Metodología de análisis de calidad de la potencia en un sistema de distribución de prueba basada en un modelo computacional

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(1)N° tesis. PROYECTO FIN DE CARRERA Presentado a. LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Para obtener el título de. INGENIERO ELÉCTRICO Por. ANDRES EDUARDO TAUTIVA MANCERA. METODOLOGIA DE ANALISIS DE CALIDAD DE LA POTENCIA EN UN SISTEMA DE DISTRIBUCION DE PRUEBA BASADA EN UN MODELO COMPUTACIONAL. -. Asesor:. Gustavo Ramos Lopez, Profesor Universidad de Los Andes. 1.

(2) 1.. INTRODUCCION ........................................................................................................................... 4. 2.. OBJETIVOS DEL PROYECTO DE GRADO ....................................................................................... 4 2.1.. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................. 4. 2.2.. OBJETIVOS ESPECIFICOS ...................................................................................................... 4. 3.. DESCRIPCION DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACION DEL TRABAJO ...................................... 4 3.1.. CONTEXTUALIZACION DEL PROBLEMA ............................................................................... 5. 3.2. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA .......................................................................................... 6. 3.3. MOTIVACION PERSONAL ..................................................................................................... 6. 4. MARCO TEORICO ......................................................................................................................... 6 4.1. DEFINICION DE CALIDAD DE LA POTENCIA (PQ) ................................................................ 6. 4.2. DEFINICION, CAUSAS Y CONSECUENCIAS DE FENOMENOS DE PQ .................................... 8. 5.. ESTUDIOS DE ESTADO DEL ARTE EN FENOMENOS DE PQ .......................................................... 8 5.1. ESTADO DEL ARTE DE PQ EN COLOMBIA ............................................................................ 8. 5.2. ESTADO DEL ARTE DE PQ A NIVEL INTERNACIONAL ......................................................... 10. 6.. REGLAMENTACION EXISTENTE SOBRE FENOMENOS DE PQ ..................................................... 12 6.1. REGLAMENTACION DE PQ EN COLOMBIA ........................................................................ 12. 6.2. REGLAMENTACION DE PQ A NIVEL INTERNACIONAL ....................................................... 13. 7.. DESARROLLO DEL PROYECTO DE GRADO .................................................................................. 13 7.1. DESCRIPCION GENERAL DEL SISTEMA DE DISTRIBUCION DE PRUEBA .............................. 13. 7.2. DESCRIPCION DETALLADA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCION DE PRUEBA .......................... 15. 7.2.1. SUBESTACION DE ENTRADA 11.4 KV/480 ................................................................. 17. 7.2.2. DESCRIPCION DE LAS CARGAS UTILIZADAS ............................................................... 17. 7.2.2.2.1. 8. 8.1. MOTORES DE INDUCCION TRIFASICOS ............................................................. 17. 7.2.2.2. CARGAS NO LINEALES............................................................................................ 18. 7.2.2.3. COMPUTADORES ................................................................................................... 18. 7.2.2.4. LAMPARAS FLUORESCENTES CON BALASTO ELECTRONICO ................................. 19. 7.2.2.5. VARIADORES DE VELOCIDAD ASD VSI ................................................................... 19. REPRESENTACION DE RELACIONES DENTRO DEL SISTEMA DE POTENCIA ............................ 20 RELACION SISTEMA DE DISTRIBUCION DISEÑADO – FENOMENOS GENERADOS ............ 20. 2.

(3) 9.. 8.2. REPRESENTACION CIRCUITAL FENOMENOS GENERADOR DE PQ Y VARIABLES DE ANALISIS 21. 8.3. UBICACIÓN FENOMENOS DE PQ EN SISTEMA DE DISTRIBUCION ..................................... 21. RESULTADOS Y SIMULACIONES ................................................................................................. 21. 10. DESCRIPCION DEL RESULTADO FINAL Y ANALISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS ........................ 25 11. RECOMENDACIONES PARA LA MITIGACION DE LOS FENOMENOS DE PQ ............................... 27 12. CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 27 13. AGRADECIMIENTOS................................................................................................................... 31 14. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................ 31 15. ANEXOS ..................................................................................................................................... 35 15.1. ANEXO 1 ............................................................................................................................ 35. 15.2. ANEXO 2 ............................................................................................................................ 39. 15.3. ANEXO 3 ............................................................................................................................ 41. 15.4. ANEXO 4 ............................................................................................................................ 43. 15.5. ANEXO 5 ............................................................................................................................ 46. 15.6. PROPUESTA ....................................................................................................................... 49. 3.

(4) 1. INTRODUCCION El presente documento contiene todo la información que fue desarrollada para el cumplimiento del proyecto de grado en ingeniería eléctrica así como los respectivos análisis y conclusiones que fueron hechas con base en los objetivos tanto general como específicos.. 2. OBJETIVOS DEL PROYECTO DE GRADO Los objetivos acordados finalmente junto con el asesor del proyecto el ingeniero Ph.D. Gustavo Ramos López para la realización del proyecto de grado fueron los siguientes:. 2.1.. OBJETIVO GENERAL.  Plantear una metodología de estudio de los problemas de PQ (calidad de la potencia) en un Sistema de Distribución basada en la representación de un sistema de prueba tipo computacional. 2.2.. OBJETIVOS ESPECIFICOS.  Definir un Sistema de Distribución en el que se puedan representar los diferentes fenómenos de PQ utilizando cargas residenciales, comerciales e industriales.  Generar fenómenos de PQ característicos de un Sistema de Distribución.  Caracterizar el problema de Distorsión de Voltaje en un Sistema de Distribución producido por uno o varios usuarios que producirán distorsión armónica en corriente.  Estudiar la influencia de las cargas desbalanceadas en PQ de un Sistema de Distribución.  Plantear recomendaciones en el diseño de los Sistemas de Distribución para corregir los problemas de PQ.. 3. DESCRIPCION DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACION DEL TRABAJO. 4.

(5) 3.1.. CONTEXTUALIZACION DEL PROBLEMA. Anteriormente, un par de décadas hacia el pasado los usuarios de la energía eléctrica solo tenían una preocupación por el servicio que era prestado por las empresas de distribución de energía, la cual estaba dada por tener una buena confiabilidad en el sistema eléctrico es decir, la preocupación principal que se tenía era la de tener un suministro de energía constante, sin los denominados “apagones”. El sector eléctrico de ese entonces tenía que alimentar principalmente tipos de cargas electromecánicas las cuales como su nombre lo indica utilizaban una combinación de partes eléctricas y mecánicas, ejemplos de estas cargas podrían ser los motores eléctricos y los dispositivos mecánicos accionados por este, relés, válvulas a solenoide, etc, los cuales podrían funcionar sin contratiempos con una calidad de energía de alimentación en el peor de los casos mala, es decir no eran cargas sensibles a los posibles fenómenos o perturbaciones que pudieran estas presentes en las redes eléctricas, considerando desde entonces que han existido los denominados problemas de calidad de la potencia, no en gran variedad como lo existe en la actualidad pero si unos cuantos. Con el pasar de los años debido a la evolución tecnología que se ha tenido en varios sectores de la economía como son: telecomunicaciones, sector industrial, sectores comercial, sector energético etc, y también que ha estado ligado con el crecimiento económico de las naciones, se ha tratado de mejorar la eficiencia de los diferentes procesos productivos, de la prestación de servicios finales, de mejoramiento de los productos finales de la industria(ejemplo: automatización de procesos industriales), todo esto como consecuencia de la competitividad por el mercado y por ser más rentables, por lo cual ha existido una alta proliferación de equipos y dispositivos electrónicos en los diferentes sectores que son industrial, residencial y comercial [1]. Estos dispositivos electrónicos diseñados en base especialmente a microprocesadores y microcontroladores, representan un tipo de carga que es altamente vulnerable a problemas de calidad de la potencia(los cuales se explicaran más adelante) las cuales son las cargas sensibles, considerando por otro lado las llamadas cargas críticas, las cuales también necesitan un buen suministro de energía. Adicionalmente a la proliferación de estos equipos y dispositivos, también ha existió un aumento de equipos que por el mismo motivo de mejorar de eficiencia de procesos han aumentado la generación de fenómenos de PQ, los cuales son los dispositivos de electrónica de potencia [2]. Por las razones anteriormente mencionadas es que tanto las empresas del sector eléctrico, al igual que los usuarios finales han comenzado a incrementar la preocupación en cuanto al tema de la calidad de la potencia, siendo más discutido y escuchado este término a partir de los años 80 [2]. Son varios los factores por los cuales se ha incrementado la preocupación de la calidad de la energía: el primero de ellos fue mencionado anteriormente con la nueva generación de equipos y dispositivos electrónicos los cuales son mucho más sensibles a los equipos utilizados en el pasado; el segundo tiene que ver con el crecimiento de dispositivos que mejoran la eficiencia 5.

(6) del sistema de potencia así como la eficiencia en cuanto al consumo de energía como lo son lámparas eficientes, ajustadores de velocidad, capacitores shunt para mejoramiento del factor de potencia, elementos de estado sólido de electrónica de potencia etc [3], los cuales tienen como resultando en el incremento de los armónicos en la red; el tercer factor se refiere a que los usuarios finales comenzaron a tomar más conciencia en cuanto a la calidad de la energía que les está llegando, por lo que ha existido una queja por parte de estos hacia las empresas del sector eléctrico; y por último los fenómenos de calidad de la potencia podrían generar pérdidas tanto técnicas como económicas(llegado a dañar equipos sensibles, pudiendo parar una producción industrial completa) [2] .. 3.2. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA. Como consecuencia entonces del auge de los equipos sensibles y críticos afectados por los fenómenos de calidad de la potencia presentes en la red eléctrica, se han realizado diferentes estudios entorno las causas y consecuencias de estos fenómenos, al igual que encontrarle solución a cada uno de estos, teniendo también en paralelo diseño de equipos de medición que hacen posible el monitoreo de las redes eléctricas, con lo que esto resultara en una evaluación de cómo está llegando la energía a los diversos usuarios. Por todas estas razones, este proyecto de grado se basa en realizar una metodología de análisis en calidad de la potencia de todos los fenómenos que se puedan encontrar en las redes eléctricas , obteniendo mediante una ayuda computacional(ETAP), un sistema de distribución de pruebas que tendrá como salida la generación de los problemas de calidad de la potencia.. 3.3. MOTIVACION PERSONAL. El tema de calidad de la potencia es un tema que como usuarios finales ya sea del sector industrial, comercial y residencial, nos está aquejando a todos, es un tema que ha venido cogiendo cada vez más fuerza y más interés en cuanto a la realización de estudios, y estando nosotros en una era donde la tecnología manda y deja obsoletos a los equipos antes utilizados, se hace mucho más visible y entendible porque una mala calidad de la energía eléctrica representa discordia en los usuarios del servicio. Adicionalmente a este punto de vista el cual hace que tenga un interés particular, la escogencia de este tema del proyecto de grado, se dio en base a la motivación de poder trabajar en conjunto con un estudiando que realiza la maestría en calidad de la potencia, por lo cual esto representara una ayuda para dicho proyecto y un interés mayor de mi parte.. 4 MARCO TEORICO 4.1. DEFINICION DE CALIDAD DE LA POTENCIA (PQ). Existen diferentes definiciones a nivel mundial en cuanto a qué significado tiene el termino calidad de la potencia, esto dependiendo de quien quiera realizar esta 6.

(7) definición ya sea usuarios finales, empresas de distribución, empresas de la industria etc. Esto ha causado una gran confusión en cada uno de los anteriormente mencionados por lo que ha existido la necesidad de realizar estandarizaciones de este término. El estándar IEEE 1159 la cual hace referencia a las practicas recomendadas de monitoreo de problemas de PQ, define calidad de la potencia como la gran variedad de fenómenos electromagnéticos que caracterizan las señales de voltaje y corriente, en un tiempo y determinado lugar dentro del sistema de potencia (Esta definición está enfocada más hacia la parte de compatibilidad electromagnéticas) La IEC (Comisión Internacional Electrotécnica) a través de su estándar 61000-2-2/4 y el CENELEC 50160(Comité Europeo de Normalización Electrotécnica) definen la calidad de la potencia como una característica física del suministro de energía, la cual se entregan en condiciones normales de funcionamiento sin producir perturbaciones en los procesos de los clientes. La legislación Colombiana por medio de organismos como la CREG(Comisión de Regulación de Energía y Gas) y la NTC(Norma Técnica Colombiana) basan su definición considerando el termino calidad de la potencia como una subdivisión del término calidad de la energía, en el cual también se considera la continuidad y calidad del servicio(Indicadores FES y DES) [4], por lo que tomando como referencia la definición de la IEEE(que es la que se basa principalmente la legislación Colombiana junto con otras ejemplo IEC etc) describen que la calidad de la potencia hace referencia al conjunto de características que definen la energía eléctrica(señales de voltaje y corriente) en un punto dado del sistema el cual presenta desviaciones de parámetros como amplitud, espectro en frecuencia y forma de onda, con respecto a una señal de referencia [5] [6] [7]. La calidad de la potencia abarca una gran variedad de fenómenos que se explicaran más adelante, teniendo en cada uno de estos unas causas asociadas y unas posibles soluciones para mitigarlos. El abordar el problema de la calidad de la potencia puede seguir unos lineamientos generales los cuales pueden ser de gran ayuda para tomar decisiones sobre este [2]. En la figura 1 se pueden ver los pasos básicos para la evaluación de la calidad de la potencia, el cual inicia con identificación de la categoría del problema de calidad de la potencia (las cuales veremos más adelante), es decir se necesita tener una adecuada información y familiarización con los diferentes fenómenos de PQ, sus características etc. Después de tener un buen concepto de esto, se procederá a la caracterización del problema, el cual incluye una etapa importante la cual será realizar las respectivas mediciones y recolección de los datos, por medio de estas mediciones podremos identificar posibles causantes de los fenómenos de PQ, características de la red y el impacto que pueden tener en los equipos. Siguiendo en el esquema de la figura 1 está la identificación de los rangos de soluciones, por lo cual dependiendo de las causas de los fenómenos de PQ, se le podrá dar responsabilidad a las empresas del sistema de 7.

(8) transmisión, empresas del sistema de distribución, interfaz usuarios empresa de distribución o si representa un problema técnico por parte de los equipos que sufrieron daños. Siguiendo con la metodología se tiene la evaluación de las posibles soluciones (simulaciones, teoría etc), y por último la escogencia de la solución óptima para resolver el problema que se tiene de PQ, estas soluciones necesitaran ser evaluadas dentro de unas especificaciones tanto técnicas como económicas, escogiendo finalmente la solución que primero resuelva el problema y segundo que sea viable económicamente [2].. Figura 1. Pasos básicos para la evaluación de la calidad de la potencia [2].. 4.2 DEFINICION, CAUSAS Y CONSECUENCIAS DE FENOMENOS DE PQ En el anexo número 1 encontraran una tabla pertinentes a las definiciones, causas y consecuencias de cada uno de los fenómenos de calidad de la potencia que se encuentran presentes en los sistemas de potencia, estas definiciones son de vital importancia para entender lo que sucede en el sistema de distribución de prueba.. 5. ESTUDIOS DE ESTADO DEL ARTE EN FENOMENOS DE PQ 5.1. ESTADO DEL ARTE DE PQ EN COLOMBIA. Recientemente fue entregado al público en general (Junio del 2010) los documentos finales del último estudio hecho acerca del estado de la calidad de la potencia en Colombia. Mediante el convenio número 1 entre la Universidad Tecnológica de Pereira(UTP) y la CREG titulado “APOYO ACADEMICO Y SOPORTE TECNICO EN LA DEFINICION DE LA REGULACION DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA EN LA ACTIVIDAD DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA”, el cual propone la revisión de la información del sistema de medición de fenómenos de PQ por parte de diferentes operadores de red del país y los cuales fueron reportados a la CREG. El análisis de la calidad de la 8.

(9) potencia en el sistema de distribución se basó en datos enviados por parte de los operadores de red en las semanas comprendidas del 25 al 48 en el año 2009 [14]. Como está estipulado en la resolución de la CREG 024 del 2005, los datos que fueron monitoreados y mandados por parte del operador de red (los formatos de envió de datos se encuentra en la resolución nombrada) fueron unos índices utilizados para estipular la calidad de la potencia: Pst, Desbalance de Voltaje (también cada 10 minutos), además de registrar si en cada intervalo de 10 minutos hubo interrupciones y desviaciones estacionarias de tensión por duraciones mayor a 1 minuto (cantidad y duración de cada una de estas). Por otro lado en otra tabulación diferente a la anterior se registraran los eventos que consisten en variaciones con duraciones menores a un minuto (sags, swell, interrupciones), en el cual el indicador calculado para cada fase fue la máxima desviación positiva o negativa normalizada (estas mediciones fueron hechas en cada barraje y cabecera del circuito para Pst y solo barraje para desviación de voltaje) [14]. Después de que fueron analizados los datos por parte de la UTP y sacado datos estadísticos para cada punto del sistema de potencia y la evolución por semanas, se obtuvieron los siguientes resultados para cada una de los operadores de red, los cuales fueron después comparados con normativas internacionales como las de la IEC. Tabla 1. Indicadores de PQ [14].. OPERADOR DE RED Pst(p.u) V2/V1(%) No Sags No Swell CETSA 0,5 0,0208 987 9 CENS 0,54 213 19345 CHEC 1,38 0,0126 8031 22 CODENSA 1,47 DISAPAC 0,63 0,0098 10 2088 EDEQ 0,95 15 7238 ELECTRICARIBE 0,96 0,2600 49203 944 EMCALI 1,2 1,3909 7384 762 EMEVASI 1,22 ENELAR 0,59 40 3850 ENERTOLIMA 1,42 5,2980 EPM 0,59 0,0160 1990 105891 EPSA 0,6 0,0197 30393 671 EMSA 13,6881 -. Las conclusiones más importantes a las que llego la UTP fueron las siguientes [14]: Comparando los valores del Pst de la tabla 2 con el valor dado por la norma IEC 610003-7, se encontró que 4 operadores (CODENSA, CHECH, EMCALI, EMEVASI Y 9.

(10) ENERTOLIMA) de los 13 que lograron hacerles análisis presentaron niveles mayores a los permitidos por nivel de compatibilidad (1.pu nivel I) esto se puede deber a fallas en la calidad de la potencia principalmente. Las consecuencias serían que los equipos conectados a esas redes presenten fallas. En cuanto al indicador global de el desbalance de tensión, se calculó que para el sistema eléctrico nacional de distribución es de 3.5347%, de los 9 operadores de red, dos están por encima de los valores de referencia (2% según IEC), que son EMSA y ENERTOLIMA. Con relación a los eventos registrados de sags y swell, lo que se encuentran consignados en la tabla 2 corresponden a los que se encuentra por fuera del rango seguro de las curvas ITIC y que representa algún peligro para los equipos electrónicos, de esa se puede decir que el operador de red EPM es el que presenta mayor número de swell, mirando la columna de sags, se observa que es ELECTRICARIBE quien presenta más fenómenos. En las gráficas ITIC que se encuentran en la referencia [15] se concluyó por parte de UTP que el 30% de los eventos de corta duración registrados por los operadores de red se encuentran en zona de riesgo para los equipos electrónicos En resumen se encontró en el ámbito nacional los siguientes resultados. Tabla 2. Indicadores Nacionales PQ [14].. Pst V2/V1 EVENTOS SAGS-SWELL 1,27 3,5347 30% ZONA NO SEGURA ITIC. 5.2. ESTADO DEL ARTE DE PQ A NIVEL INTERNACIONAL. Diferentes estudios especialmente en la parte de monitoreo de la calidad de la potencia en usuarios finales ya sean industriales o residenciales se han hecho a nivel mundial, algunos de ellos se presenta a continuación: “Simulation of Power Quality Problems on a University Distribution System” [16] Este paper presenta una investigación realizada en la Universidad de Queensland(Australia), en donde todo el sistema de distribución es modelado en el software ATP en el cual se simularan diferentes fenómenos de PQ como lo son los distorsión armónica, consecuencias de suicheo de banco de condensadores, sags de voltajes causados por fallas y energización de grandes motores, los resultados fueron comparados con índices internacionales para tener indicios de la calidad de la potencia en este sistema. Las cargas principales que se presentan son aires acondicionados, lámparas fluorescentes, computadoras, calentadores, motores etc. Este proyecto se 10.

(11) realizó porque existieron quejas de calidad de la potencia en años anteriores. El diagrama del sistema de alimentación a la universidad fue el siguiente:. Figura 2. Diagrama Unifilar Sistema de Distribución [16]. Las conclusiones de este estudio fueron las siguientes: El nivel de distorsión armónica de voltaje fue relativamente baja y cumplió con los límites establecidos en la IEEE-519-2002, sin embargo la distorsión de corriente armónica inyectada en la carga de usuarios finales si paso los limites; en cuanto el suicheo de banco de condensadores en nivel de 11KV el máximo nivel en el bus de 415 V fue de 1,53 p.u el cual puede causar mala operación de los equipos electrónicos de allí; en cuantos a los voltaje sags debido a SLG se encontró que para las barras de 415 y 208 V el valor fue de 0,65 y 0,74 p.u respectivamente, lo suficiente para mala operación de equipos electrónicos sensibles como controladores. Otro Proyecto de investigación interesante fue el presentado en el año 2007 en la 9th conferencia internacional “Electrical Power Quality and Utilisation” en Barcelona, el cual fue hecho en Brasil: “Evaluation and Trends of Power Quality Indices in Distribution System”. Resumiendo su contenido, este se basó en un estudio de monitoreo hecho al sistema de distribución de la empresa del sector eléctrico ELEKTRO, el cual fueron evaluados y caracterizados eventos como armónicos, eventos de corta duración (sags, swell, interrupciones), desbalance de voltaje, etc. Estos fueron monitoreados durante 2 años en subestaciones y alimentadores de diferentes niveles de tensión (138 KV, 88KV, 69 KV, 34.5 KV, y 13,8 KV) los resultados más importantes fueron los siguientes:. 11.

(12) Sags: más del 60% de los eventos tuvieron magnitudes entre 0,9 y 0,8 p.u y más del 80% de estos tuvieron duración igual o menor a 11 ciclos. Swell:el 76% de los eventos registraron voltaje máximo de 1,14 p.u THDV: el 74% de las barras monitoreadas presentan índices menores a 3%. 6. REGLAMENTACION EXISTENTE SOBRE FENOMENOS DE PQ 6.1. REGLAMENTACION DE PQ EN COLOMBIA. La CREG desde hace varios años se ha venido preocupando por la parte de calidad de la potencia, es por esto que ha emitido varias resoluciones, una de la más importante y la cual es la norma vigente de calidad de la potencia en Colombia es la Resolución 024 del 2005 siendo levemente modificada por la Resolución 016 del 2007. Estas dos apuntan en gran medida a que los operadores de red se preocupen por la calidad de la potencia que están entregando a los usuarios finales ya que la norma indica implementar un sistema de medición de calidad de la potencia así como reportar semanalmente estos datos a la CREG. En estas Normas se definen indicadores de calidad de la potencia que han sido adoptados en Colombia como muestra de cómo está la calidad de la potencia entregada, alguno de estos son Pst, desbalance de voltaje, THDv, etc. Los valores de referencia vigentes en la norma colombiana para estos son (Basados en normativas y recomendaciones internacionales (IEC-IEEE): THDv. Figura 3.Limites THDv adoptados de IEE 519-1992. Pst: Aun no se han adoptado valores de referencia, pero la propuesta del último estudio por parte de la UTP propone estos valores. Figura 4. Limites Pst propuesto de la IEC 610003-7. Estos dos indicadores fueron los propuestos por el informe final UTP-CREG para entregar, el resto de indicadores como desbalance de voltaje, sags, swell, eventos de larga duración se usaran para el autocontrol de cada operador de red y los índices se basaran el normativas y estándares internacionales como los de la IEEE e IEC [17]. 12.

(13) Adicionalmente a esto la NTC (Norma Técnica Colombiana) 5001 define uno valores límites para los fenómenos de PQ en el punto de común acople.. 6.2. REGLAMENTACION DE PQ A NIVEL INTERNACIONAL. Los dos organismos internacionales más representativos y los cuales cuentan con estándares y normas son la IEEE (recomendaciones) y la IEC (Normas, obligatorio cumplimiento) Básicamente la serie de Normas IEC que tratan el tema de calidad de la potencia es la serie 61000, donde se tratan entre otros temas sobre definiciones de PQ, técnicas de ensayo y medición, límites de emisión fenómenos de PQ etc, en cuanto a los límites algunos de ellas son las siguientes: IEC 61000-3-2(limites corriente armónica),IEC 61000-3-3(limites cambios de voltaje, flicker en bajo voltaje),IEC/TS 61000-3-4(Limites de corriente armónica baja tensión),IEC/TS 61000-3-5(limites cambios de voltaje, flicker en bajo voltaje), ,IEC/TS 61000-3-7(Limites Pst), IEC/TR 61000-3-6(Limites distorsión armónica) etc. En cuanto a la IEEE este define también límites para cada uno de los fenómenos de PQ, alguno de ellos son: IEEE 1159(Desviaciones estacionarias, Desbalance de Voltaje),IEEE 592(Limites THD), IEEE 1250(Flickers, Voltajes Sag). Cada uno de estos tiene enfoques diferentes o similitudes en la forma de analizar los límites de los fenómenos de PQ.. 7. DESARROLLO DEL PROYECTO DE GRADO De acuerdo a los objetivos específicos y al objetivo general que se presentó anteriormente, a continuación se presentara de manera detallada el diseño del sistema de distribución de prueba seleccionado, para generar dentro de este, los fenómenos de calidad de la potencia que se presentan con mayor frecuencia.. 7.1. DESCRIPCION GENERAL DEL SISTEMA DE DISTRIBUCION DE PRUEBA. Teniendo en cuenta que en Colombia, el tipo de sistema de distribución más utilizado en cuento a la facilidad de diseño e implementación es el sistema de distribución radial, se adoptó este parámetro para el diseño del sistema de distribución de prueba. 13.

(14) Teniendo en cuenta los amplios estudios de calidad de la potencia que se han hecho a nivel mundial, en donde se ha podido encontrar entre otras cosas que han existido estudios de calidad de la potencia sobre el sistema de distribución de varias universidades en el mundo con el ánimo de realizar una buena estimación que como se está realizando la llegada de tanto las señales de corriente como de voltaje a sus respectivos equipos y dispositivos que son utilizados entre otras cosas para proyectos de investigación, se escogido utilizar para el proyecto de grado esta iniciativa de sistemas de distribución sobre universidades ya que entre otras cosas el estar adentro de ella representa una facilidad para la visualización de los diferentes tipos de cargas que se presentan tanto lineales como no lineales, al igual que la escogencia de variables como relación de transformación, potencia instalada etc, que en algunas ocasiones resulta difícil de conseguir en los sistemas de distribución alrededor de Colombia, porque resulta siendo información confidencial de las empresas de distribución. Si se realiza un registro visual del sistema de distribución de la Universidad de los Andes, en este caso sobre el edificio Mario Laserna, resultara un sistema de distribución con demasiados nodos en cual no es la idea central del diseño del sistema de distribución de prueba, por lo que se tomó un área representativa de este edificio, donde concentrarían todo tipo de cargas tanto lineales como no lineales, que pueden ser utilizado en los sectores industrial, como residencial y comercial, esta zona escogía fue Sótano 1, donde se encuentra ubicados varios laboratorios entre los cuales se encuentran electrónica, civil e ingeniería química, por lo que resultara siendo un lugar adecuado para tener como base del sistema de distribución de prueba ya que se encuentran ubicados toda clase de equipos que podrán ser sensibles y causar la mayoría de fenómenos de calidad de la potencia. Ya establecido la base de la escogencia del diseño se asumió entonces que el sistema que alimenta el edificio Mario Laserna, entregara energía correspondiente solo a la carga establecida en el Sótano 1.Una de las razones por las cuales se decidió realización de la réplica de varios salones como se verá más adelante en donde cada uno de ellos tendrá prácticamente el mismo tipo de carga así como la cantidad de ella, se debió a que se realizó el siguiente análisis: si se tuviese un equipo electrónico, ejemplo de instrumentación, demasiado costoso y muy sensible a fenómenos de calidad de la potencia, se podría instalar en cada uno de estos salones? Presentado el argumento principal del porque se escogió un sistema de distribución radial, al igual que el porqué de la escogencia de las características principales del sistema, se muestra en la figura numero 6 el diseño final simplificado(el sistema completo se presenta en los anexos) del sistema de distribución de prueba.. 14.

(15) 7.2. DESCRIPCION DETALLADA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCION DE PRUEBA. Tal y como ocurre con el sistema de distribución de la Universidad de los Andes, esta estará conectada previamente, es decir las líneas de energía de entrada llegan procedentes de una subestación de 115/11.4 KV cuya ubicación no será tan relevante para los propósitos específicos del presente proyecto, y el cual a su vez es quien recibe líneas del Sistema de Transmisión Regional (esta subestación no solo alimentara el sistema de la Universidad de los Andes). Es por esto que el inicio del diagrama de la figura 5 se encuentra el transformador que simbólicamente y funcionalmente representara dicha subestación. Siguiente a ello la línea de 11.4 KV recorre cierta distancia hasta alcanzar la subestación que alimentara las diversas cargas concentradas como se mencionó en el literal 3.1 en el Sótano 1 del edifico Mario Laserna. La siguiente tabla tiene como intensión describir cada uno de los elementos que hacen parte del sistema de distribución de prueba ya sea como elemento parte de la red, como los causantes de los fenómenos de calidad de la potencia o como carga. Tabla 3. Descripción Sistema Diseñado. EQUIPOS/CARGAS/CAUSANTES DE PQ Fuente Generadora. DESCRIPCION GENERAL Voltaje Nominal: 115 KV Reactancia:421 mH Potencia nominal: 10 MVA Transformadores Trifásicos. Transformadores S/E AT-MT 15.

(16) Banco de Condensadores 11.4 KV. Líneas de Distribución. Impedancia de Cortocircuito: 12% Relación de Transformación: 115/11.4 KV Tipo: ∆-Y sólidamente aterrizado Banco Trifásico Y para corrección del factor de potencia en el área de influencia de la empresa y mejoramiento del perfil de voltaje Valor: 41 uF Líneas Aéreas con cable de guarda Distancia entre torres: 120 m Torre con disposición de líneas horizontal (*LA 109). Descarga Atmosférica Transformador S/E MT-BT. Tipo línea de fase: ACSR AWG 4/0 Tipo cable de fase: ACSR AWG 4 Resistencia de puesta a tierra: 20 ohm Longitud total: 700 m [18] [19] [20] 1.2 x 50 us(onda normalizada) [21] Valor de Cresta: 30 KA Potencia Nominal 500 KVA [22] Transformador Trifásico Impedancia de cortocircuito: 4 % [23] Relación de Transformación: 11.4 KV/480 Tipo: ∆-Y sólidamente aterrizado. Transformadores de Distribución. Motores. Modelo Computadores de Escritorio. Modelo Lámparas Fluorescentes. Potencia Nominal: 22.5 KVA Transformador Trifásico Relación de Transformación: 480/208-120 Tipo: ∆-Y sólidamente aterrizado Motores de Inducción Trifásico Potencia Nominal: 100 HP Voltaje Nominal:480 V Factor de Potencia: 0.85 Consumo de Potencia Unidad: 600 W [24] Factor de Potencia: aproximadamente 0.7 [25] Potencia Total por Salón:13 KVA THDI: aproximadamente 100 % [26] Carga Total Utilizada: 15 PCs por cada salón 5 Pcs por cada fase Generación de Armónicos Principales : 3-5-7-9 [26] Consumo de Potencia Unidad:2 x 40 W [27] Factor de Potencia: 1(corregido) Potencia Total por Salón: 960 W THDI: aproximadamente 110% [28] 16.

(17) -. Carga Total Utilizada: 12 juegos 2 x 40 W Fase A: 6 - Fase B: 4 – Fase C: 2 (Efectos de desbalance en la carga) Generación de Armónicos Principales : 3-5-7-9 [26] ASD(variador de velocidad) Variador de Velocidad utilizado para procesos productivos los cuales requieren de ellos y podrían ser: regulación temperatura de un centro de cómputo (compresor), regulación de velocidad cinta transportadora, Tornos, fresadoras, elevadores etc. Voltaje Nominal: 480 V Potencia Motor:12,4 KW Generación de Armónicos Principales: 5-7-1113-17-19 [26] *Numeración adoptada de la referencia [18]. La selección de la longitud total de las líneas aéreas desde la salida de la subestación de 115/11.4 hasta la entrada al sistema de distribución del Sótano 1, fue escogido como un valor promedio. Algunas consideraciones importantes a tener en cuenta están dadas a continuación. 7.2.1 SUBESTACION DE ENTRADA 11.4 KV/480 V A la llegada de las líneas trifásicas de 11.4 KV se encontraran con un transformador de distribución el cual alimentara en bajan tensión (480-120-208 niveles utilizados en la Colombia, Universidad de los Andes) las diferentes cargas tanto lineales como no lineales que se encuentra ubicadas para efecto del sistema de distribución de prueba en el Sótano 1. La Existencia de motores de inducción trifásicos se asume como parte de procesos de investigación en el departamento de ingeniería civil y para pruebas de laboratorio en las diferentes materias del departamento de ingeniería eléctrica. 7.2.2. DESCRIPCION DE LAS CARGAS UTILIZADAS. 7.2.2.2.1. MOTORES DE INDUCCION TRIFASICOS. Los motores de inducción son los motores más utilizados tanto en la industria como para labores domésticas, en la industria más que todo es utilizado los motores de inducción trifásicos, sobre todo los que tiene rotor de jaula de ardilla, esto debido a sus bajo costos de adquisición, poco mantenimiento y alta eficiencia [29]. Estos motores comprenden una amplia gama de aplicaciones en varios sectores de la industria como puede ser sector petrolero, sector minero, fábricas 17.

(18) de manufacturas etc, y aplicaciones específicas como montacargas, elevadores, trituradoras, cintas transportadoras, compresores etc. Su inclusión y validación dentro del sistema de distribución de prueba representara los motores de inducción trifásica que pueden ser utilizados en los laboratorios de ingeniería civil como puede ser aplicaciones de túnel del viento, tratamiento de aguas residuales etc. Este tipo de carga será uno de los generadores de los fenómenos de calidad de la potencia sags y swell, ya que la gran corriente de arranque que en la mayoría de casos está dada por tener un factor de 5, 6,7 veces su corriente nominal [16] , lo que hará será provocar una disminución en el voltaje de alimentación en la red eléctrica. Para que el efecto sea consecuente con una importante magnitud del voltaje sags, la potencia nominal del motor debe ser “grande” comparada con la potencia de alimentación en este caso de los transformadores. La generación del fenómeno Swell es consecuencia de la desconexión de los motores trifásicos ya que habrá una disminución en la carga que se reflejara en un aumento del voltaje. Para efectos de simulación en la herramienta ATPDraw, el modelo a introducir es el que corresponde a el del transformador, y donde allí mismo la carga mecánica es decir la masa que se conecta al rotor es representada por los parámetros momento de inercia, torque y factor de amortiguamiento los cuales son introducidos por sus equivalente eléctricos [30] 7.2.2.2 CARGAS NO LINEALES. Uno de los motivos por los cuales ha existido en los últimos tiempos estudios de calidad de la potencia es debido también a la alta concentración y proliferación de dispositivos y equipos hechos a base de dispositivos de estado sólido como lo pueden ser los diodos, IGBTs, tiristores etc, es decir a las aplicaciones de la electrónica de potencia. La inclusión de estas aplicaciones ha hecho que haya una mayor preocupación por tener una regulación y cuidado hacia los equipos sensibles a ellos. Algunos ejemplos de ello son los computadores en donde la fuentes conmutadas son las generadoras de armónicos en corriente, o en los balastos electrónicos los cuales sirven como sistema de arranca y posterior limitación de la corriente en las ya aceptadas lámparas fluorescentes cuya proliferación también ha sido más que importante (en lugar de las lámparas incandescentes), en donde también estos (balastos) son generadores de estos armónicos. 7.2.2.3 COMPUTADORES. Este tipo de cargas no lineales están presentes en casi todos los usuarios finales de los sistemas de distribución y también es el caso de lo que presenta el sótano 1. En total se tuvieron en cuenta para efectos de simulación( no tener un sistema muy grande y restricción de nodos) 6 salones del sótano 1 pertenecientes a ingeniería 18.

(19) electrónica, los cuales haciendo un estudio visual del mismo en promedio se obtuvieron 15 por sala, asumiendo que estos están prendidos todo el día con igual consumo en cada fase. 7.2.2.4 LAMPARAS FLUORESCENTES CON BALASTO ELECTRONICO. El sistema de encendido (gran voltaje) y limitación de la corriente (ya que se presenta un corto después de prenderse), al igual que trabajar con frecuencias muy altas de alimentación para mejorar la eficiencia de este mismo [25], es una aplicación de la electrónica de potencia, inicialmente el modelo correspondiente a un balasto electrónico se puede considerar como un rectificador de puente completo monofásico seguido por un enlace DC para posteriormente terminar con un inversor controlador que alimentara a la lámpara como tal [26], aunque de igual manera ya que este presenta casi la misma forma de onda, generación de armónicos y THDI similares a los de un computador [28], por simplicidad en el modelo se utilizó el mismo esquema de la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. haciendo los cambios respectivos en cuanto a valores. En cada uno de los salones del sótano 1 se realizado la aproximación de que se tienen 12 juegos de lámparas lo que se utilizó también para efectos de la simulación correspondiente. De igual manera se realizó una distribución por fase para producir desbalanceo, esto con el fin de realizar un análisis correspondiente (las lámparas fluorescente pueden que no estén todo el día encendidas como sucede con los computadores). 7.2.2.5 VARIADORES DE VELOCIDAD ASD VSI. Los variadores de velocidad son altamente usados en la industria principalmente para poder ajustar la velocidad de los motores de inducción como herramienta de control, esto se usara dependiendo de las necesidad de velocidad que se necesiten en el rotor del motor para controlar un proceso, son también ampliamente utilizado en aplicaciones industriales tales como ventiladores, aires acondicionados, tornos, fresadoras, bombas etc. El modelo circuital que es ampliamente utilizado en simulaciones es el que está compuesto básicamente por un inversor y rectificador trifásico teniendo en medio un enlace DC con voltaje casi constante(VSI), estos pueden ser los dos controlados o alguno de los dos, en ningún caso no controlado, por ende este control que se realiza sobre el dispositivo semiconductor mediante pulsos de control PWM(podrán variar el ángulo de disparo) podrá variar tanto el voltaje de salida como la frecuencia, lo que resultara en un cambio de velocidad del motor según el módulo de control. Sin embargo ya que tanto el rectificador trifásico como el inversor presentan la misma generación de armónicos ( ) el modelo se podría simplificar a un rectificador trifásico controlado y una fuente DC que representara los armónicos inyectados por el inversor y el motor. 19.

(20) 8. REPRESENTACION DE RELACIONES DENTRO DEL SISTEMA DE POTENCIA 8.1. RELACION SISTEMA DE DISTRIBUCION DISEÑADO – FENOMENOS GENERADOS. Algunas relaciones graficas que se pudieron extraer del sistema diseñado y los fenómenos generados se presentan a continuación. La siguiente tabla reflejara de manera resumida la ubicación de donde se causan, donde se refleja y donde se producen los diferentes fenómenos de PQ simulados, dentro del sistema de distribución diseñado. Nomenclatura Donde se refleja el problema de PQ? Donde se soluciona el problema de PQ? Donde se causa el problema de PQ? Tabla 4. Relación ubicación de causa, reflejo del problema y solución a los fenómenos de PQ generados. Ubicación en el sistema radial Cargas Tablero de Distribución Secundario. Tablero de Distribución Principal. Subestación MTBT(11.4/480) Líneas Aéreas Distribución Subestación ATMT(115/11.4) Transientes Sags Distorsión Impulsivo Swell Armónica Oscilatorio Tiempo (us, ms, horas, días) 20. Problemas de Puesta a Tierra.

(21) 8.2. REPRESENTACION CIRCUITAL FENOMENOS GENERADOR DE PQ Y VARIABLES DE ANALISIS. En el anexo número 2 se presenta una tabla correspondiente a cada uno de los fenómenos de PQ que fueron generados en el sistema de distribución de prueba así como las variables que caracterizan cada uno de estos.. 8.3. UBICACIÓN FENOMENOS DE PQ EN SISTEMA DE DISTRIBUCION. La Figura 6 ilustra en qué lugar del sistema de distribución diseñado se generan los diferentes fenómenos de PQ según la convención utilizada.. Figura 6. Ubicación fenómenos de PQ. 9. RESULTADOS Y SIMULACIONES Para la realización de las simulaciones se tuvieron en cuenta varios casos, estos corresponden a posibles combinaciones de los fenómenos de calidad de la potencia generados que puedan ocurrir simultáneamente, esto se hizo ya que no siempre se generan todos los fenómenos a la vez, algunas veces ocurren unos fenómenos y otras veces no, los diferentes casos que fueron simulados fueron los siguientes: A continuación se presentan los diversos casos de posibles combinaciones las cuales se pueden presentar los fenómenos de PQ en un sistema de potencia. 21.

(22) Tabla 5. Casos de PQ Simulados. Caso. Transiente Impulsivo. 1 2 3 4 5 6. Transiente Oscilatorio. Sag. Swell.  . .   . .  . THDI. THDV.      .      . Problema de Tierra      . En donde la casilla seleccionada querrá decir que ocurrirá el evento de calidad de la potencia. Para cada uno de estos casos se realizaron mediciones de voltajes y corrientes en los diferentes nodos de interés como lo fueron cada una de las cargas y el PCC del sistema. A continuación se presenta de manera resumida y en grafico de barras los diferentes valores de las variables que caracterizan a los fenómenos de calidad de la potencia generados en cada uno de los puntos de interés, cabe aclarar que los tiempos máximos de sags debido a arranque de motores están dado por un máximo de 1 segundo y el que es debido a fallas tiene una duración máxima de 100 ms. En el anexo 4 encontraran de manera más detallada los datos de salida de las simulaciones para cada uno de los casos, en estas figuras que aparecen a continuación se resume esta tabla del anexo mencionado.. Caso 1 THDI(%). THDV(%). Corriente Neutro(Amperios). 94,94 67. 62,70 50,70. 50,68. 0,29. 4,68. 1,21. 1,20. PCC. PC-Lamp.. ASD. Sec. Trafo 480 V. Figura 7. Resultados Caso 1. 22.

(23) THDI(%). Caso 2. THDV(%). Corriente Neutro(Amperios). Impulso.T(p.u). 94,94. 67. 62,7 50,7. 50,68 30,08 4,68. 0,29 PCC. 2,44. 1,21. PC-Lamp. 3. 2,45. 1,2. ASD. Sec. Trafo. Figura 8. Resultados Caso 2. Caso 3 THDI(%). THDV(%). Corriente Neutro(Amperios). Impulso.O.(p.u). 94,94 67. 62,7. 50,68. 0,29 PCC. 2,15. 4,68. 1,12. PC-Lamp. Figura 9. Resultados Caso 3. 23. 1,21 ASD. 1,73.

(24) Caso 4 THDI(%). THDV(%). Sag p.u.. Swell p.u. Corriente Neutro(Amperios). 94,94. 67. 8,48. 4,69 1,67 0,97 PCC. 62,7. 1,01 0,90. 1,21 1,20 0,87. 0,87 1,48 1,55 1,20. ASD. Motores. PC-Lamp Figura 10. Resultados Caso 4. Caso 5 THDI(%). THDV(%). Sag p.u.. Corriente neutro(Amperios). 94,94. 67. 62,7. 50,68. 0,29 0,67 PCC. 4,68. 0,66. PC-Lamp. Figura 11. Resultados Caso 5. 24. 1,2. 0,66. ASD.

(25) THDI(%) Sag p.u. Corriente neutro(Amperios) Impulso.O. 94,94. Caso 6. THDV(%) Swell p.u. Impulso.T.. 67. 62,7. 30,78 8,48 1,67 0,67 PCC. 1,5. 4,69 0,66 1,01. 1,2. 1,2. 1,21 1,15 1,61 1,62 1,48 0,66 1,55 1,12 1,28 1,28 0,66. PC-Lamp. ASD. Motores. Figura 12. Resultados Caso 6. 10. DESCRIPCION DEL RESULTADO FINAL Y ANALISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS Tal y como fueron especificados los objetivos a cumplir, los resultados de las simulaciones que se mostraron de la figura 8 a la figura 13 evidencian claramente con los valores de THDV, TDHI, Sag, Swell, Impulso Transiente, Transiente Oscilatorio, Circulación de corriente por el neutro, que estos corresponden a los valores establecidos en la literatura y por ende son validos a la hora de representar los fenómenos de calidad de la potencia. La validación del sistema de distribución diseñado en el presente proyecto se da con base en los datos de salida de las simulaciones comparadas con valores de referencia los cuales definen los rangos en los cuales se precisan los fenómenos de calidad de la potencia. A continuación se presenta una breve descripción de los resultados obtenidos para los distintos fenómenos de calidad de la potencia generados. En cuanto a los resultados obtenidos por voltajes Sags, los cuales están definidos en la literatura como variaciones del voltaje entre 0,9 a 0,1 estos fueron generados por parte de los motores de inducción trifásica y los cortocircuitos, en este caso se quiso evidenciar el peor de los casos que se da cuando existen una falla en las tres fases, los resultados finales concluyen por parte de los sags, y como lo dice la literatura de calidad de la potencia, que normalmente los sags debidos a motores de inducción trifásica presentan la característica con respecto a los cortocircuitos, que los primeros presentan una 25.

(26) duración en el peor de los casos del orden de segundos y bajas magnitud comparadas con los cortocircuitos, eso también se tuvo en cuenta en el diseño del sistema de distribución colocando un tiempo de despeje de la falla del orden de milisegundos, al igual que se obtuvieron magnitudes de voltajes sags por cortocircuito mucho menor que las presentadas por los motores de inducción trifásica. La generación del voltaje Swell, el cual nos muestra las figuras 4 y 6 con valores en promedio de 1, 2 p.u son valores aceptados como sobretensiones de corta duración, en este caso su generación se debido a la desconexión de los motores de inducción trifásica. Del mismo modo analizando los resultados de la generación de armónicos en corriente, inicialmente se logro obtener las formas de onda que representan en los sistemas de potencia las cargas no lineales, estos se podrán observar en los anexos correspondientes, en donde se puede evidenciar que tanto el contenido armónico de estos así como el THDI corresponden a valores que se encuentran normalmente en las instalaciones eléctricas, por lo tanto corresponde a un modelo real de cargas lineales. En cuanto a el efecto que tuvo sobre el sistema de distribución de prueba las cargas no balanceadas, en este caso simulando desbalance de las lámparas fluorescentes, este se evidencio con el resultado de circulación de corriente por el neutro del sistema y siendo además una carga con contenido de armónico 3,5,7,9,11 etc, estos también se vieron reflejados en el neutro, tal y como esta mostrado en los anexos correspondientes(4), esto se da ya que si se tuviese carga balanceada aun con estos mismos contenidos de armónicos, el espectro correspondiente en el cable de nuestro solo se obtendría los armónicos de secuencia cero(lo cual se obtuvo de la circulación de corriente por el neutro de los computadores)pero como no es el caso además de los de secuencia cero se obtuvieron otros armónicos allí una alta corriente por el neutro el cual fue el caso donde 60 Amperios RMS están transitando hacia el neutro del transformador podría acarrear una subida en el voltaje línea-neutro lo cual representa un problema especialmente en dispositivos electrónicos. Esta circulación de corriente armónica que se obtuvo por el neutro del transformador así como la corriente de circulación por la fase, cuando recorrer parte del sistema de potencia encontrando impedancia a su alrededor genera distorsión armónica en voltaje, el cual en el sistema diseñado se evidencio más que todo alrededor de las cargas no lineales, con valores aproximados de 4 %, siendo este el valor con mayor magnitud en el sistema como consecuencia de que es donde se presenta la mayor distorsión armónica en corriente la cual se diseño alrededor de 100%.Una de las causas para que se obtuviera una distorsión armónica más baja en el lado del PCC y como esta descrito en el numeral 8, fue debido a que los transformadores en configuración delta bloquean los armónicos de secuencia cero, razón por la cual la distorsión fue menor en ese nodo del sistema. La caracterización de la distorsión armónica en voltaje entonces tendrán que ver con dos elementos esenciales, uno está dado por la inyección de corriente armónica en la red y la otra con el nivel de cortocircuito del sistema. Una relación alta de corriente distorsionada con un alto nivel 26.

(27) de impedancia de cortocircuito en un punto dado del sistema aumentara la distorsión armónica en voltaje, fue por esto que realizando un análisis de sensibilidad en cuanto al aumento de esta impedancia en el punto de la reactancia del generador de 115 KV, se corroboro tomando un punto de referencia el cual fue la entrada a las cargas de computadores y lámparas fluorescentes, que el THDV aumentó en cuanto se disminuía el nivel de cortocircuito de la red(ver anexo 3) Los resultados de eventos impulsivos y oscilatorios se tomo como el máximo valor negativo o positivo que genero sobretensión, es decir lo que se trato de hacer fue realizar el peor caso el cual correspondía a cuando ya sea la descarga atmosférica o los oscilatorios recaían sobre el pico de la señal de voltaje, por ende se tomo como variable el voltaje máximo generado mas no la magnitud como tal de estas. En el anexo numero 3 se evidencia que en cuanto a los transientes oscilatorios que fueron generados solo en la fase A, resulta haber consecuencias en las otras fases, esto se debe a que existe un acoplamiento entre las fases lo cual lo que hará será reflejar el fenómeno en ellas, por otro lado se genero que suicheos en la fase A eran menores en magnitud que de las distintas fases y esto pudiese tener explicación en el hecho de que como se tomo el valor máximo, esto depende del tiempo en el cual suceda el evento, y como las fases están desfasadas estas no ocurrirán en el mismo tiempo.. 11. RECOMENDACIONES PARA LA MITIGACION DE LOS FENOMENOS DE PQ Ver tabla 6.. 12.. CONCLUSIONES. La alta proliferación que han tenido en los últimos años los dispositivos y equipos electrónicos para aplicaciones de control en la industria, así como los dispositivos de electrónica de potencia en aplicaciones de conversión de energía con mejoramiento de la eficiencia, es lo que ha hecho que se haya aumentado la preocupación por la manera en cómo está llegando las señales tanto de corriente como de voltaje a cada uno de los usuarios finales, ya sea como industriales, residenciales y comerciales. Es por esto que durante los últimos años se han comenzado a realizar estudios de calidad de la potencia tanto por medio de mediciones como por medio de simulaciones en herramientas computaciones. Un estudio computacional de calidad de la potencia en cuanto a la caracterización de esta comienza teniendo un sistema de potencia el cual pueda generar la mayoría de fenómenos que con más frecuencia se encuentran en los sistemas eléctricos para posteriormente realizar la caracterización y solución óptima de cada una de ella por medios computacionales, es por esto que el presente proyecto de grado se enfocó en la primera parte de un estudio computacional de calidad de la potencia, pudiendo representar en este varios fenómenos. 27.

(28) Tabla 6. Recomendaciones Solución Fenómenos de PQ. FENOMENO DE PLANTEO DE RECOMENDACIONES PARA MITIGAR LOS EFECTOS DE PQ PROBLEMAS PQ Transiente  Diseño optimo del apantallamiento con cables de guarda en las Impulsivo torres de energía. Transiente  Realizar un buen diseño del sistema de puesta a tierra de las Oscilatorio estructuras que soportan las líneas de energía (un camino de muy baja impedancia), de esta manera se mitigara la onda viajera que prosiga su camino en todas las direcciones.  Diseño optimo del sistema de protecciones tanto en media tensión como en baja tensión.  Transformadores de Aislamiento en las cargas criticas  Supresores de Sobretensión(paralelo sobre las cargas criticas). REPRESENTACION CIRCUITAL. Figura 13. Transformador de Aislamiento [2]. Figura 14. Supresores de Sobretensión. Distorsión Armónica en Corriente Distorsión Armónica en Voltaje Problemas de Tierra. 3 soluciones generales  Filtros Pasivos:  Establecen un camino de baja impedancia de forma que los armónicos circulen por este y no por la red eléctrica. Ubicación en paralelo con la carga. Existen situaciones en las cuales adicional al filtro en paralelo con la carga se tendrá otro filtro en serie a la carga para aumentar la impedancia a altas frecuencias. La desventaja que presenta esta última solución es que podrá aparecer un gran voltaje distorsionado en la carga.  Transformadores de Aislamiento y Reducción de Armónicos:  Utilización de transformadores en ∆ son utilices como transformadores de aislamiento ya que los amónicos de secuencia cero son absorbidos por el embobinado y no se propagaran aguas arriba en la 28. Figura 15. Filtro Pasivo [31].

(29) red eléctrica. Por otro lado los que no son de secuencia cero si pasan..  Transformadores con bobinado zigzag para atenuación de armónicos secuencia cero..  Filtros Activos:  Filtro utilizado en situaciones en las cuales a diferencia de los pasivos, no son utilizados para un determinado grupo de armónicos si no para una amplia gama. Su funcionamiento se basa en introducir los mismos armónica que genera la carga pero con signo contrario para su eliminación. Su valor se atenúa aproximadamente 90 %(Costosos).  Transformador de aislamiento cerca a la carga, con esto lo que se logra es reducción de la distancia línea neutro y por ende reducción del voltaje línea neutro [31]. Figura 16. Transformador de Aislamiento [32]. Figura 17 Filtro Activo [31]. Sags Swell. La Solución tradicional consiste en instalar equipos que mantengan el nivel de tensión deseado mediante reguladores de voltaje.  UPS para equipos de baja potencia media y alta potencia (no tiene mucho tiempo de autonomía) y alta importancia ejemplo computadores (pueden estar controlando procesos productivos o bases de datos en bancos etc). (300 KVA-10MVA)Tiempos de respuesta de UPS modernas ejemplo GE menos de 1/3 de ciclo.  Cuando se trata de grandes cargas y bajadas de tensión profundas se utiliza un DVR (Restablecedor de tensión Dinámica). Este se acopla directo a la carga y genera la parte de la alimentación q falta (LV-MV 2 a 20 MVA).  Reguladores Automáticos de Control(AVR):Disminuyen el tiempo 29. Figura 18. Estructura AVR [33].

(30) de respuesta, no necesitan banco de baterías ejemplo: Estabilizador Electrónico de tensión(EVS):Respuesta Muy rápidaAlto Costo - CVTs: Respuesta Raída- Costo Medio(más bajo que EVS) -Cargas constantes y bajas Relación de Costos por KVA(mayor a menor): EVS-CVT-UPS-DVR  Utilizar arrancadores en los motores de inducción trifásico: Insertar impedancia enserio con el motor  Arrancadores ∆-Y, al principio se conecta el estator en Y el cual reduce. Figura 19. UPS. el voltaje de arranque en aproximadamente 57 % del voltaje línea-línea, por lo que la corriente de arranque se reduce en un 33%, después se conecta normal el ∆ [2] [32]. Figura 20. DVR. 30.

(31) Los diferentes fenómenos de calidad de la potencia que fueron representados en este proyecto de grado son los que mayor continuidad están presentes tanto en la onda de corriente como de voltaje el cual es sustentando en los diferentes estudios a nivel mundial hechos en calidad de la potencia. Según los estudios revisados en el mundo sobre calidad de la potencia, los fenómenos de calidad de la potencia de corta duración como los sags, son los que se presentan como una gran amenaza para los dispositivos electrónicos presentes en las diferentes industrias, haciendo que estos puedan parar un proceso productivo teniendo perdidas tanto perdidas como económicas es por esto que se plantearon algunas soluciones recomendadas tanto para este fenómeno como para los otros que también son frecuentes y afectan el accionar de los diferentes procesos productivos más que todo. Por otro lado el mejoramiento del sistema de potencia en cuanto a la mitigación de los fenómenos de PQ en cuanto a voltaje sags y swell resulta siendo muy costoso, en estudios realizando se evidencia que la solución menos costosa al menos para este tipo de eventos se da cuando es el propio equipo o dispositivo sensible el que trae incorporado la solución, mientras que resulta siendo más costosa a medida que la solución tienda a estar en la red eléctrica como tal.. 13.. AGRADECIMIENTOS. Primero que todo quiero agradecer a Dios por darme la oportunidad de continuar cerrando ciclos exitosos en mi vida, a mis padres quienes me dieron todo el apoyo, quienes son el motor de mi vida y quienes me dieron la gran oportunidad de estudiar en la mejor universidad del país, al Ingeniero Ph.D y mi asesor Gustavo Ramos quien fue mi mentor en todo este proceso ,a quien le aprendí muchas cosas y del que espero poder seguir aprendiendo mucho mas, por último a mis amigos de la universidad por acompañarme en mis ratos de estudio.. 14.. BIBLIOGRAFIA. [1] Universidad del Atlantico, Universidad Autonoma de Occidente, UPME, Colciencias,. "Calidad de la Energia Electrica,". [2] M. F. McGranaghan, S. Santoso, H. Wayne Beaty R. C. Dugan, Electrical Power. Systems Quality, second edition ed. USA: McGraw-Hill, 2002. [3] E.A.Cana Plata S. Ramirez Castaño, "Calidad del Servicio de Energia Electrica,". Universidad Nacional, Manizales, 2003. 31.

(32) [4] Ingeniero G.Castro Ferreira CREG. (2010, Noviembre) Suministro de Electricidad.. [Online]. http://www.ariae.org/download/cursos/viii_edicion_curso_regulac_2010/Lunes%202 2%20nov/PDF%20N3.pdf [5] CREG, "Resolucion 024," Bogota, 2005. [6] NTC 5000, "Calidad de la potencia electrica, Definiciones y terminos fundamentales,". Bogota, 2002. [7] Norma Tecnica ICONTEC 152/04,. [8] IEEE 1159, "Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality," USA,. 2009. [9] NTC 5001, "Calidad de la Potencia Electrica. Limites y Metodologia de Evaluacion en. Punto de Conexion Comun," Bogota, 2008. [10] Desarrollo e innovacion en sistemas electronicos de potencia Grupo de investigacion,. "Calidad de Servicio en un Sistema Electrico de Potencia," Universidad de Extremadura-España,. [11] (1998, Agosto) DISEÑO DE UN GENERADOR DE FUNCIONES COMPLETO. [Online].. http://html.rincondelvago.com/generador-de-funciones_diseno.html [12] TRP - Power Quality. (2010, Agosto) Calidad de la Energia Electrica. [Online].. http://tprprotecciones.com/afp.pdf [13] E. Tellez Ramirez, "Distorsion Armonica," Automatizacion, Productividad y Calidad. S.A, Puebla, Mexico,. [14] UTP(Universidad Tecnologica de Pereira)-CREG, "DIAGNÓSTICO DE LA CALIDAD DE LA. POTENCIA EN LA ACTIVIDAD DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA-DIAGNOSTICO PRELIMINAR DE LA CALIDAD DE POTENCIA EN COLOMBIA," Bogota D.C, 2010. [15] UTP(Universidad Tecnologia de Pereira)-CREG(Comision de Regulacion de Energia y. Gas), "DIAGNÓSTICO DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA EN LA ACTIVIDAD DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA-SOPORTE ACADEMICO Y TECNICO DE LA REVISION DE LOS INDICADORES Y ESTANDARES UTILIZADOS EN LA REGULACION EN LA CALIDAD DE LA POTENCIA," Bogota D.C, 2010. [16] Tapan Kumar Saha Wu Jun, "Simulation of Power Quality Problems on a University. Distribution System," University of Queensland, Australia, 2000. 32.

(33) [17] UPT(Universidad Tecnologica de Pereira)-CREG(Comision de Regulacion de Energia y. Gas), "DIAGNÓSTICO DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA EN LA ACTIVIDAD DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA-METOLOGIA PARA EL REGISTRO Y EVALUACION DE PARAMETROS DE CALIDAD DE LA POTENCIA QUE DEBEN SER REPORTADOS A LA CREG," Bogota D.C, 2010. [18] CODENSA S.A. (1998, Octubre) DISTANCIAS DE CONSTRUCCIÓN PARA CIRCUITOS DE. 34.5 - 13.2 Y 11.4 kV - LA 005-TOMO 1. [Online]. http://www.codensa.com.co [19] CODENSA S.A, "Especificaciones Tecnicas Grapa Terminal Tipo Pistola Metalica para. AT-MT," Bogota D.c, 2001. [20] CODENSA. S.A. (2009, Julio) http://www.codensa.com.co. GENERALIDADES. 1.1. -TOMO. 1.. [Online].. [21] Ingeniero Ph.D Mario Rios Mesias. (2019, Julio) Notas de Clase Diseño de Lineas y. Subestaciones de Alta Tension - 3B Sobretensiones en Sistema de Potencia. [Online]. www.sicuaplus.uniandes.edu.co [22] CODENSA, "Centros de Distribucion para Areas Urbanas Generalidades," Bogota D.C,. 2003. [23] CODENSA,. "Especificacion Tecnica Transformador de Distribucion Ocasionalmente Sumergible, Potencia menor igual a 500 KVA,".. [24] CODENSA. S.A. (2011, http://www.codensa.com.co/. Octubre). Tabla. de. [25] (2002,. Consumo.. Noviembre) La Confusion entre Watt y Volts-Amperes. http://www.unicrom.com/Tut_UPS-watts-volts-amperes.asp. Trifasico. [Online].. [Online].. [26] D. Srikanth, S. Sarma, M. Sydulu C. Venkatesh, "Modelling of Nonlinear Loads and. Estimation of Harmonics in Industrial Distribution System," National Power System Conference, Bombay, 2008. [27] PHILIPS, "Catalogo General Balastros 2006-2007," 2006-2007. [28] Angel Civantos Torres, "Armonicos: Definicion y Estudio Basado en Caso Practico,. Minimizacion Coste Energia ," Master Universitario en Mantenimiento Industrial y Tecnicas de Diagnostico,. [29] I.P. Christian, "Analisis del motor de induccion mediante tecnicas de programacion no. lineal ," Universitat Politécnica de Catalunya, 2010. 33.

(34) [30] Orlando P. Hevia, "El Motor de Induccion en el ATP," Comite Argentino de Usuarios. del EMTP, Santa fe, Argentina,. [31] David Chapman, "Guia de Calidad de la Energia Electrica:Armonicos Causa y Efectos,". European Copper Institute - Centro Español de Informacion del Cobre, 2001. [32] David Chapman, "Guia de Calidad de la Energia Electrica: Bajadas de Tension. Introduccion," European Copper Institute - Centro Español de Informacion del Cobre, 2001. [33] Rodolfo Echavarria - Eduardo Berber, "Reguladores Rapidos de Tension," Revista de. Ingenieria Electrica, Electronica y Computacion., 2009. [34] A. LLamas, "Transformador de Aislamiento," ITEMS Campus, Monterrey,.. 34.

(35) 15.. ANEXOS. 15.1 ANEXO 1 Tabla 7. Definición, Causas y Consecuencias de PQ. TIPO DE PERTURBACION Transiente Impulsivo. IMAGEN. [3] Transiente Oscilatorio. [2] Sags. DEFINCION. CAUSAS. EFECTOS. -Evento de corta duración y elevada magnitud -unidireccional en polaridad -Recorre grandes distancias. [2] [8]. -Descargas Atmosféricas -Suicheo de cargas de usuarios finales (poca magnitud). [2] [3]. -Degradación y ruptura de aislamientos de equipos. -Daños total o parcial de equipos electrónicos (PCs, PLCs, ASD, etc). [9] [10]. -Evento de corta duración y elevada magnitud -polaridad positiva y negativa -Según contenido espectral: Alta-Media y Baja F. [8]. -Alta F: Transientes I. -Media F: Suicheo Banco de Condensadores. -Baja F: Energización de Banco de C., ferroresoncia, conexión de Trafos. [8] [2]. -Degradación y ruptura de aislamientos de equipos. -Daños total o parcial de equipos electrónicos (PCs, PLCs, ASD, etc). [10] [9]. -V o I decae entre 0,9 y 0,1 p.u RMS para duraciones entre 0,5 ciclos y 1 minuto. Está divido en 3 categorías según protecciones [8]. -Fallas en el sistema -Energización de grandes cargas que requieren grandes corrientes, arranque de motores. [8]. -Parada de procesos Industriales. -Funcionamiento defectuoso de equipos electrónicos. -Disparo de Protecciones [9]. [6]. 35.

(36) Swell. -V o I crece entre 1,1 y 1,8 p.u RMS para duraciones entre 0,5 ciclos y 1 minuto. Está divido en 3 categorías según protecciones. [8]. -Fallas en el sistema -Desconexión de grandes cargas -Energización de Bancos de Condensadores. [8]. -Falla de componentes de equipos-Reducción vida útil de equipos electrónicos. [9]. -V o I decae a menos de 0,1 p.u RMS para un periodo que no exceda el minuto. La duración dependerá de las protecciones. [8]. -Fallas en el sistema -Fallas en los equipos -Algunas fallas son precedidas de eventos Sags, dependiendo de la ubicación de la falla. [8]. -Funcionamiento anormal de equipos electrónicos (desprogramación de PLCs). -Perdida de datos en PCs. [9] [10]. -V o I decae a menos de 0,1 p.u RMS para un tiempo mayor a 1 minuto. Frecuentemente necesita intervención del hombre. [8]. -Daños en líneas de alimentación. -Daños en centros de generación. Daños en Trafos. -Voladura de Torres. [10]. -Salida de operación de todos los equipos, excepto donde tengan sistemas de respaldo. -Interrupción de procesos industriales. [9]. -V o I incrementa a más de 1,1 p.u RMS por un tiempo mayor a 1 minuto. [8]. -Desconexión de grandes cargas, energización Banco de Condensadores. Sistema es débil para mantener la regulación. [8]. -Falla, perdida de vida útil equipos eléctricos. -Falla y degradación de equipos electrónicos. [9]. -V o I decrece su valor a menos de 0,9 p.u RMS por un tiempo mayor a 1 minuto. Valores Típicos 0,8 y 0,9. [8]. -Eventos contrarios a Sobrevoltajes: Conexión de grandes cargas, desconexión de banco de condensadores. -Circuitos Sobrecargados. [8] [9]. -Funcionamiento anormal de equipos electrónicos. -Parada de procesos Industriales. -Cambios de velocidad en Motores. [9] [10]. [6] Interrupciones de Corta Duración. [10] Interrupciones de Larga Duración. [3] Sobrevoltajes. [3] Sub Voltajes. [3] 36.

(37) -Ocurre cuando las tensiones en las 3 fases no son iguales. [8]. Desbalance de Voltaje. -Asimetría en impedancias de línea. -Desbalance de Cargas monofásicas en sistema trifásico. -Quema de fusible en una fase de banco de condensadores. [3] [8] -Geomagnetismo -Conversores de E.P. -Bombillas Incandescente con Diodos [2] [8]. -Incremento de pérdidas en Trafos. -Reducción vida útil del aislamiento por calentamiento. -Circulación de corrientes por el neutro. [9] [10]. -Son V o I con forma de onda senosoidal, los cuales tienen frecuencia que son múltiplo entero de la frecuencia fundamental(60Hz) Índice THD. [8]. -Cargas no lineales: Hornos de Arco Eléctrico, Equipos de soldadura, ASD, en general dispositivos de electrónica de potencia. [3]. -Sobrecalentamiento de las fases y neutro. -Corriente por el neutro. -Disparo de Protecciones -Sobrecalentamiento de Trafos, Condensadores. [12] [3]. -Son V o I con forma de onda senosoidal, los cuales tienen frecuencia que no son múltiplo entero de la frecuencia fundamental (60Hz). [8]. -Conversores de frecuencia estática, cicloconversores, Hornos de Inducción, Hornos de Arco, equipos de soldadura. [8]. -Interferencia en líneas de comunicación. -Incremento Temperatura de conductores -Causantes de Flickers. [13]. [10] -Presencia de un voltaje o corriente DC en el sistema Eléctrico AC. [8]. DC Offset. -Saturación, calentamiento, perdida de vida útil de Trafos -Degradación de contactos en interruptores. [2] [10]. [11] Harmónicos. [2] Interarmónicos. [10]. 37.

(38) Notching. -Disturbio de Voltaje el cual se muestra como pequeñas muescas. Altos contenidos en frecuencia. [8]. -Dispositivos de Electrónica de Potencia (Conversores Trifásicos causa más importante). [8]. -Fallas en sistemas de control de equipos. -Falls en equipos electrónicos. [9] [1]. -Señales eléctricas indeseadas, con contenido espectral por debajo de los 200 KHz, superpuesta sobre las señales de Voltaje y Corriente. [8]. -Dispositivos de Electrónica de potencia. -Circuitos de Control. -Equipos de Arco Eléctrico -Mala puesta a tierra. -Las mismas líneas inducen ruidos. [8] [10]. -Mal funcionamiento de equipos electrónicos -Mal funcionamiento de sistema de comunicación. [3] [10]. [8] Ruido. [3]. 38.