Estudio comparativo de una subestación para la evacuación de un parque eólico en México según la normativa IEC y ANSI

Abstract

Este proyecto pretende aportar luz acerca de las diferencias que se plantean a la hora de diseñar una subestación eléctrica según se utilice la normativa IEC (International Electrotechnic Commission), de aplicación mayoritaria en países de influencia europea, o la normativa ANSI (American National Standards Institute), en aquellos de influencia norteamericana. Entre dichas diferencias se incluyen distintas nomenclaturas o criterios, diferencias estructurales o de los mecanismos de los elementos y diferentes configuraciones. Como se ha explicado anteriormente, dichas normas habitualmente son utilizadas en países distintos con características diferentes. Sin embargo, estudiar las diferencias entre las normas goza de rigurosa actualidad e interés en ciertos países donde existe una coexistencia de las dos normas, debido a la influencia cruzada de ambos territorios, o de la transición en ciertos países desde una normativa hacia otra. Esta última situación es común entre varios países de América y en concreto de México, donde tradicionalmente se ha utilizado la normativa ANSI y que ahora se encuentra en transición hacia la adopción de la normativa IEC. En México, es común que las instalaciones de nueva construcción construidas por la empresa pública que se encarga del transporte de electricidad, CFE (Comisión Federal de la Electricidad), sean construidas en normativa IEC. Sin embargo, ambas normativas coexisten, y en subestaciones de generación privadas las instalaciones de nueva construcción pueden ser dimensionadas según normativa ANSI. Además, es común que, según la procedencia de los promotores de la instalación, una u otra normativa sea elegida. Es por ello de utilidad estudiar las diferencias desde un punto de vista técnico y económico para conocer la idoneidad de una u otra configuración. El estudio aprovecha el proyecto de construcción de una subestación de evacuación de un parque eólico de 230 MVA en el estado mexicano de Coahuila para analizar las diferencias del uso de las dos posibles configuraciones desde el punto de vista técnico y las implicaciones económicas de estas. Para llevar a cabo el análisis, se estudió la subestación por niveles de tensión, de mayor a menor (primero alta, seguidamente media y baja tensión). Previamente a los niveles de tensión se abordaron consideraciones previas, comunes a todos los niveles. Seguidamente de los niveles de tensión, se analizaron los sistemas de control y los sistemas de protección contra animales. Las consideraciones previas las componen únicamente el estudio de los niveles de aislamiento. Los niveles de aislamiento, marcados por el BIL (Basic Impulse Level), indican el nivel máximo de tensión que debe soportar la aparamenta ante un impulso tipo rayo . Las diferencias entre las normas en los niveles de aislamiento no radican en la manera de definir el BIL, sino en que según el nivel de tensión nominal una u otra será más restrictiva: Mientras que a bajas tensiones la normativa ANSI es más restrictiva, a altas tensiones IEC es más rigurosa. En este punto se abordó la alta tensión. Las diferencias que se encontraron en este punto son diversas. En el caso de los pararrayos, transformadores de tensión y transformadores de corriente, las diferencias no se encuentran en la forma física, en la función o en la configuración de los elementos, sino en las clases de precisión, protección o de la carga. Los interruptores automáticos, al contrario que el resto de los elementos anteriormente citados sí presenta diferencias de físicas. Los interruptores automáticos utilizados en ANSI, son interruptores de tanque muerto, donde el elemento de corte se encuentra a un potencial distinto del de la línea, mientras que en el de tanque vivo (IEC) se encuentra al potencial de la línea. Dicha diferencia permite que los transformadores de corriente en configuración ANSI puedan ser instalados en los terminales del interruptor, mientras que en la configuración IEC es necesario colocarlos de manera independiente. En este punto, se analizó el transformador de potencia. El transformador de potencia es un aparato idéntico para las dos normas, sin embargo presentan dos configuraciones distintas. La configuración ANSI acostumbra a utilizar dos arrollamientos en estrella; la configuración IEC sin embargo emplea un arrollamiento en estrella en el lado de media. Dichas diferencias provocan la necesidad de utilizar un transformador en zig-zag como neutro artificial en IEC, y a la vez permiten desarrollar una red de tierras mucho menos tupida que en la configuración ANSI, debido a la mayor corriente de cortocircuito en el secundario del transformador estrella-estrella. Se muestra a continuación:

En la media tensión, , la diferencia fundamental entre las normas se encuentra en la disposición física y la configuración de los elementos. Mientras que en normativa IEC se organizan en celdas y cabinas de media tensión en SF6, en normativa ANSI se instala en intemperie, La normativa IEC en media tensión resulta por tanto más eficiente en espacio y en instalación, ya que dichas cabinas se instalan preparadas de fabrica, además de ahorrar en mantenimiento y en posibles errores de conexión. Asimismo, la disposición en cabinas requiere de un edificio que aloje las cabinas que las proteja, por lo que se aprovecha el edificio de control para ello. En normativa ANSI en cambio, se utiliza a menudo una construcción simple prefabricada para el edificio de control. En baja tensión, la diferencia radica en la clasificación de la sección de los cables. En normativa IEC la sección se marca en unidades de área del sistema internacional (mm2). En normativa ANSI, se trata de una escala logarítmica, donde a mayor número menor el calibre del cable y viceversa. Los sistemas de control suelen utilizar distintos protocolos de comunicación en instalaciones según normativa ANSI (DNP3) e IEC (IEC61850), pudiendo requerir elementos intermedios (gateways) para comunicar dos sistemas con distinto protocolo. Se finaliza el estudio técnico con el análisis de la protección contra animales. Se trata de mecanismos especialmente importantes en lugares como Coahuila, que es especialmente prolífico en cuanto a lo que a fauna se refiere. La configuración en media tensión en intemperie requiere de dichas protecciones, especialmente contra aves, serpientes y ardillas. La configuración en celdas de media tensión tienen la ventaja en este sentido de que no precisan de sistemas de protección contra animales. Desde el punto de vista técnico, se puede concluir que la configuración IEC resulta más intuitiva y más fácil de entender en cuanto a nomenclatura, y además acostumbra a ser más eficiente en cuanto al uso de materiales, espacio ocupado, obra civil y mantenimiento, sin embargo le hace precisar de elementos adicionales. Desde el punto de vista económico, se ha asumido que las diferencias de nomenclatura, de aislamiento, de clases de precisión o medida o de protocolos de comunicación no provocan diferencias económicas. Tampoco se han considerado costes comunes a las dos configuraciones, por lo que el resultado obtenido sería una diferencia de precio entre las configuraciones, y no un coste total por configuración. Por ello, para las diferencias económicas se han considerado únicamente las diferencias de configuración. En alta tensión, las diferencias se encuentran en los transformadores de intensidad (que en ANSI se encuentran en los terminales del interruptor de tanque muerto), en el interruptor automático, en la necesidad de utilizar un transormador en zig-zag en IEC y en la red de tierras. A continuación se presenta la tabla resumen de los costes obtenidos en alta tensión: Como se puede observar, la configuración ANSI tiene unos costes más altos en la red de tierras y el interruptor automático, mientras que la necesidad de utilizar el transformador en zig-zag y los transformadores de corriente adicionales marcan la diferencia en coste a favor de ANSI. En media tensión, la diferencia de costes se da entre las cabinas de media tensión y la disposición en intemperie, el edificio de control y los mecanismos de protección contra animales. Se resumen a continuación:

En la tabla se aprecia que la configuración en intemperie resulta significativamente más costosa que la configuración en cabinas. El edificio de control típico en configuración IEC, sin embargo, resulta menos económico (aunque podría incluir otros usos como oficinas de operación y mantenimiento). Los sistemas de protección contra animales, no requeridos en configuración IEC, contribuyen a agrandar más la diferencia. Se puede concluir por tanto que, desde el punto de vista económico, en media tensión la configuración IEC resulta significativamente más económica, mientras que en alta tensión las diferencias no son tan relevantes. En total, se obtienen unos 270 mil USD de ahorro respecto a la configuración ANSI. Dado que el coste total estimado por la ingeniería de proyectos de una instalación en IEC sería de c.3,5 millones de euros, el uso de la configuración IEC produciría un ahorro de apenas un c. 7,7% respecto al de una instalación ANSI. Finalmente, se puede decir que la configuración IEC produce ventajas apreciables desde ujn punto de vista cuantitativo en el criterio económico y también cualitativamente siguiendo el criterio técnico, al ser una configuración más eficiente desde distintos ángulos, gozar de clasificaciones y nomenclaturas más intuitivas y a la vez más extendidas en el mundo, además de ser la norma de referencia del operador de red mexicano, lo que evitará sistemas de integración y diferencias de criterio entre ambas configuraciones.

This project aims to bring light on the differences that arise when designing an electrical substation depending on whether the IEC (International Electrotechnic Commission) standard is used, which is mostly applied in countries of European influence, or the ANSI (American National Standards Institute) standard, in those of North American influence. These differences include different nomenclatures or criteria, structural differences or mechanisms of the elements and different configurations. As explained above, these standards are usually used in different countries with different characteristics. However, studying the differences between the standards is of current interest in certain countries where the two standards coexist, due to the cross influence of both territories, and the transition in certain countries from one regulation to another. This last situation is common among several countries in America and specifically Mexico, where the ANSI standard has traditionally been used and which is now in transition towards the adoption of the IEC standard. In Mexico, it is common for new construction facilities built by the public company in charge of electricity transportation, CFE (Comisión Federal de Electricidad), to be built according to IEC standards. However, in private generation substations, new construction facilities can be sized according to ANSI standards. Often, depending on the origin of the promoters of the installation, one or another regulation is chosen. It is therefore useful to study the differences from a technical and economic point of view to know the suitability of one or another configuration. This study takes advantage of the project for the construction of a 230 MVA wind farm evacuation substation in the Mexican state of Coahuila to analyse the differences in the use of the two possible configurations from a technical point of view and the economic implications of the use of them. To carry out the analysis, the substation was studied by voltage levels, from highest to lowest (first high, then medium and then low voltage). Prior to the tension levels, previous considerations, common to all levels, were addressed. Following the tension levels, control systems and animal protection systems were analysed. Previous considerations are only composed of the study of the isolation levels. The insulation levels, addressed by the BIL (Basic Impulse Level), indicate the maximum voltage value devices must withstand under a lightning. The differences between the two norms in the insulation levels do not lie in the way of defining the BIL, but in that depending on whether the voltage level is high or low one or the other will be more restrictive: While at low voltages the ANSI standard is more restrictive, at high voltages IEC is more rigorous. At this point, elements on high voltage was addressed. The differences encountered on arresters, voltage transformers and current transformers were not physical or configuration ones, but on precision, protection and load classes. In case of the circuit breakers, unlike the rest of the elements mentioned above, do present physical differences. The circuit breakers used in ANSI are dead tank circuit breakers, where the breaking element is at a potential different from that of the line, while in the live tank (IEC) it is at the potential of the line. This difference allows current transformers in ANSI configuration to be installed on the circuit breaker terminals, while in IEC configuration it is necessary to place them independently. At this point, the power transformer was analysed. The power transformer is identical among the two standards; however, they present two different configurations. While ANSI configuration typically uses two-star windings; the IEC configuration uses a triangle winding on the medium voltage side. These differences make it necessary to use a zig-zag transformer as an artificial neutral point in IEC, and at the same time allow the development of an earthing network much less dense than in the ANSI configuration. That is because of the higher fault current in star-star transformers. An illustrative view of both earthing networks are shown below:

In medium voltage, notable differences are added in the physical disposition of the elements. While in the IEC standard they are organized in SF6 medium voltage cells and cabinets, in the ANSI standard they are outdoor installations. The IEC standard in medium voltage is therefore more efficient in space and installation, since these cabinets are manufactured in a way that they are set to be installed right away without civil work, in addition to saving on maintenance and possible connection errors. Likewise, the arrangement in cabinets requires a building that houses the cabins protecting them. The control building is used for this purpose often. In ANSI standards on the other hand, a simple prefabricated construction is often used for the control building. In low voltage, the difference lies in the classification of the section of the cables. In IEC standards, the section is marked in area units of the international system (mm2). In ANSI standards, it is a logarithmic scale, where the higher the number the lower the cable gauge and vice versa. Control systems use different communication protocols in the ANSI (DNP3) and IEC (IEC61850) standards, and they may require intermediate devices (gateways) in order to communicate two systems with a different protocol. The technical study is completed with the analysis of animal protection. These are especially important mechanisms in places like Coahuila, which is especially prolific when it comes to fauna. The outdoor medium voltage configuration requires such protections, especially against birds, snakes and squirrels. The configuration in medium voltage cells has the advantage in this sense that they do not require protection systems against animals. From a technical point of view, it can be concluded that the IEC configuration is more intuitive and easier to understand in terms of nomenclature, and also tends to be more efficient in terms of the use of materials, occupied space, civil works and maintenance. However, on certain occasions, it requires additional devices. From an economic point of view, it has been assumed that differences in nomenclature, insulation, precision or measurement classes or communication protocols do not cause economic differences. Nor have costs considered common to the two configurations, so the result obtained would cause a price difference between the configurations, and not a total cost per configuration. Therefore, for the economic differences, only the configuration differences have been considered. In high voltage, the differences are in the current transformers (which in ANSI are found in the terminals of the dead tank switch), in the circuit breaker, in the need to use a zig-zag transformer in IEC and in the earthing network. Below is a summary table of the costs obtained in high voltage: As it can be seen, the ANSI configuration has higher costs in the earthing network and the circuit breaker, while the need to use the zig-zag transformer and the additional current transformers make the difference in cost in favor of ANSI. In medium voltage, the difference in costs is between the medium voltage cabinets and the outdoor disposition, the control building and the protection mechanisms against animals. They are summarized below:

The table shows that outdoor ANSI configuration is significantly more expensive than cabinets. The typical control building in IEC configuration however, which requires civil works, is less economical, and animal protection systems, that is not required in IEC, contributes to widen the difference. It can therefore be concluded that, from an economic point of view, in medium voltage the IEC configuration is more economical, while in high voltage differences are very little; resulting in around 270 thousand USD in savings compared to the ANSI configuration. Given that the total estimated cost of project engineering for an IEC installation would be c.3.5 million euros, the use of that configuration over the ANSI one would produce savings of c.7.7%. Finally, it can be said IEC should produce significant benefits both through the economic and the technical criterion, as it is a more efficient configuration from different angles, enjoying more intuitive classifications and nomenclatures, being the most widespread in the world, in addition to being the reference standard of the Mexican network operator, which will avoid synchronization systems and differences of criteria between both configurations.