EXTRACTO del CAPITULO 5 - LA CONTINUIDAD DEL SERVICIO.
DEL LIBRO: LAS REDES DE ENERGIA ELÉCTRICA
RENE PELLISIER
5.5. Aplicación: Estudio de una Falla Excepcional
5.5.1. Accidente del Noreste de los Estados Unidos USA del 9 de noviembre de 1965.
Después de una veintena de años los cortes de una hora o de mayor duración de una red vasta o potente, que alimenta toda una región o una gran ciudad (en su totalidad o solo en parte),se hicieron tan raros en el mundo que se pueden contar con los dedos de una mano. Los cortes de varias horas que provocan fuertes fenómenos atmosféricos en todas las redes aéreas se presentan en la escala de redes de Media Tensión y donde no perturban más que en el suministro de algunos Megawatts.
Separando los cortes que aproximadamente se presentan un año de cada dos, en Estados Unidos que afectan zonas reducidas y poco densas, cuando pasan los tornados, las redes de transporte no están jamas sometidas a fallas tan largas.
En Francia, por ejemplo, la ultima falla de 1 hora sobre la red de transporte se remonta a 1958 (N. de T.: la publicación es de 1971)
La falla que en la noche del 9 al 10 de noviembre de 1965 privo la ciudad de Nueva York, y todo el Noreste de los Estados Unidos (cinco estados de la Nueva Inglaterra además del estado de Nueva York) y parte del Canadá (sud de Ontario) con una duración de hasta más de 13 horas revela un aspecto sensacional.
Es entonces de interés estudiar el accidente y las dificultades que se presentaron al retomar el servicio, siendo esta una gran enseñanza. Esta es ilustración de todo lo que se dijo en el capitulo sobre los métodos a instalar para asegurar la continuidad del Servicio.
La falla afecto las redes del conjunto interconectado CANUSE (Fig. 36) (Canadá, Este de los USA) alimentado en el 74% por centrales térmicas (en el Sud y este de la red sobre todo) y el 25% por Centrales Hidráulicas (principalmente agrupadas en dos puntos, en el Niágara y en San Lorenzo).
La potencia cortada fue de 44000 MW (más del doble de la potencia de pico de Francia) que alimenta 30 millones de habitantes repartidos en 200 mil km2 y servidos por 28 empresas distintas de producción y de transporte y algunas otras que se limitan a la distribución siendo un total 42 sociedades independientes. La fig. 36 muestra el mapa de la red.
El conjunto de red esta dividido en 15 zonas que poseen cada una su propio despacho, totalmente soberana en su zona. Estas zonas están interconectadas por líneas a 345, 230 y 138 kV de manera que la supervisión (vigilancia) es compartida entre los 15 despachos según la ubicación geográfica de las instalaciones (ver fig. 37).
La falla comenzó el 9 de noviembre de 1965 a las 17 horas 15 minutos, sorprendiendo a los habitantes en el momento en que dejaban de trabajar para retornar a su casa. Esta falla duro algunos minutos en algunas zonas periféricas (los estados de New Hampshire) y dos o tres horas en los estados Canadienses de Ontario. Pero en toda la zona Central de Boston a Niágara Falls el servicio no fue restablecido antes de medianoche, mientras que en la ciudad de Nueva York, en algunos barrios céntricos cortados justo en el momento del pico no pudieron volver a ser alimentados antes de las 6 de la mañana.
5.5.2. Causas y desarrollo del accidente.
La cronología del periodo de extensión del accidente fue la siguiente:
- instante inicial (17 horas 16 minutos 11 segundos): desenganche bajo acción intempestiva de un rele de potencia de una de las cinco líneas que parten de la central Sir Adam Beck (sobre las caídas del Niágara) hacia el oeste (red de Hydro Ontario) potencia en transito por la línea 356 MW regulación del rele 375 MW sin temporización.
SE DESTACA: No se esta nunca al abrigo de tal inicio de accidente, pero aquí la regulación del rele esta demasiado próxima a la potencia máxima admitida, y esto tanto más tratándose de un rele de reserva, las fluctuaciones inevitables de la potencia de interconexión puede provocar el disparo intempestivo; por otra parte un rele de reserva normalmente debe estar temporizado.
- En los 2.7 minutos siguientes: desenganche sucesivo por sobrecarga (real esta vez) de las otras 4 líneas, si bien la carga de las 5 líneas, o sea 1500 MW que partían hacia la red de Hidro-Ontario era reinyectada hacia el estado de Nueva York.
SE DESTACA: estas líneas funcionan demasiado cerca de sus limites de sobrecarga no teniendo los reles de sobrecarga ninguna temporización.
- + 3 segundos : interrupción del conjunto de red que sirve el sud del estado de Ontario por el hecho que:
- el desenganche por sobrecarga de la interconexión entre el estado de Nueva York y el de Ontario en Massena (central del San Laurent), sobre la cual se había desplazado gran parte de la carga demandada por la red de Ontario.
- desenganche por pérdida de sincronismo de la unión entre las redes de Ontario y Detroit por una parte y la alimentación de las centrales del San Lorenzo por otra parte.
- insuficiencia de reserva rotante, en grupos térmicos habiendo muchos parados por mantenimiento, y en grupos hidráulicas que están próximos en su potencia máxima no pudiendo hacer frente a un pico de carga.
SE DESTACA:
1. el anillo formado por las líneas interconectadas alrededor del lago Ontario es demasiado heterogéneo y es incapaz de soportar tal golpe sin pérdida de sincronismo.
2. el hecho sobre todo en la punta de carga de disponer de una reserva rotante capaz de sufrir una pérdida de una o de dos fuentes más importantes.
- + 3 segundos 5 decimos: desenganche por sobrecarga de las líneas que ligan el estado de Nueva York con el de Pensylvania situado al sud, debido al aporte de la producción de Niágara del oeste hacia el sur, estas líneas (2 de 230 kV y 5 de 138 kV) son las únicas uniones entre dos potentes conjuntos interconectados: CANUSE y P.J.M. (Pensylvania, New Jersey, Maryland).
- después de disparo en los puestos de Rochester y de Clay los interruptores que enmarcaban el tramo de doble línea 345 kV que ligaba las Centrales de Niágara y el este del Estado de Nueva York y la Ciudad de Nueva York. Este doble disparo se hizo bajo la acción de los reles de distancia sensibles a fluctuaciones de potencia resultantes de la pérdida del sincronismo entre las redes Este y Oeste lo que hizo que el personal de estas estaciones creyera que se trataba de una avería de la línea.
- El conjunto de la red CANUSE queda entonces cortada en varias subredes independientes (como muestra el esquema de la fig. 38(, pero en algunos casos en esas subredes no se logro el equilibrio entre producción y consumo, y ellos volvieron a caer en falla una después de otra, salvo el estado de Maine (todo en el Este) donde el equilibrio fue restablecido a tiempo.
SE DESTACA:
1. las líneas entre los dos conjuntos interconectados CANUSE y P.J.M. son muy débiles para asegurar un auxilio serio.
2. la línea de 345 kV Niagara-New York es muy larga y muy débil, debido a la pérdida de sincronismo entre sus extremos, esta constituida en efecto por tramos de línea doble (450 Km en total) y un tramo medio (150 Km) de solo línea simple.
- Durante los primeros minutos se produjeron importantes oscilaciones de cargas en transito en las principales líneas y las variaciones de frecuencia correspondientes provocaron numerosos disparos. De esta manera las centrales del Niágara se encontraron cortadas de toda la carga suficiente e iniciaron a embalarse, lo que hizo subir la frecuencia. En las centrales térmicas cercanas, los reles de protección de frecuencia provocaron la parada de los grupos. Durante este tiempo, las variaciones de carga presentadas sobre los grupos hidráulicas del Niágara fueron tan bruscas que las reservas de aceite de los comandos "hidráulicas" fueron insuficientes y las protecciones correspondientes hicieron parar todos estos grupos uno después del otro.
- En cambio la vínculo entre las dos centrales del Niágara (lado Canadá y lado Estados Unidos) quedo en servicio a pesar de su sobrecarga momentánea gracias a la temporización de los reles de sobrecarga.
- En las centrales del San Lorenzo, las cosas ocurrieron en modo distinto después del corte de las líneas hacia el Canadá y los Estados Unidos: un dispositivo que estaba instalado en la central Massena para desenganchar los grupos uno después de otro en caso de separación de la red actual hasta que los grupos rotantes quedaron equilibrados con la carga de la red local, sobre la cual se encontraron en isla.
- La carga industrial muy fuerte de la mitad este del Estado de Nueva York privada de sus alimentaciones normales del Niágara y del San Lorenzo, y sus centrales térmicas locales que tienen reserva rotante insuficiente, al aparecer una brusca solicitación de carga proveniente del Sur (ciudad de Nueva York) y del Este (nueva Inglaterra). Esto resulta en una disminución rápida de frecuencia en toda esta subred lo que provoco el desenganche en cascada de los grupos térmicos por acción de la "protección de frecuencia" de los auxiliares (bombas, broyeurs, etc.) de estos grupos. Al mismo tiempo los distribuidores locales tomaron la decisión de desconectarse de la red, o al contrario de quedar enlazados totalmente al azar. Es así que la red de Convex (en el Connecticut) quedo totalmente aislada desde las 5 horas 17 minutos, pero cayo en falla de todos modos.
- SE DESTACA: La existencia de un despacho general habría evitado la mayor parte de los desenganches cortando rápidamente algunas cargas importantes para restablecer el equilibrio producción-consumo, lo que no fue realizado más que sobre la red local de la central Massena sobre el San Lorenzo. Dicho despacho habría podido vigilar la buena repartición de las reservas rotantes en el conjunto de la red ya que una parte importante de ella esta constituido por grupos capaces de tomar carga más rápidamente que los grupos térmicos clásicos (bombeo, turbinas de gas, etc.).
- En Nueva York la demanda de potencia de la zona situada más al norte y siempre ligada por la línea doble de 345 kV, provoco una brutal inversión del flujo en dicho vínculo y así también en las líneas más débiles con las redes antiguas como muestra el esquema 39. De una importación de 140 MW la red de la "Con Edison" debió hacer frente después de tres segundos a una exportación de 1050 MW. El despacho de la "Con Edison" intento en vano de conectarse por teléfono con la Central del Niágara para saber que pasaba antes de tomar una decisión.
- SE DESTACA : Una red de telecomunicaciones de alta seguridad, con prioridades para el despacho es indispensable en toda interconexión.
- Al cabo de uno o dos minutos, las calderas de las centrales térmicas de Nueva York expulsaran su vapor, antes que la reserva rotante prácticamente concentrada en un solo grupo (el grupo totalmente nuevo de 1000 MW) hubiera podido atrapar el golpe de carga. La frecuencia cayo lo que provoco la parada de los servicios auxiliares. Todas las centrales cayeron en falla, salvo una (Artur Kill en la isla de Statten Island). Además de los grupos fallados, tres sufrieron danos incluido el grupo nuevo de 1000 MW en sus cojinetes por falta de aceite debido a la parada de los auxiliares.
- SE DESTACA:
1. El hecho de repartir la reserva rotante en distintos puntos de la red.
2. La seguridad de la producción necesita fuentes independientes y seguras para alimentación de sus servicios auxiliares de central (alimentación de combustible, presión de aceite, etc.).
- El colapso de la red de la Con Edison se produjo a las 5 horas 28 minutos o sea 12 minutos después del inicio del accidente, entonces todas las redes vecinas (salvo Long Island) cayeron en falla total.
- Algunos islotes quedaron mientras tanto alimentados. En particular, en la ciudad de Nueva York, también se puede citar:
- La isla de Statten Island, alimentada por la Central Arthur Kill donde la potencia fue suficiente para satisfacer la carga, y que pudo mantenerse en isla, es decir aislarse del resto de la red, a la cual estaba conectada por un cable de 132 kV muy largo, lo que evito una demanda de potencia tan brusca como sufrieran otras centrales de Nueva York. Una pequeña fracción de la punta oeste de Brooklyn quedo enlazada a esta red.
- Varios rascacielos de Manhathan (llamados Carbide y Chase Manhathan Bank, Polyclinic Hospital y otros) donde la alimentación se asegura con uno o dos grupos diesel de arranque automático en algunos segundos.
- La Bell System, Compania que explota los teléfonos de Nueva York, alimentada por baterías de acumuladores capaces de suministrar la energía durante algunas horas; una turbina de gas de emergencia permite recargar las baterías.
- No es de interés mencionar a este efecto que la alimentación por pilas de los puestos receptores de radios a transistores jugaron un rol cierto, porque gracias a estos puestos fue evitado el pánico, como más de la mitad de las emisoras de radio funcionaban con sus generadores de emergencia.
- La torre del control del aeropuerto de Boston, que poseía una fuente de socorro, mientras que los aeródromos de Nueva York quedaron 6 horas en total falla y los medios de ayuda a la navegación), cada aeropuerto de Nueva York había juzgado suficiente tener 3 alimentaciones independientes a partir de la red de distribución. La luz de la luna y las comunicaciones de radio entre aviones permitieron hacer aterrizar la mitad de los aviones esperados; los otros fueron desviados.
- SE DESTACA: los usuarios vitales o solo muy importantes deben estar equipados de fuentes de emergencia autónomas. La mitad de los 150 hospitales de Nueva York no tenían, y a la falla tuvieron que solicitar generadores móviles.
5.5.3. El retornar el Servicio.
Esto fue relativamente rápido en el estado de Ontario que posee en su parte norte numerosas centrales hidráulicas que no habían sido afectadas por el accidente (varias no estaban interconectadas en ese momento con el sud). Esto podría haber sido más rápido si las centrales térmicas tuvieran los auxiliares independientes de la red, entonces sus auxiliares por los reles de baja frecuencia provocaron su parada total.
Las líneas que ligan las centrales del Norte a la región de Toronto, si bien más numerosas que aquellas que miran a la parte "americana" de la red CANUSE que tienen una capacidad limitada. Esto resulta en desenganches por sobrecarga lo que retarda la reposición total del servicio (lograda hacia las 20 horas 30 minutos, después de más de 3 horas)
Las razones que hicieron que la reposición en los estados de Nueva York, Connecticut y Masachusetts fueran retardadas son distintas:
- el desacople de la interconexión y de numerosas redes separadas se hizo al azar y más frecuente, si bien se tenia en general discordancia entre la estructura de las redes y la potencia de las fuentes aún disponibles en cada una de ellas.
- numerosas cargas (en particular la iluminación de la mayoría de los inmuebles de Nueva York) quedaron conectadas, provocando una demanda importante de potencia a cada prueba de reposición del servicio, lo que provoco que numerosos ensayos fueran infructuosos por insuficiente producción.
- el origen de la falla no fue conocido más que 5 horas más tarde, e inicialmente la mayoría de los responsables de explotación dudaron de reponer en tensión las líneas que creían defectuosas; las reacciones muy distintas de la red durante el periodo de extensión del accidente aprecian frecuentemente justificar tales aprensiones. Se juzgaron necesarias antes de toda maniobra visitas sistemáticas a las líneas para averiguar que estaban bien.
- el intento de reponer en servicio lo antes posible el tramo Rochester Clay de la línea 345 kV provoco un gran numero de enganches y desenganches sucesivos, hasta poner en crisis las reservas de aire comprimido (los órganos de maniobra utilizaban aire comprimido) imposible de generar faltando la alimentación eléctrica. Cuando hacia las 19 horas esta maniobra si hubiese resultado podría haber sido útil, no fue posible ya efectuarla.
- SE DESTACA : la presencia de un despacho central de la red interconectada había si no suprimido al menos reducido seriamente las dificultades que se han enumerado coordinando todas las maniobras efectuadas en el conjunto de la red.
- Las centrales térmicas que se habían parado no pudieron reponerse en marcha más que después de largos retardos necesarios para poder alimentar sus auxiliares a partir de fuentes lejanas, y esto también en Toronto, en Boston y en Nueva York como también en ciudades menos importantes. Frecuentemente las cargas muy importantes habían quedado conectadas lo que provoco nuevos accidentes locales redondeando la reposición del servicio.
- SE DESTACA:
1. el hecho de prever en cada Central de una fuente autónoma de la red capaz de alimentar los auxiliares vitales.
2. el desacople de la red debe tender a equilibrar producción y consumo.
- las centrales hidráulicas al contrario, fueron retomando el servicio, aún después de las verificaciones indispensables, en aproximadamente 20 minutos después de su disparo. Es así que la red de Rochester encontró su alimentación y podría haber retornado su servicio rápidamente, si una gran parte del personal no hubiera partido para visitar las líneas de 345 kV. Otra circunstancia favorable para la red de Rochester fue que su estructura radial permitía una reposición del servicio progresiva y bien controlada.
- en la misma New York, las dificultades particulares de una gran red subterránea se agregaron a las precedentes: se fallo al buscar la potencia necesaria para el arranque de los auxiliares de los puestos y sobre todo de las centrales de una de las dos solas fuentes disponibles: al sur la central de Arthur Kill que quedo en servicio, al Norte la estación de Pleasant Valley realimentada muy rápidamente por las centrales cercanas. Pero estas dos fuentes estaban situadas en los extremos de largos cables (ver fig. 40).La capacitancia de estos cables absorbe una potencia reactiva (-Q) muy grande, que atraviesa la impedancia (X) del mismo cable, y esto creo un aumento de la tensión relativa XQ/V (ver fórmula 3 del tomo 1 capitulo 6 - efecto Ferranti).
Fig. 36 - Plano esquemático de la red de interconexión CANUSE
Las estaciones se indican con una traza vertical.
Líneas 345/230/138 kV en numero de circuitos se indica por el numero de segmentos que cortan cada vínculo.
Las líneas de 138 kV que no juegan un rol en la interconexión no se han representado.
Limites de estados.
Fig. 37 - División de la red CANUSE en 15 zonas.
Despacho de zona.
Interconexión 345/230 kV.
Interconexión en tensión igual e inferior a 138 kV.
Fig. 38 - Desacoplamiento de la red CANUSE frente al accidente.
Separación de la red CANUSE en redes independientes algunos segundos después del inicio del accidente.
Transformadores.
Principales centrales: H hidráulicas, T térmicas.
Líneas de 345 kV.
Líneas de 230 kV o de tensiones menores.
Interruptor que abría 2 a 4 segundos después del primero señalado con X.
Limites de las subredes separadas.
Fig. 39 - Variaciones de intercambios de potencia de la red de la ciudad de Nueva York Con Edison con las vecinas durante los 3 segundos que siguieron el inicio del accidente del 9 de noviembre de l965.
- transito antes del accidente.
- transito 3 segundos después del inicio del accidente.
Fig. 40 - Alimentación de Nueva York
- vínculo 345 kV (1 cable existente y 1 terna de línea aérea).
- vínculo 138 kV (ídem)
- gran puesto de interconexión
- puesto de red
- control térmico
- central de bombeo prevista .
- vínculo de 345 kV prevista.
- En un cable en vacío, esta sobretensión alcanza valores peligrosos para el material. El único método posible es alimentar con el cable una carga suficiente para que su componente reactiva compense la potencia reactiva (-Q) del cable.
- La conexión de dicha carga suficiente pero no excesiva presenta la necesidad de que ciertos equipos sean desacoplados de la red por maniobras manuales en los puestos de barrios, esto demanda mayor tiempo y el hecho de asegurar la seguridad del personal y no enviar tensión hasta que todos los grupos hayan retornado.
- Es así que los 8 grupos de la Central de Hudson Avenue, lo más próxima a Arthur Kill fueron puestos en marcha uno después del otro entre las 21 horas 20 minutos y 23 horas 30 minutos (esta central alimenta parte del metro de Nueva York). Al mismo tiempo el servicio fue retomado progresivamente en el barrio Norte (Bronx) y los barrios del Este.
- El retomar del servicio fue más lento en la isla de Manhattan, servido por redes malladas en numero de 27, cada uno de los cuales constituido por un bloque de carga no separable de potencia entre 25 y 400 MW. Ellos fueron alimentados unos después de otros 10 por la mañana entre 3 horas 15 minutos, y 6 horas 16 minutos.
- Es necesario en efecto que los equipos de eliminación de falla pasen sucesivamente en cada uno de los puestos que alimentan estas redes para poner a todos los interruptores en posición adecuada.
- SE DESTACA: para la otra costa del Hudson, el Estado de New Jersey no fue afectado por la falla, y la reposición en servicio de la red de Nueva York había sido más rápida si hubiesen habido más nexos entre el "pool P.J.M." (Pensylvania-New Jersey-Maryland) de potencia parecida a las líneas de 345 kV Sprain Brook, Plasaint Vally que la ligan a la red del Niágara.
5.5.4. Conclusiones extraídas del accidente.
La "Federal Power Conmission" emitió cierto numero de recomendaciones que confirmaron las notas que se destacaron arriba; las principales son:
- necesidad de un autoridad única de la red de interconexión dirigida por una parte a un equipo cargado por su concepción y por otra parte a un servicio que controle la seguridad de explotación.
- estudio en común de la seguridad de la red (estabilidad, regulación de las protecciones), un alto nivel de seguridad debiendo estar por encima de las discusiones comerciales.
- equipamiento madero de materiales de medida y de telecomunicaciones y en automatismos.
- refuerzo de las interconexiones, para no dejar sola la larga arteria 345 kV Niagara-Nueva York.
- repartición de las reservas rotantes en toda la red, en función de su tiempo de escalada en potencia.
- control frecuente de los reles y de todos los automatismos.
- elaboración de consignas de eventuales reparaciones de etapas.
- equipamientos en fuentes auxiliares en todos los usuarios que no puedan tolerar un corte (hospitales e instalaciones de comunicación de todas las formas).
- modernización de la legislación, referente al control de la seguridad de la energía del plan de cada Estado en el plan federal.
Se hace notar que en la mayor parte de las redes europeas, y en particular E.d.F., medidas análogas fueron puestas en práctica después de largos años. Las redes de transporte poseen un mallado muy denso, y se tendrá ocasión en los capítulos siguientes de describir los automatismos utilizados en las funciones de despacho.
Se puede citar por ejemplo el accidente en la red de E.d.F. que tuvo al inicio la misma gravedad (por ejemplo: pérdida de 2000 MW) pero no implico más cortes de aproximadamente 30 minutos sobre las zonas limitadas por el funcionamiento de los automatismos previstos para estos efectos.
Se debe así subrayar que el programa previsto (decidido o en estudio) para reforzar la alimentación de la ciudad de Nueva York es capaz de asegurar una mucha mayor seguridad, como muestra la fig. 40 sobre todo si se cierra en lazo 345 kV de Nueva Inglaterra.
La compensación de cables de 345 kV con bobinas de inductancia y la separación de la red de auxiliares de las centrales térmicas son inicialmente las medidas decididas con objeto de reforzar la seguridad de la red.
