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SISTEMA DE MONITOREO DEL GAS SF6

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by

Alcides Báez Chavez

on 17 March 2017

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Transcript of SISTEMA DE MONITOREO DEL GAS SF6

SISTEMA DE MONITOREO DEL GAS SF6 EN UNA SUBESTACIÓN ENCAPSULADA
SUBESTACIONES ENCAPSULADAS
Ventajas de las Subestaciones Encapsuladas
Configuraciones usuales
Interruptor y medio
Juego de barras dobles
PROPUESTA TÉCNICA
RECOMENDACIONES
Conceptos Básicos
Juego de barras simple
Físicas
Introducción
NATURALEZA DEL PROYECTO
DESCRIPCIÓN
OBJETIVOS
GENERAL
ESPECÍFICOS
Desarrollar un sistema de monitoreo del gas SF6 para mejorar la operación y el mantenimiento en una subestación encapsulada.
Identificar los componentes principales de una subestación encapsulada del tipo 8DN8 y 8DN9.
Seleccionar los instrumentos de medición apropiados para la adquisición de las variables del gas SF6.
Determinar las principales variables que afectan las propiedades dieléctricas del gas SF6.
Propuesta de diseño
SISTEMA DE MONITOREO
Desarrollamos un sistema de monitoreo de las variables físico-químicas del gas utilizando sensores de uso especializado y un controlador programable a fin de procesar dichos datos.
Se elaboró un software encargado del procesamiento de los datos capturados que permitió la visualización del estado de las variables con sus respectivas alarmas cuando se diera alguna falla o avería, objetos del monitoreo a través de interfaces gráficas amigables.
Provisión de un registro de datos sobre las tendencias del gas en el tiempo. Dotando a los técnicos encargados, de datos estadísticos y comportamiento del sistema .
Desarrollar un sistema de monitoreo de eventos independiente, con el fin de tener un mecanismo de reacción ante posibles situaciones de emergencia que afectan la instalación, al personal y al medio ambiente.
¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN!
Diseñar un sistema eficaz y de fácil utilización, aplicable a las subestaciones encapsuladas existentes que realizan las lecturas de forma analógica.
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Universidad Nacional de Asunción
Facultad Politécnica
Ingeniería en Electrónica - Énfasis Control Industrial
Sistema de Monitoreo del gas SF6 en una Subestación Encapsulada
Autores
Alcides Báez Chávez
Roberto Raúl Romero Arroyo

Orientador
Ing. Carlos María Penayo Martí

San Lorenzo - Paraguay
Marzo - 2017

Una subestación encapsulada en SF6 (GIS, Gas Insulated Switchgear) es el conjunto de dispositivos y aparatos eléctricos inmersos en el gas dieléctrico Hexafluoruro de Azufre (SF6), blindados en envolventes de aleación de aluminio.
Subestación Parque Caballero - ANDE
Foto tomada por los autores
La diferencia más importante entre las GIS y las AIS es que la superficie ocupada por una GIS está entre el 30% al 40% del que le corresponde a una AIS de la misma tensión nominal y para las mismas funciones.
Otras ventajas de la GIS:
• Son a prueba de contaminación ambiental.
• Brindan una mayor seguridad para los operadores.
• No producen radio interferencia.

Es una configuración que cuenta con un solo barraje colector al cual se conectan los circuitos por medio de un interruptor. Es económica, simple, fácil de proteger, ocupa poco espacio y no presenta muchas posibilidades de operación incorrecta.
Esta configuración es flexible pues permite separar circuitos en cada una de las barras, pudiéndose así dividir sistemas; además, tiene confiabilidad pero no seguridad por falla en barras y en interruptores; es posible también hacer mantenimiento en barras sin suspender el servicio y por ello se usa en áreas de alta contaminación ambiental.
Juego de barras en anillo
En esta configuración no existe una barra colectora como tal, la conexión de los circuitos se realiza sobre un anillo conformado por interruptores, con los circuitos conectados entre cada dos de ellos. Para aislar un circuito es necesaria la apertura de los dos interruptores correspondientes, abriéndose así el anillo.
Un grupo de tres interruptores se conecta entre los dos barrajes principales. Se puede hacer mantenimiento a cualquier interruptor o barraje sin suspender el servicio y sin alterar el sistema de protección; además, una falla en un barraje no interrumpe el servicio a ningún circuito, presentando así un alto índice de confiabilidad y de seguridad
El Hexafluoruro de Azufre (SF6)
El gas hexafluoruro de azufre se descubrió aproximadamente en el año 1900 en Paris, Francia; sin embargo, no fue hasta años después que se empezó a utilizar en el diseño de equipos eléctricos. Su primera aplicación fue como medio aislante y posteriormente se utilizo como medio de extinción del arco eléctrico.
Es incoloro, inodoro, no tóxico y no inflamable.
Es 5 veces más pesado del aire.
La capacidad dieléctrica es de 2.5 a 3 veces la del aire.
Debido a su baja temperatura de ionización y su alta energía de disgregación posee excelentes propiedades de interrupción del arco.
Permanece en la atmósfera unos 3200 años.
Químicas
La molécula de Hexafluoruro de azufre, como su nombre lo indica, está formada por 6 átomos de flúor y 1 de azufre. El gas SF6 es un compuesto que establece enlaces covalentes entre sus átomos, o sea que ambos átomos comparten equitativamente un electrón de Azufre y uno del Flúor, sin que dichos electrones pertenezcan exclusivamente a ninguno de ellos.
Se produce por reacción directa a unos 300ºC de azufre fundido y flúor gaseoso.
Supervisión del gas SF6.
La potencia dieléctrica o capacidad de aislamiento en una GIS depende principalmente de la presión del gas. Las variaciones de presión debidas a variaciones de temperatura no afectan la capacidad dieléctrica, mientras la temperatura no baje hasta un grado tal que se produzca condensación.
Subestación Parque Industrial Hernandarias - ANDE
Foto tomada por los autores.
Estación Parque Caballero - ANDE. Foto tomada por los autores
Este proyecto abarca el desarrollo de un sistema de monitoreo de una subestación encapsulada, brinda la posibilidad de captar las variaciones en los principales parámetros: presión y densidad del gas SF6.
JUSTIFICACIÓN
En nuestro país el monitoreo del gas SF6 en las subestaciones encapsuladas se realizan de forma manual y con equipos analógicos, los cuales pueden estar ubicados en lugares de difícil acceso, dificultando la visualización de las medidas de los parámetros, aumentando el riesgo existente para el operador y la instalación en caso de una eventual fuga del gas SF6, y además el tiempo que conlleva tomar nota de las lecturas.
Proveer información precisa y en tiempo real de los principales parámetros del gas SF6.
Subestaciones encapsuladas en Paraguay
Comparación de las características físicas del gas SF6 con el aire
CONTENIDO
Características
Alto potencial de efecto invernadero
El SF6 es uno de los seis gases de efecto invernadero regulados por el protocolo Kyoto.
La contribución al efecto invernadero de un kilogramo de SF6 es 22.200 veces mayor que la de un kilogramo de CO2.
Peligrosidad
Según la norma NFPA 704 (National Fire Protection Association), el SF6 tiene los siguientes riesgos:
Salud: ligeramente peligroso.
Inflamabilidad: no inflamable.
Inestabilidad: estable.
Precauciones en el manejo del gas
El SF6 de uso corriente no es tóxico. Tampoco el gas SF6 utilizado en las subestaciones contiene contaminantes nocivos para la salud, no obstante el SF6 superiores al 19% en volumen requieren medidas de protección especiales, ya que podría existir peligro de asfixia.
Los productos en descomposición del SF6 presentan diferentes grados de toxicidad. Pueden originar irritaciones en la piel, en los ojos y en las mucosas. Si se respiran en grandes cantidades pueden ocasionar náuseas, mareos y edemas pulmonares.
Subestación GIS
Sensor SF6
PLC
SCADA
Protección
Alarmas
CONCLUSIONES
Expandir el sistema de monitoreo a las demás subestaciones en las cuales utilizan el gas SF6 como medio de extinción del arco eléctrico en los interruptores de potencia.
Estación Parque Caballero
Compartimiento Blindado
Manómetros de muelle tubular con transmisor de densidad incorporado en el interior de la caja.
Características

Indicación local con contactos de alarma
Indicación remota (salida 4 … 20 mA, 2-hilos), rangos de medida desde 0 ... 10 g/litro a 0 ... 80 g/litro.
Elevado nivel CEM, conformidad CE
Sellado hermético, resistente a efectos causados por fluctuaciones atmosféricas o variaciones de la altitud.
Alimentación: DC 10..30V
Temperatura de operación: -40..+60ªC
Principio: Piezorresistivo.
Especificaciones Técnicas
PLC S7-1500, CPU 1516-3 PN/DP
Alimentación de sistema: 120/230V AC/DC.
Memoria de trabajo para programa: 1MB.
Memoria de trabajo para datos: 5MB.
Entradas digitales: 16 x 24 VDC.
Salidas digitales: 8 x 24 VDC, 2A.
Entradas analógicas: 8 x U/I/RTD/ TC.
Memory Card: 12MB.
Protocolos soportados: TCP/IP, UDP, MODBUS.
Libreria SIPLUS RIC, IEC 60870-5-101, 60870-5-103, 60870-5-104.
Compatibilidad eletromágnetica (CE): Inmunidad a perturbaciones según IEC 61000-6-2
Controlador Lógico Programable
Sistema SCADA
Entorno de Programa
Modulo de Salidas
Digitales
Señal de bloqueo
Alarmas
LECTURAS DE ENTRADA ANALÓGICAS
tiempo de conversión = 23 ms.
EJECUCIÓN DEL PROGRAMA
= 10 ms.
ACTUALIZACIÓN SALIDAS DIGITALES
de 0 a 1 = 0,1 ms.
Estación Parque Caballero - ANDE
Enclavamiento del interruptor
INVERSIÓN NECESARIA
Comando de apertura
Mantenimiento
Señal del armario de control
Select - Local
Discrepancia de polos
Comando de apertura
Señal del armario de control
Señal de bloqueo baja presión SF6
NEG
OR
AND
AND
OR
OR
AND
Disparo
en servicio
en mantenimiento
RESULTADOS
La utilización de este sistema permite una optimización de las estrategias de mantenimiento, cambiando de basado en el tiempo a basado en la condición.
Aviso para calibración del sensor
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Programación del PLC
Lectura del sensor
Programa principal
Configuración de alarmas.
Sistema SCADA
Subestaciones Encapsuladas
Subestaciones encapsuladas en Paraguay
Hexafluoruro de azufre (SF6)
Naturaleza del proyecto
Propuesta Técnica
Resultados
Inversión necesaria
Conclusiones
Recomendaciones
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Itaipu Binacional
Entidad Binacional Yacyretá
Subestación Blue Towers
Futura Subestación Barrio Molino - ANDE
Evolución de la rigidez dieléctrica del aire y del SF6 en función de la presión,
Fuente: Schneider Electric. Cuaderno Técnico nº 171. La ruptura por auto-expansión. [en linea]. www.schneider-electric.es/es/download/document/CT-171-Z002/
Tabla elaborada por los autores
Fuente: Aula moisan. Subestaciones Electricas. [en linea].http://www.aulamoisan.com/software-moisan/subestaciones-electricas
Fuente: Aula moisan. Subestaciones Electricas. [en linea].http://www.aulamoisan.com/software-moisan/subestaciones-electricas
Fuente: Aula moisan. Subestaciones Electricas. [en linea].http://www.aulamoisan.com/software-moisan/subestaciones-electricas
Fuente: Aula moisan. Subestaciones Electricas. [en linea].http://www.aulamoisan.com/software-moisan/subestaciones-electricas
Fuente: NFPA 704. Standard System for the Identification of the Hazards of Materials for Emergency Response. NFPA. 31 Aug. 2014 [en línea]. http://www.nfpa.org/codes-and-standards/document-information-pages?mode=code&code=704
Fuente: WIKA Data Sheet modelo 233.52.100 TI [en línea]. http://www.wika.es/upload/DS_SP6005_GB_7922.pdf
Fuente: Siemens Industry. S7-1500 CPU 1516-3 PN/DP [en línea]. https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/59191914/s71500_cpu1516_3_pn_dp_manual_en-US_en-US.pdf?download=true
WIKA Data Sheet modelo 233.52.100 TI [en línea]. http://www.wika.es/upload/DS_SP6005_GB_7922.pdf
Fuente: Siemens Industry. S7-1500 CPU 1516-3 PN/DP [en línea]. https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/59191914/s71500_cpu1516_3_pn_dp_manual_en-US_en-US.pdf?download=true
Tipos
Dependiendo del nivel de tensión se clasifican en:
Monopolar
Tripolar
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D
D
En la Estación Parque Caballero se utilizan 22,5 kg. de gas SF6 por cada interruptor, se cuenta con 12 interruptores que totalizan 270 kg. de gas.
Estas cifras evidencian la gran contribución al efecto invernadero que puede llegar a tener en caso de una eventual fuga.
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Fuente:http://www.toshiba-tds.com/tandd/products/giswitchgear/en/agis.htm
Fuente: RODRIGUEZ, Francis. Subestaciones eléctricas encapsuladas. 2003. P. 8
Disponible en: http://www.eby.org.ar/
Foto tomada por los autores
Foto tomada por los autores
Fuente: Administración Nacional de Electricidad
Fuente: Administración Nacional de Electricidad
Disparo por relé de protección
Comando de apertura, remoto
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