Análisis de los sags de voltaje en redes de media tensión

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(1)ANÁLISIS DE LOS SAGS DE VOLTAJ E EN REDES DE MEDIA TENSIÓN. AUTOR Paul Hans Kobold 199821263. Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al Título de Ingeniero Eléctrico.. ASESOR Maria Teresa Rueda de Torres. CO-ASESOR Gustavo Andrés Ramos López. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELÉCTRICA / ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2004.

(2) IEL1-II-04-05. TABL A DE CONTENIDO. RESUMEN................................................................................................................................ 4 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 6 1.. MARCO TEÓRICO............................................................................................................ 8 1.1.. CALIDAD DE LA POTENCIA ..................................................................................... 8. 1.2.. FENÓMENOS DE VOLTAJE...................................................................................... 8 1.2.1.. TIPOS DE FENÓMENOS DE VOLTAJE............................................................. 9. 1.2.2.. CAUSAS DE FENÓMENOS DE VOLTAJE ......................................................... 9. 1.2.3.. DETECCIÓN................................................................................................... 10. 1.2.4.. EFECTOS DE LOS FENÓMENOS DE VOLTAJE.............................................. 11. 1.3.. CURVAS DE ACEPTABILIDAD................................................................................ 12. 1.4.. NORMAS................................................................................................................ 14 1.4.1.. CREG-042...................................................................................................... 14 1.4.1.1.. 1.4.2.. PERCEPTIBILIDAD DE CORTO PLAZO (PST ).................................... 17. IEC-61000-4-153............................................................................................. 17 1.4.2.1.. INDICADOR DEL NIVEL INSTANTÁNEO DE PARPADEO (IFL).......... 18. 2.. EFECTO DE EQUIPOS DE TRANSFORMACIÓN............................................................. 20. 3.. EFECTOS DEL FENÓMENO SAG SOBRE UN MODELO PILOTO .................................... 25. 4.. SIMULACIONES............................................................................................................. 29. 5.. OBSERVACIONES de RESULTADOS ............................................................................. 36. 6.. PRECAUCIONES............................................................................................................ 37. 7.. PERSPECTIVAS y RECOMENDACIONES....................................................................... 40. 8.. CONCLUSIONES............................................................................................................ 41. 9.. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 42. 2.

(3) IEL1-II-04-05. TABL A DE FIGUR AS FIGURA 1.. CURVA CBEMA...................................................................................................13. FIGURA 2.. CURVA ISO-SAG.................................................................................................15. FIGURA 3.. CURVA ISO-SAG CON CURVA CBEMA...............................................................16. FIGURA 4.. DIAGRAMA DE BLOQUES...................................................................................18. FIGURA 5.. TIPOS DE SAGS..................................................................................................20. FIGURA 6.. TRANSFORMACIÓN DE LOS TIPOS SAGS .........................................................21. FIGURA 7.. A. MODELO ESCOGIDO / B. MODELO EN PSCAD...............................................21. FIGURA 8.. MODELO SIN FALLA ...........................................................................................22. FIGURA 9.. FALLA EN UNA FASE A TIERRA..........................................................................23. FIGURA 10. FALLA FASE A B Y C A TIERRA ..........................................................................24 FIGURA 11. MODELO PILOTO................................................................................................25 FIGURA 12. MODELO ALTA TENSIÓN EN PSCAD..................................................................26 FIGURA 13. MODELO MEDIA TENSIÓN EN PSCAD................................................................26 FIGURA 14. MODELO SIMPLIFICADO LA RED ELECTRICA....................................................28 FIGURA 15. MODELO UNIFILAR SUBESTACIÓN....................................................................28 FIGURA 16. VOLTAJES RMS EN [PU] DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN................................29 FIGURA 17. VOLTAJES RMS EN [PU] DE LAS LÍNEAS 1,2, 3 Y 4. ...........................................30 FIGURA 18. SAGS EN LA LÍNEA 4 ..........................................................................................31 FIGURA 19. SAGS EN LA LÍNEA 3 ..........................................................................................31 FIGURA 20. SAGS EN LA LÍNEA 2 ..........................................................................................32 FIGURA 21. SAGS EN LA LÍNEA 1 ..........................................................................................32 FIGURA 22. SAGS EN LA NODO 1..........................................................................................33 FIGURA 23. SAGS EN EL NODO 5..........................................................................................34 FIGURA 24. SAGS EN EL NODO 10........................................................................................34 FIGURA 25. SAGS EN EL NODO 15........................................................................................35 FIGURA 26. SAGS EN EL NODO 20........................................................................................35. 3.

(4) IEL1-II-04-05. RESUMEN. En este Trabajo de Grado se analizaron las causas, características y efectos de los SAGS de voltaje en las redes de media tensión, utilizando la herramienta computacional PSCAD para identificar áreas de vulnerabilidad y visualizar los efectos de estos en las simulaciones de los modelos piloto. Adicionalmente, se logró un mejor entendimiento de los fenómenos de voltaje e interpretación de sus efectos sobre las redes eléctricas de media tensión y en la calidad de potencia. Igualmente se obtuvo una mejor caracterización de los SAGS, lo que facilita la planeación y diseño de mecanismos de prevención en los sistemas de redes eléctricas. Se trabajaron dos modelos piloto de redes de distribución; el primero modelo tomado de [8] y el segundo proporcionado por la empresa de Consultoría Colombiana (CONCOL). Dichos modelos se implementaron en la herramienta computacional PSCAD, en donde se simularon diferentes tipos de fallas generando SAGS en distintos puntos, permitiendo la observación de los efectos sobre éstos. También se analizaron los efectos que generan las configuraciones de los equipos de transformación dentro de la red sobre las características de los SAGS. Por último, los resultados permitieron precisar un área de vulnerabilidad como la zona donde se presentan distintas tolerancias de voltajes en los equipos frente estos fenómenos de voltaje en las redes de media tensión.. Concluyendo, este Trabajo de Grado estuvo enfocado hacia el aprendizaje de la calidad de potencia en las redes de media tensión, permitiendo mejorar la calidad. 4.

(5) IEL1-II-04-05. de potencia dentro de los sistemas interconectados para poder mantener la continuidad y calidad del servicio eléctrico. PALABRAS CLAVE. CP (Calidad de la Potencia), SAGS (caída de voltaje), Swell (elevación de voltaje), Under voltage (sub voltaje), Over voltage (sob revoltaje), PSCAD (Visual Power System Simulation), IEC (Internacional Electric Commission, CREG (Comisión de Regulación de Energía y Gas) CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturer Association), ITIC (Information Technology Industry Council), FIPS (Federal Information Processing Standards Publication), RMS (Root Mean Square).. 5.

(6) IEL1-II-04-05. INTRODUCCIÓN. La globalización ha generado un cambio en los negocios, forzándolos a ser más eficientes y competitivos por medio del desarrollo e implementación de nuevas tecnologías como computadores, controladores lógicos programables (PLC), variadores de velocidad, hornos de alto rendimiento, etc., los cuales permiten una mayor rentabilidad dentro del respectivo campo de acción.. El incremento de nuevas tecnologías dentro de los campos industriales, comerciales y residenciales, ha generado que el servicio de suministro de energía sea seguro, forzando que las comercializadoras tomen mayores precauciones y protecciones para mantener la calidad del servicio y así evitar posibles fallas o cortes de energía dentro de las redes eléctricas.. Uno de los problemas más graves que se tiene con los nuevos equipos es su alta sensibilidad frente a los cambios de voltaje repentinos, los cuales generan una importante degradación de la CP eléctrica. Estos cambios generan diversos efectos adversos tales como pérdidas de información, apagado de equipos, detención abrupta de procesos, teniendo como consecuencia la pérdida de continuidad del trabajo traduciéndose en altos costos para las empresas y usuarios. Existen diferentes fenómenos de voltaje, pero este trabajo solo hará énfasis en los fenómenos SAGS. Estudios. anteriores. han. caracterizado. los. electrodomésticos. y. equipos. industriales, frente a estos fenómenos de voltaje, con las llamadas curvas CBEMA, pero poco se ha investigado acerca de cómo los SAGS afectan las redes de media tensión, sus efectos en el suministro de energía, en la onda de tensión y en la CP.. 6.

(7) IEL1-II-04-05. También, poco se ha observado como las características de los SAGS se ven afectadas por las distintas configuraciones de los equipos de transformación. Es por esto que nace el interés de hacer el siguiente trabajo de Grado.. 7.

(8) IEL1-II-04-05. 1. MARCO TEÓRICO. Para poder entender bien los SAGS de voltaje en las redes de media tensión es determinante tener el concepto claro de CP y entender las causas que provocan dichos fenómenos, sus variaciones y sus efectos sobres las redes y equipos.. 1.1. CALIDAD DE LA POTENCIA. La CP es la capacidad que tiene la fuente de energía eléctrica para resolver las necesidades de la carga.. La mayoría de los problemas de la CP no solo son causados por un cambio de energía proveniente de las electrificadoras, sino que también son causados por los usuarios, que adicionan equipos y dispositivos sensibles que crean degradaciones en la onda de energía. Otra fuente de alteraciones en la CP por es el alto impacto de los cambios climáticos y los fenómenos naturales que afectan sustancialmente la infraestructura eléctrica. En la media que se puedan controlar estos factores, se podrá minimizar la degradación de la CP.. 1.2. FENÓMENOS DE VOLTAJ E. Los fenómenos de voltaje son reducciones en el voltaje en cortos periodos. Representan los acontecimientos más comunes que afectan la CP que traen como consecuencia altos costos tanto para las comercializadoras como para los usuarios.. 8.

(9) IEL1-II-04-05. De acuerdo con las características de decaimiento y durabilidad, los fenómenos de voltaje se pueden clasificar en distintos tipos.. 1.2.1. TIPOS DE FENÓMENOS DE VOLTAJE. Los distintos fenómenos que generan variaciones del voltaje RMS son interrupciones, Swell o SAGS.. Una interrupción es una pérdida completa de voltaje, o una caída a menos del 10% del voltaje nominal en unas o más fases. Las interrupciones pueden ser momentáneas (8 milisegundos a 3 sec), temporales (3 sec a 1 minuto), o largas (mayor de 1 minuto). Un Swell es un excedente del 110% del voltaje RMS frente al valor nominal por menos de 1 minuto, si el periodo es mayor a un minuto se conoce como un over voltage. Otros temas de la CP que incluyen cambios en la amplitud y duración del voltaje, son los: Under voltage (similar a los SAGS, pero su duración es mayor de 1 minuto), los transitorios, el desbalanceo de voltaje entre fases, las fluctuaciones de voltaje (flicker), los armónicos, y el ruido eléctrico.. 1.2.2. CAUSAS DE FENÓMENOS DE VOLTAJ E. Cuando ocurren SAGS generalmente se responsabiliza a las empresas comercializadoras sin embargo, muchos de estos acontecimientos son causados por los equipos de los usuarios conectados a la red. Es difícil. 9.

(10) IEL1-II-04-05. determinar la fuente causante de los SAGS o de otros problemas de la CP, debido a que no se tiene el conocimiento preciso de dónde y cuándo ocurrirá la falla.. Las causas se pueden dividir en dos grandes categorías: •. Las externas: se presentan en las redes de transmisión y distribución, debido a tormentas, rayos, animales y maniobras de interrupción.. •. Las internas: son generadas por los usuarios debido a la puesta en marcha de motores grandes, hornos fundidores y ciertos aparatos eléctricos y electrónicos.. En términos generales los SAGS se presentan por fallas línea-a-tierra, fallas bifásicas y trifásicas; estas últimas no son muy frecuentes, pues ocurren menos del 20% de las veces. Existe otro tipo de fallas relacionadas con el ángulo de las fases y reciben el nombre de fallas asimétricas causadas por desbalanceos y corrimientos de las fases. Un ejemplo causante de SAGS es el arranque de un motor grande dentro de la industria, que genera un efecto equilibrado en las tres fases. Los hornos eléctricos en la industria metalúrgica son otros culpables de SAGS y de mayor impacto para las redes al ser desbalanceados.. 1.2.3. DETECCIÓN. Para poder detectar los SAGS se utilizan equipos de monitoreo de la CP que pueden ser empleados a nivel industrial, comercial o residencial. Un. 10.

(11) IEL1-II-04-05. monitor de la CP puede detectar SAGS de voltaje, Swell, interrupciones, y otras anomalías, midiendo la potencia en el punto de conexión del usuario a al red y comparándola contra los estándares aceptados por la ITIC (antes CBEMA).. Adicionalmente, la integración de dispositivos de telecomunicación con los equipos de monitoreo de la CP, permite que los ingenieros de las compañías distribuidoras supervisen puntos múltiples de la red. Esta capacidad es especialmente valiosa si hay grandes distancia entre los diferentes puntos de medición.. El monitoreo puede registrar parámetros eléctricos, tales como voltajes, corrientes, factor de potencia, armónicos, y SAGS; también pueden proporcionar advertencias cuando éstos u otros parámetros exceden valores. predeterminados. La. combinación. de. estos. equipos. con. herramientas computacionales permite la toma de acciones, permitiendo así una mejor y rápida aclaración de la falla.. 1.2.4. EFECTOS DE LOS FENÓMENOS DE VOLTAJ E. La caída de voltaje en el suministro de energía es el efecto causado por los SAGS de voltaje; cuando éste ocurre, los dispositivos electrónicos del interior de la fuente de alimentación utilizan parte de su energía almacenada para compensar la pérdida de voltaje de entrada. Si la pérdida de energía es grande debido al SAG, entonces la fuente de alimentación no puede mantener su capacidad para proporcionar por algunos milisegundos el voltaje necesario para mantener activos todos los componentes dentro del dispositivo. Esto es tiempo suficientemente para corromper datos y. 11.

(12) IEL1-II-04-05. causar mal funcionamiento de los componentes electrónicos. Otros dispositivos sensibles frente a estos tipos de fenómenos son los reles y los contactores en arrancadores de motores cuyos daños causan tiempos muertos de los equipos elevando los costos de producción.. Los efectos de los SAGS se pueden observar en usuarios dentro de un radio de 160 [Km] o más.. 1.3. CURVAS DE ACEPTABILIDAD. Un modo de verificar y cuantificar un perfil de rendimiento energético para los equipos eléctricos y electrónicos son las curvas de aceptabilidad. Estas curvas representan la desviación del voltaje contra la duración de tiempo, lo cual determina los límites inmunes para los equipos electrónicos modernos.. La curva más conocida es la CBEMA, pero hay otras como la ITIC y FIPS, sin embargo, solo se hablara de la curva CBEMA a continuación.. “La curva de CBEMA (la Fig. 1) fue diseñada a finales de los años 70 por la Computer Business Equipment Manufacturers Association así, las siglas usadas en el nombre de la curva como pauta para los miemb ros de la organización al diseñar sus fuentes de alimentación. Esencialmente, la asociación diseñó la curva para precisar las maneras en las cuales la confiabilidad del sistema podría ser proporcionada a un equipo electrónico, es decir fue una primera tentativa para determinar la respuesta apropiada de las computadoras b ajo condiciones del under voltage (SAGS y las interrupciones) y condiciones de sob re tensión (Swell).. 12.

(13) IEL1-II-04-05. Figura 1.. CURVA CBEMA. La curva b ásicamente es un perfil de susceptibilidad, con el eje vertical que representa el porcentaje de voltaje aplicado al circuito y el eje horizontal representando el factor tiempo implicado, medido a partir de microsegundos a los segundos. En el centro del diagrama está un área aceptab le. Fuera de esta área está una zona peligrosa tanto por encima como por debajo de la curva. La zona peligrosa por encima implica la tolerancia del equipo a los niveles voltaicos excesivos, mientras que la zona por debajo fija la tolerancia del equipo a una pérdida o a una reducción en energía aplicada. Si la fuente del voltaje permanece dentro del área aceptable, el equipo de estado sólido 1. funcionará b ien.”. 1. Tomado de “ Representación de la Curva CBMA para Diferentes Equipos Sensibles”, Cristhian Duque, 2003.. 13.

(14) IEL1-II-04-05. 1.4. NORMAS. Para proteger tanto a los usuarios como a los comercializadores de energía, se han escrito varias normas que regulan la prestación del servicio, donde se controlan las condiciones de calidad y continuidad. Para este trabajo de grado se seleccionaron las dos normas que se enfocan en el fenómeno de voltaje, SAGS, la norma CREG-042 y la norma internacional IEC-61000-4-15.. 1.4.1. CREG-042. Como se mencionó anteriormente el incremento del uso de equipos electrónicos con alta susceptibilidad a las fluctuaciones de tensión y alto impacto que tiene por las discontinuidades del voltaje (SAGS), se hizo necesario traducir estos efectos en indicadores de la CP, complementando los ya existentes. La norma presenta una propuesta regulatoria sobre el indicador de control del servicio, midiendo la calidad y continuidad de la onda, la cual se ve afectada por estos fenómenos. Dicho indicador permite agrupar el impacto de los fenómenos de voltajes en el corto plazo y se denomina Perceptibilidad de corto plazo o (PST) Por otro lado, la norma presenta definiciones, antecedentes y ventajas que implica la utilización del PST, planteando además una metodología para medir los SAGS; al igual que los equipos que deben ser empleados, cómo deben ser estos construidos y la instalación del sistema de medición.. 14.

(15) IEL1-II-04-05. Adicionalmente, la norma expone la metodología para analizar la severidad de eventos basándose en la obtención de las llamadas cartas de coordinación. Estas cartas indican las veces que ocurren los SAGS, caracterizados por magnitud y tiempo de duración en un intervalo determinado. Se conocen también como curvas ISO-SAG y su forma de interpretación se muestran en la siguiente figura tomada de [2].. Figura 2. CURVA ISO-SAG2. Si se coge la curva CBEMA y se sobrepone en esta figura es posible obtener el número de veces que un equipo es susceptible a fallas como se observa en la siguiente figura tomada de [2].. 2. Tomado del documento “Norma CREG-042”, Junio 2004.. 15.

(16) IEL1-II-04-05. Figura 3. CURVA ISO-SAG CON CURVA CBEMA. La metodología propuesta por esta norma para medir fluctuaciones de voltaje se puede encontrar descrita de forma detallada en la norma IEC 61000-4-15.. En conclusión, esta norma es una respuesta a la regulación sobre las características y límites de los indicadores de la CP y estable un reglamento de operación para realizar el planeamiento y la coordinación de la operación del sistema interconectado Nacional.. 16.

(17) IEL1-II-04-05. 1.4.1.1.. PERCEPTIBILIDAD DE CORTO PLAZO (PST). “El Término PST permite condensar la gran cantidad de información en el tiempo y cuantificar adecuadamente el impacto de las fluctuaciones de voltaje en el corto plazo. Es el indicador de la perceptib ilidad de un equipo ante fluctuaciones de voltaje durante un periodo de tiempo corto de 10 minutos, ob teniendo de forma estadística a partir del IFL (Instantaneous Flicker Level). La forma de calcularlo se define en la 3. Norma IEC 6100-4-15.”. Las ventajas de usar este indicador son muchas y se pueden leer en la Norma CREG-042 y en la norma internacional IEC 61000-4-15.. 1.4.2. IEC-61000-4-153. Esta norma contiene una serie de especificaciones funcionales y de diseño para poder medir la percepción del flicker correcto para toda forma de fluctuaciones de voltaje de la onda y está desglosada de la siguiente manera: •. Tema IEC 61000:. Compatibilidad electromagnética.. •. Parte 4:. Técnicas de ensayo y de medida.. •. Sección 15:. Medidor Flicker – especificaciones funcionales y de diseño.. 3. Tomado del documento “Norma CREG-042”, Junio 2004.. 17.

(18) IEL1-II-04-05. El objeto de la norma es proporcionar información básica sobre el diseño, arquitectura y diagramas de bloques de un equipo medidor de flicker, este último se puede observar en la siguiente figura tomada de[3].. Figura 4. DIAGRAMA DE BLOQUES. Este equipo realiza simulaciones de la respuesta de la cadena, el análisis estadístico en tiempo real de la señal y presenta los resultados. La descripción completa de estos bloques se puede leer en la norma IEC 61000-4-15.. 1.4.2.1.. INDICADOR DEL NIVEL INSTANTÁNEO DE PARPADEO (IFL). Este indicador permite al usuario medir la severidad de las fluctuaciones de tensión, así como el intervalo de tiempo en el cual ocurre, sin. 18.

(19) IEL1-II-04-05. necesidad de almacenar enorme cantidad de información para su análisis. “Es un indicador del nivel instantáneo de parpadeo ob tenido a partir del tratamiento de la señal de tensión.”4 En términos generales, estas normas proveen una herramienta importante para la detección de los SAGS de voltaje, lo que permite tener un mejor control de la CP y la continuidad del servicio de suministro de energía eléctrica. Además, son de gran importancia pues ayudan a la detección y comprensión de los SAGS generando nuevas. ideas para su detección y planeación de. protecciones.. 4. Tomado del documento “Norma CREG-042”, Julio 2004.. 19.

(20) IEL1-II-04-05. 2. EFECTO DE EQUIPOS DE TRANSFORMACIÓN. Dentro de un sistema de redes de distribución encontramos equipos de transformación con configuraciones Delta-Delta, Y-Delta y Delta-Y, las cuales afectan las características de los SAGS al pasar por éstos. Estudios anteriores han caracterizado los fenómenos de voltaje (SAGS) en 7 tipos principales. Estas clases o tipos se muestran en la Figura 5 tomada de [6].. Figura 5.. TIPOS DE SAGS. Las fases en negrilla representan los efectos producidos por los equipos afectando los SAGS en magnitud y ángulo. La siguiente tabla, tomada de [6], muestra como cambian las características de los SAGS al pasar por las distintas configuraciones de los transformadores y cargas conectadas a la red.. 20.

(21) IEL1-II-04-05. Figura 6.. TRANSFORMACIÓN DE LOS TIPOS SAGS. Para demostrar estas afirmaciones se montó un pequeño sistema en PSCAD como se muestra en la Figura 7 y se simularon distintos tipos de SAGS en él; este modelo, tomado de [6], es. una. forma. fácil de observar. las. transformaciones de las características de los SAGS.. Figura 7.. A. MODELO ESCOGIDO / B. MODELO EN PSCAD. Para el primer caso, se hizo una simulación en el sistema con un funcionamiento normal, es decir sin falla alguna dentro de éste, y como se. 21.

(22) IEL1-II-04-05. observa, los voltajes y las fases se mantienen a través de toda la red como se ilustra en la Figura 8.. Figura 8.. MODELO SIN FALLA. Ahora bien, si generamos en el nodo de 33 [kV] un SAG tipo B, es decir que se produce una falla (una fase a tierra) por un corto periodo; observamos que al pasar por el primer transformador se convierte a la salida del transformador en un SAG tipo D. Al pasar por el segundo transformador, tenemos un SAG tipo C, como lo muestra la Figura 9, en donde se observa el cambio de voltaje y el corrimiento de las fases.. 22.

(23) IEL1-II-04-05. Figura 9.. FALLA EN UNA FASE A TIERRA. Se observa que la fase en color verde sube y cae en el periodo de la falla, esto es debido a que la herramienta computacional no diferencia al graficar los ángulos de 180º y –180º. En la segunda demostración, se simuló una falla trifásica generando un SAG tipo A cu yos efectos se observaron en la Figura 10.. 23.

(24) IEL1-II-04-05. Figura 10.. FALLA FASE A B Y C A TIERRA. Se observó que en el nodo donde se tiene un SAG tipo A, las magnitudes de los voltajes caen y las fases se mantienen a pesar de pasar por el primer transformador.. Luego,. al. pasar. por. el. segundo. transformador. las. características permanecen iguales permitiendo observar que una SAG tipo A se mantiene a través de la red y sus características no son afectadas.. Con este sencillo modelo se logró demostrar como las configuraciones de los equipos de transformación en las redes afectan las características de los SAGS.. 24.

(25) IEL1-II-04-05. 3. EFECTOS DEL FENÓMENO SAG SOBRE UN MODELO PILOTO. Ya explicadas anteriormente las causas y los tipos de SAGS, se analizarán ahora los efectos de éstos sobre las redes de media tensión. Para esto se seleccionó un primer modelo piloto, ilustrado en la Figura 11.. Figura 11.. MODELO PILOTO5. Dicho modelo se implementó en PSCAD y se realizaron varias simulaciones de distintas fallas para generar diferentes SAGS en varios puntos de la red, con el fin de observar el comportamiento del voltaje dentro de éste. En la Figura 12 y Figura 13 se puede observar el modelo en PSCAD.. 5. Tomado del libro………….. 25.

(26) IEL1-II-04-05. Figura 12. MODELO ALTA TENSIÓN EN PSCAD. Figura 13. MODELO MEDIA TENSIÓN EN PSCAD. 26.

(27) IEL1-II-04-05. Este primer modelo presenta un generador de 13.8 [kV], el cual transfiere la energía generada a un transformador de 13.8 [kV] – 115 [kV]. Esta energía eléctrica es transmitida por dos líneas de transmisión, una de 50 [km] y otra seccionada en dos tramos de 25 [km] cada una, las cuales terminan en una subestación de 115 [kV] – 13.8 [kV]. Luego, de la subestación (Trafo 2) se transporta por cuatro líneas de distribución, donde la primera es de 2 [km]; la segunda de 4 [km]; la tercera de 6 [km] y la cuarta de 8 [km]. Cada línea termina en una carga trifásica conectada. Los valores de las cargas son iguales en cada línea y se tomo un valor cercano a la realidad. El segundo modelo seleccionado fue proporcionado por CONCOL. Es una red de media tensión. Este sistema inicia en una subestación de 34.5 [kV] – 13.2 [kV] de 30 [MVA], la cual distribuye a 6 circuitos; 5 residenciales y 1 Industrial. Se escogió la red de distribución Industrial, ya que ésta presenta cargas más sensibles frente a los SAGS de voltaje. A continuación, en la Figura 14 se muestra la configuración del sistema de distribución simplificado a 20 nodos. Esta simplificación se hizo para poder reducir el número de nodos ya que esta línea posee más de 100 puntos de conexión y la herramienta computacional solo puede simular 20 líneas eléctricas.. 27.

(28) IEL1-II-04-05. Figura 14. MODELO SIMPLIFICADO LA RED ELECTRICA. Figura 15. MODELO UNIFILAR SUBESTACIÓN. 28.

(29) IEL1-II-04-05. 4. SIMULACIONES Para analizar bien los efectos de los SAGS en las redes de media tensión, se corrieron varias simulaciones con diferentes tipos de fallas ubicados en distintos puntos de la red generando los SAGS. Las simulaciones del primer modelo piloto se hicieron solo en las líneas de distribución de 13.8 [kV], se tomaron mediciones al final de cada línea y en la salida del transformador o subestación, dando como resultado diferentes gráficas. A continuación, se muestran los resultados obtenidos al simular una falla entre fases en la línea 1 (Figura 16 y Figura 17).. Figura 16. VOLTAJES RMS EN [PU] DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN.. 29.

(30) IEL1-II-04-05. Figura 17. VOLTAJES RMS EN [PU] DE LAS LÍNEAS 1,2, 3 Y 4.. También se simularon varias fallas en las demás líneas y se graficaron en Excel para una mejor apreciación de los mismos. Dichas gráficas muestran el decaimiento del voltaje en términos de porcentaje, donde la línea de 8 [km] está representada en color azul; la línea de 6 [km] en color amarillo; la línea de 4 [km] en color rojo; y por último, la línea de 2 [km] en color morado (Figura 18, Figura 19, Figura 20 y Figura 21).. 30.

(31) IEL1-II-04-05. Figura 18. SAGS EN LA LÍNEA 4. Figura 19. SAGS EN LA LÍNEA 3. 31.

(32) IEL1-II-04-05. Figura 20. SAGS EN LA LÍNEA 2. Figura 21. SAGS EN LA LÍNEA 1. 32.

(33) IEL1-II-04-05. Para el segundo modelo, se simularon varios tipos de falla en los nodos 1, 5, 10, 15 y 20 generando diferentes tipos de SAGS de voltajes para observar los efectos que estos tiene sobre la red de media tensión.. Los tipos de fallas simulados fueron: •. 1 fase a tierra, representado en color morado.. •. 3 Fases a tierra, representado en color rojo.. •. Falla entre 2 fases, representado en color amarillo.. •. Falle entre las 3 fases, representado en color azul.. Las simulaciones se pueden visualizar en las siguientes gráficas de Excel para su mejor comprensión (Figura 22, Figura 23, Figura 24, Figura 25 y Figura 26).. Figura 22. SAGS EN LA NODO 1. 33.

(34) IEL1-II-04-05. Figura 23. SAGS EN EL NODO 5. Figura 24. SAGS EN EL NODO 10. 34.

(35) IEL1-II-04-05. Figura 25. SAGS EN EL NODO 15. Figura 26. SAGS EN EL NODO 20. 35.

(36) IEL1-II-04-05. 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS. Se observó que cuando una falla trifásica se simula al final de la línea de 8 [km] en el primer modelo piloto, un SAG es creado generando un decaimiento en el nivel de voltaje de 75% a 2 [km] del origen, de 51% a 4 [km], de 20% a 6 [km] y de 2% a 8 [km]; esto indica que los efectos del SAG de voltaje son mayores a distancias cercanas a la falla y disminuyen al aumentar la distancia. También se observó un pequeño decaimiento del voltaje en un 2.8% en las otras líneas conectadas al mismo nodo, confirmando lo anteriormente mencionado. Por otro lado, al observar las simulaciones del segundo modelo piloto se puede decir que si la falla se genera cerca del generador o transformador, el SAG generado afectará el voltaje de los usuarios conectados a lo largo de la línea; es decir que el efecto del SAG se propaga por muchos kilómetros dentro del sistema de redes eléctricas. Adicionalmente, al observar el resultado obtenido al simular una falla (1 Fase a tierra) en el nodo 10 que produjo un SAG cu yo efecto generó un decaimiento de voltaje en ambas direcciones de la línea. Sin embargo, este efecto no se propagó de igual forma en ambas direcciones ya que, en dirección al primer nodo el decaimiento fue de 22%, 20%, 17%, 15%, 9%, 7% 4% y 2% hasta llegar al nodo inicial mientras que, hacia el otro lado el decaimiento fue constante hasta el final de la línea en un 25%.. 36.

(37) IEL1-II-04-05. 6. PRECAUCIONES. Los SAGS de voltaje son problemas frecuentes de la CP. Pueden ser detectadas y corregidas de muchas maneras. Sin importar las tecnologías empleadas, el abastecimiento de soluciones apropiadas de la CP requiere una comprensión completa de los problemas. Es importante aislar partes individuales de un equipo que puedan ser más sensibles a los fenómenos de voltaje, y determinar correctamente el lugar de las protecciones y dispositivos de corrección de SAGS.. La ubicación de un equipo dentro de la industria, desempeña un papel importante en la sensibilidad de éste frente a los SAGS de voltaje al igual que el tipo de cable, ya que el tamaño y la localización pueden reducir las caídas de voltaje.. Otra forma de prevención ante los efectos de los fenómenos de voltaje son los dispositivos de corrección de SAGS que pueden ser utilizados en la entrada del servicio eléctrico o en los puestos de trabajo de la planta. El porcentaje de cargas sensibles dentro de la industria, la facilidad de la instalación, el costo del tiempo muerto y el costo de la solución son factores que hay que tener en cuenta para determinar las protecciones y adecuaciones necesarias para el correcto funcionamiento de la producción.. Otras. tecnologías. que ayudan a la prevención de SAGS son las. de. acondicionamiento de líneas de energía, las cuales incluyen fuentes de alimentación continua (UPS), transformadores de voltaje constante (CVT) y dispositivos de estado sólido. La UPS se diseña generalmente para cargas. 37.

(38) IEL1-II-04-05. constantes, tales como computadores y otros equipos electrónicos y su funcionamiento con las cargas dinámicas, tales como motores grandes y hornos es limitado. Algunos diseños tienen una salida que se acerca a una onda cuadrada rica en armónicos de orden impar; esto puede no ser apropiado para equipos automáticos. Una UPS protege el equipo contra SAGS e interrupciones momentáneas o extendidas de energía cuando el circuito detecta un SAG, ella transfiere la carga protegida a un banco de baterías proveyéndole energía mientras se aclara la falla. El CVT tiene el mismo fin de protección que la UPS, pero utiliza tecnología ferrorresonante. Dicha tecnología no es. nueva, pero todavía se utiliza. extensamente pues es de bajo costo y de fácil construcción. Su funcionamiento consiste en un circuito creado por la reactancia inductiva del transformador y del condensador interno generando una reserva de energía con un voltaje constante y limpio en la salida, el cual evita la mayoría de tipos de degradaciones de energía pues siempre está en saturación y tienen poco impacto en el voltaje de salida. Sin embargo, para las cargas ligeras la entrada puede caer por debajo del 60% del voltaje nominal sin presentarse fallas en el equipo protegido. Las desventajas de dichos dispositivos están en la baja eficacia, y el gran peso y tamaño; además los CVT tienen dificultad en la manipulación de cargas dinámicas y armónicas que requieren a menudo sobredimensiones significativas teniendo un impacto directo en el costo de la inversión. Debido a su alto costo es recomendable proteger las zonas más vulnerables donde se encuentran equipos tales. como. PLC,. reguladores. y. controles. dedicados. que. utilizan. microprocesadores o tecnologías digitales. Por último, los dispositivos de estado sólido para la corrección de SAGS utilizan tecnología con microprocesadores para supervisar la CP permitiendo su activación. 38.

(39) IEL1-II-04-05. dentro de un ciclo específico. Algunos dispositivos utilizan condensadores para proporcionar energía, mientras que otros drenan la corriente adicional de la red durante el SAG, convirtiéndola en el voltaje faltante. El resultado es la compensación del SAG, generando la capacidad de cubrir interrupciones cortas (12 ciclos).. 39.

(40) IEL1-II-04-05. 7. PERSPECTIVAS Y RECOMENDACIONES Trabajar en la expansión y profundización del tema tratado en este trabajo de grado para obtener una forma de sancionar a usuarios generadores de estos fenómenos y a las comercializadoras por la deficiente prestación del servicio. Investigar y ampliar más el conocimiento de las zonas de vulnerabilidad para con el fin de proporcionar soluciones pertinentes a usuarios conectados y proveer de información a futuros usuarios para que esta sea tomada dentro del plan de protección eléctrica de la planta.. Se recomienda la profundización del tema de SAGS en los cursos de ingeniería eléctrica (Calidad de la Potencia), ya que este tema de gran importancia para el desarrollo de nuevas redes eléctricas debido al gran crecimiento de las ciudades y el incremento en el uso de equipos de nuevas tecnologías. También es recomendable adquirir más herramientas de simulación como el PSCAD,. ya. que. esta. herramienta. proporciona. información. sobre. el. comportamiento de los sistemas de potencia y de los equipos de electrónica de potencia. Así mismo, ayuda al aprendizaje de futuras generaciones de ingenieros eléctricos pues permite de forma fácil y clara la visualización del comportamiento de y efectos de los sistemas.. 40.

(41) IEL1-II-04-05. 8. CONCLUSIONES Por medio de la herramienta computacional PSCAD, se estudió los fenómenos de voltajes en redes de media tensión y se entendieron sus efectos en la CP.. Dependiendo del tipo y ubicación de falla, se generan distintos tipos de SAG que cuyas características pueden ser afectadas por los equipos de transformación presentes en las redes eléctricas, agravando o disminuyendo sus efectos. El análisis de los efectos de los SAGS de voltaje dentro de las redes eléctricas permite. caracterizar. unas. zonas. de. vulnerabilidad,. permitiendo. a. las. comercializadoras indicar los problemas que se pueden presentar por fallas distantes y que tipos de medidas de prevención tales como UPSC, CVT y utilización de elementos de la electrónica de Potencia, deben tomar los usuario conectados dentro de estas. Los efectos de un SAG generado en una de las líneas de distribución conectada a un nodo común se observarán en las otras líneas conectadas, y aunque el nivel de voltaje puede que no decaiga tanto como en la línea donde se presentó el SAG, es suficiente para presentar daños dentro de los equipos de los usuarios conectados.. Una falla en la mitad de la línea produce un SAG cuyo efecto genera un decaimiento de voltaje en ambas direcciones de la línea, aunque su efecto no se propaga de igual forma en ambas direcciones.. 41.

(42) IEL1-II-04-05. 9. BIBLIOGRAFÍA. [1]. Crithian Duque, Proyecto de Grado, “Representaciones de la curva CBEMA para diferentes equipos sensibles”, Enero de 2004. [2]. Comisión de Regulación de Energía y Gas, documento, “Norma CREG-042”, Julio 2004. [3]. International Electrotechnical Comisión, documento, “Norma Internacional IEC 61000-4-15”, 1997. [4]. Math H.J Bollen, Senior Member, IEEE, artículo, “Voltage Recovery Alter Unb alanced and Balanced Voltage Dips in Three-Phase Systems”, Octubre 2003. [5]. Luis Guasch, Felipe Córcoles, Jaquín Pedra, artículo, “Effects of Symmetrical and Unsymmetrical Voltage Sags on Induction Machines”, Abril 2004. [6]. Math H. J. Bollen, “Characterization of Voltage Sags Experienced By ThreePhase Adjustab le-Speed Driver”, Octubre 1997. [7]. Zijad Galijasevic, “Fault Location Using Voltage Measurement”, Abril 2002. [8]. Roger Duran, “Electrical Power System Quality” ISUR Surya Santoso 2. do. edition, McGraw Hill, 2003.. 42.

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