interruptores generales de baja tensión.
• Huawei, JUPITER-(3000K, 6000K, 9000K)-H1 Smart Transformer Station User Manual, edición 03 (2024-03-08), en inglés: celdas G1, G2 y G3 de la RMU (§2.4.4), enclavamiento opcional por llaves (§4.2.1 y §4.5.1, p. 69–72 y 84–88), energización (§4.2.3 a §4.7, p. 78–92), precauciones y espera de 10 minutos (§6.1, p. 104–105) y desenergización del transformador (§6.2 y §6.2.2, p. 106–110).
• CHINT Electric, NG7-12/24 (RMU), manual de instalación y operación, edición en ruso: funciones C y V, enclavamiento mecánico entre el interruptor-seccionador y la cuchilla de tierra, puerta del compartimento de cables (§3.2, p. 9), manómetro y secuencias de maniobra (§4.2.2, p. 13–14).
• IEC 62271-200, aparamenta bajo envolvente metálica de 1 kV a 52 kV (enclavamientos); IEC 62271-202, centros de transformación prefabricados de alta a baja tensión.
• IEEE 1547-2018, conexión de recursos distribuidos (entrada en servicio, isla no intencional); IEC 62116, ensayo de la protección contra la isla de inversores fotovoltaicos; IEC 60364-7-712, instalaciones fotovoltaicas; IEC 60947-2, interruptores automáticos de baja tensión aptos para seccionamiento.