INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
PRESENTE.-Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra denominada
, en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución, distribución pública y reproducción, así como la digitalización de la misma, con fines académicos o propios al objeto de EL INSTITUTO, dentro del círculo de la comunidad del Tecnológico de Monterrey.
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Análisis y Solución del Problema de Resonancia en Paralelo en
el Circuito CNU-5420 de la Subestación Contla -Edición Única
Title Análisis y Solución del Problema de Resonancia en
Paralelo en el Circuito CNU-5420 de la Subestación Contla -Edición Única
Authors José Mario Mendoza López
Affiliation Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey
Issue Date 2010-11-01
Item type Tesis
Rights Open Access
Downloaded 18-Jan-2017 17:12:23
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
Análisis y solución del problema de Resonancia en Paralelo en el circuito
CNU-5420 de la Subestación Contla.
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO
DE:
MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERIA ENERGETICA
POR:
JOSÉ MARIO MENDOZA LÓPEZ
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
Los miembros del Comité de Tesis recomendamos que la presente Tesis presentada por el
Ingeniero José Mario Mendoza López sea aceptada como requisito parcial para obtener el grado
académico de:
MAESTRO EN CIENCIAS
CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA
Comité de Tesis:
Director del Programa Maestría en Ingeniería Energética
Monterrey, Nuevo León Julio de 2010
ii Dedico esta tesis a:
A mi Adorada Esposa y a mis amados Hijos
María Patricia
Alan
Carlo
Camila
Mariam
A Mis padres
José Joaquín Mendoza Báez
Adela López Cortes
A mis Hermanos
Antonio
Gerardo
Miguel
iii Le doy gracias a Dios por su bendición para alcanzar a cumplir con este reto, y por las bondades que me ha otorgado a lo largo de mi vida.
A Comisión Federal de Electricidad por la oportunidad y confianza de considerarme para participar y ser parte de este importante proyecto.
A mis padres por la vida y por la educación que me dieron y que hicieron de mí una persona con metas cumplidas.
A mi esposa por su paciencia y apoyo para el cuidado de los niños en sus actividades por mis ausencias y a mis hijos por el tiempo que no compartimos.
A mis maestros del Instituto Tecnológico de Monterrey por todo su apoyo incondicional y por la excelente calidad de personas en lo profesional y humano, en especial al Dr. Armando Llamas Terres y al MC Enrique L. Cervantes Jaramillo por su tiempo, conocimientos compartidos, así como la paciencia para culminar este compromiso.
A mi amigo Paulo por todo su apoyo y tiempo.
iv
ANÁLISIS Y SOLUCIÓN DEL PROBLEMA DE RESONANCIA EN PARALELO EN EL CIRCUITO CNU-5420 DE LA SUBESTACIÓN CONTLA
José Mario Mendoza López
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2010 Asesor: Dr. Armando R. Llamas Terrés
RESUMEN
La instalación de bancos de capacitores por la Comisión Federal de Electricidad en sus circuitos de media tensión, así como también la instalación de bancos de capacitores en media y baja tensión por los usuarios a los cuales la CFE les suministra el servicio de energía eléctrica en media tensión, es una práctica muy frecuente para corregir el factor de potencia. Sin embargo, estos capacitores conectados en la red de la CFE, en presencia de armónicos originados por cargas no lineales de la misma industria, pueden incrementar el riesgo de excitar la frecuencia de resonancia.
A la fecha, en la CFE no se ha estudiado a detalle, que la resonancia paralelo es el más notorio de los efectos de las armónicas que se presentan en sus circuitos de media tensión, debido a la amplificación de la distorsión armónica que produce la carga, ya que no se ha visualizado que al tener conectados bancos de capacitores tanto en media como en baja tensión y dado que la corriente de carga del usuario contiene una corriente armónica, la cual puede coincidir o se aproximarse a la frecuencia de resonancia y sea de una magnitud suficiente, para que se presenten sobrecorrientes y voltajes en los capacitores y voltajes con alta distorsión.
Con el presente trabajo se pretende demostrar que en presencia de las corrientes armónicas en el circuito CNU-5420 de la Subestación Contla, los capacitores instalados en la propia barra de la subestación y en el mismo circuito, así como también los capacitores conectados en los otros circuitos de media tensión y en la industria, junto con la reactancia del circuito, forman una conexión en paralelo con una frecuencia de resonancia, cuyo efecto demerita la calidad de la energía que entrega la CFE a sus usuarios.
v
CONTENIDO
CAPÍTULO 1 Calidad de la Energia ... 1
1.1. LA CALIDAD DE LA ENERGÍA ... 1
1.2. DEFINICIÓN DE LOS PRINCIPALES DISTURBIOS QUE PRODUCEN PERTURBACIONES EN LA CALIDAD DE ENERGÍA. ... 3
1.2.1. Pico de voltaje ... 3
1.2.2. Depresión de voltaje (sags)... 3
1.2.3. Dilatación de voltaje (swell) ... 4
1.2.4. Sobrevoltaje ... 4
1.2.5. Parpadeo (flickers) ... 5
1.2.6. Interrupciones de energía ... 5
1.2.7. Ruido eléctrico ... 6
1.2.8. Distorsión armónica ... 6
CAPÍTULO 2 ... 7
2.1 LA IMPORTANCIA Y EFECTOS DE LAS ARMÓNICAS EN LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN. ... 7
2.2 NIVELES DE DISTORSIÓN PERMITIDOS POR LA NORMA PARA CFE Y EL USUARIO ... 9
2.2.1. Normalización ... 9
2.2.2 Valores de distorsión ... 9
2.2.3 Recomendaciones del IEEE 519 [ (IEEE, 1992)] ... 10
2.2.4 Límites de distorsión en Voltaje ... 10
2.2.5 Límites de distorsión en Corriente ... 10
2.3 SISTEMA DE MONITOREO DE LA CALIDAD DE ENERGÍA EN LA DIVISIÓN CENTRO ORIENTE. ... 13
2.4 NIVELES DE ARMÓNICAS EXISTENTES EN LOS VOLTAJES Y CORRIENTES DEL SISTEMA ... 17
2.4.1. Distorsion armonica ... 17
CAPÍTULO 3 ... 19
3.1 CIRCUITOS LINEALES. ... 19
3.2 CIRCUITOS NO LINEALES. ... 21
vi
3.3.1. Convertidores ... 23
3.3.2. Hornos de inducción... 23
3.3.3 Compensadores estáticos de potencia ... 24
3.3.4. Hornos de arco eléctrico ... 25
3.3.5. Saturación de transformadores... 26
3.3.6. Lámparas fluorescentes ... 27
3.3.7 Equipo de cómputo ... 27
3.3.8. Equipo doméstico ... 27
3.4 EFECTOS DE LAS ARMÓNICAS AL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN. ... 28
3.4.1. Máquinas rotatorias ... 28
3.4.2. Protecciones ... 29
3.4.3. Equipo electrónico ... 31
3.4.4. Medición ... 32
3.4.5. Capacitores ... 34
CAPÍTULO 4 ... 35
4.1 TRAYECTORIA DE LAS ARMÓNICAS EN EL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ... 35
4.2. INICIO DEL PROCESO DE TESIS. ... 37
4.3. PUNTO DE MEDICIÓN DEL NIVEL DE ARMÓNICAS. ... 37
4.3.1 Equipo de medición... 37
4.3.2. Puntos de medición ... 38
4.3.3 Sistemas de distribución ... 38
4.4. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA PLAMI, (CASO DE ESTUDIO). ... 40
4.5. MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN EL LADO DE MEDIA Y BAJA TENSIÓN DE LA ACOMETIDA DE LA EMPRESA PLAMI. ... 41
4.6 PUNTOS DE MEDICIÓN DE ARMÓNICOS………43
CAPÍTULO 5 ... 44
5.1 INTRODUCCIÓN ... 44
5.2. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LAS MEDICIONES OBTENIDAS EN EL LADO DE MEDIA Y BAJA TENSIÓN DE LA EMPRESA PLAMI ... 46
5.3. ANÁLISIS DE CAUSAS QUE ORIGINAN SE PRESENTE RESONANCIA DE LA QUINTA Y ONCEAVA ARMÓNICA EN EL LADO DE MEDIA TENSIÓN DEL CIRCUITO CNU-5420 ... 50
CAPÍTULO 6 ... 54
6.1. CÁLCULO DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA EN HOJA DE EXCEL ... 54
vii
6.1.2. Cálculo de la frecuencia de resonancia dentro de Plami ... 57
6.2. CONVERSIÓN DE LOS DATOS DE ENTRADA PARA LA SIMULACIÓN EN MICROTRAN ... 59
6.2.1. Ecuaciones de inductancia y capacitancia ... 59
6.2.2. Datos de los circuitos alimentados por la subestación contla ... 61
CAPÍTULO 7 ... 72
7.1. INTRODUCCION ... 72
7.2. CÁLCULO DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA EN EL CIRCUITO CNU-5420 MEDIANTE EL PROGRAMA MICROTRAN SIN DISTORSION ... 74
7.3. CÁLCULO DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA EN EL CIRCUITO CNU-5420 MEDIANTE EL PROGRAMA MICROTRAN CON DISTORSION, CON 3 FUENTES DE ARMONICAS ... 83
7.4. CÁLCULO DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA EN EL CIRCUITO CNU-5420 MEDIANTE EL PROGRAMA MICROTRAN CON DISTORSION, CON 3 FUENTES DE ARMONICAS, REDUCIENDO LA CORRIENTE DE LA 11ª ARMONICA ... 89
7.5. CÁLCULO DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA EN EL CIRCUITO CNU-5420 MEDIANTE EL PROGRAMA MICROTRAN CON DISTORSION, CON 3 FUENTES DE ARMONICAS, DESCONECTANDO LOS BANCOS DE CAPACITORES DEL SISTEMA ... 95
7.6. CÁLCULO DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA EN EL CIRCUITO CNU-5420 MEDIANTE EL PROGRAMA MICROTRAN EN DONDE LA CARGA NO LINEAL (BAJA TENSION PLAMI), INYECTA AL SISTEMA CORRIENTE ARMONICAS Y LA FUENTE DE VOLTAJE VALE CERO (CORTO CIRCUITO). ... 99
7.7. CORRECION DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA EN EL CIRCUITO CNU-5420 CALCULADO MEDIANTE EL PROGRAMA MICROTRAN EN DONDE LA CARGA NO LINEAL (BAJA TENSION PLAMI), INYECTA AL SISTEMA CORRIENTE ARMONICAS Y LA FUENTE DE VOLTAJE VALE CERO (CORTO CIRCUITO)... 105
CAPÍTULO 8 ... 110
Conclusiones ... 110
APÉNDICE A ... 112
Mediciones en baja tensión. ... 112
APÉNDICE B ... 128
Mediciones en media tensión. ... 128
viii
Listado
de
Figuras
Contenido
Figura Página
1.1 Pico de voltaje ... 3
1.2 Depresión de Voltaje ... 3
1.3 Dilatación de Voltaje. ... 4
1.4 Sobrevoltaje. ... 4
1.5 Parpadeo. ... 5
1.6 Interrupción de energía. ... 5
1.7 Ruido eléctrico. ... 6
1.8 Distorsión armónica ... 6
2.1 Fundamental más tercera armónica. ... 8
2.2 Ubicación del sistema eléctrico de subtransmisión y Transmisión. ... 14
2.3 THDv y THDI en las zonas de distribución de la división centro oriente. ... 15
2.4 Criterios de selección de parámetros sistema SIMOCE. ... 16
3.1 Representación de carga. ... 19
3.2 Representación de la carga. ... 21
3.3 Rectificador trifásico. ... 23
3.4 TCR monofásico. ... 24
3.5 Magnitud de las corrientes armónicas del TCR monofásico contra ángulo de conducción. ... 24
3.6 Conexión delta de un TCR. ... 25
3.7 Corriente de un horno de arco eléctrico. ... 25
3.8 Característica de saturación de un transformador. ... 26
3.9 Corriente de energización de un transformador trifásico. ... 26
ix
3.11 Grupo generador-filtro de 5 armónica- rectificador. ... 29
3.12 Curvas de tiempo inverso de un relé 51 de inducción en la presencia de armónicas... 30
3.13 Forma de onda provocada por un manejador de velocidad para motor de inducción de 75 HP. 31 3.14 Forma de onda del voltaje provocada por un rectificador de onda completa no controlada que alimenta una carga resistiva. ... 32
3.15 Caso ideal. ... 32
3.16 Caso real. ... 33
3.17 Error del watthorimetro de inducción al medir una carga resistiva switcheada por un tiristor a diferentes ángulos de disparo. ... 33
3.18 Error en los watthorimetros de inducción debido a la distorsión de corriente. ... 33
3.19 Corriente típica de un capacitor que se encuentra en resonancia con el sistema. ... 34
4.1 Trayectoria de las armónicas en un sistema inductivo. ... 36
4.2 Efecto de los capacitores en las trayectorias de las armónicas. ... 36
4.3 Medición en sistemas de distribución. ... 38
4.4 Medición en sistemas industriales. ... 39
4.5 Ubicación de la empresa PLAMI ... 40
4.6 Diagrama unifilar Empresa PLAMI ... 42
4.7Medición en Baja Tensión PLAMI………...43
4.8Medición en Media Tensión Plami……….43
5.1 Fig. 39Diagrama Unifilar de la empresa Plami, Indicando los Bancos de Capacitores instalados dentro de sus instalaciones ... 45
5.2 THD Baja Tensión de Corriente. ... 46
5.3 Tabla de Armónicos THD de Baja Tensión de corriente. ... 46
5.4 THD de Media Tensión de corriente. ... 47
5.5 Tabla de Armónicos THD de Media tensión de Corriente. ... 47
5.6 Comportamiento de la Quinta Armónica de Corriente en Media Tensión. ... 48
x
5.8 Comportamiento del nivel de la Onceava Armónica en Media Tensión.. ... 49
5.9 Comportamiento del nivel de la Onceava Armónica en Baja Tensión. ... 49
5.10 Diagrama Unifilar CNU-5410 Xiloxostla. ... 50
5.11 Diagrama Unifilar CNU-5420 Áyometla ... 51
5.12 Diagrama Unifilar CNU-5430 Xilotzingo. ... 52
5.13 Banco de Capacitores en Barra de 34.5 Kv de la S.E. Contla………..52
5.14 Diagrama Unifilar S.E. Contla. ... 53
6.1 Diagrama Arbolar de los Circuitos alimentados por la Subestación Contla. ... 55
6.2 Diagrama Unifilar interno de Plami. ... 57
6.3 Circuitos CNU-5410,CNU-5420 y CNU-5430, todos ellos alimentados por la Subestación Contla. ... 61
6.4 Diagrama de Impedancias de los circuitos CNU-5410 y 5420. ... 62
6.5 Valores de Potencia Real, Aparente y Reactiva que consume la empresa Plami. ... 67
6.6 Diagrama Arbolar de Resistencias, inductancias y capacitancias de los circuitos CNU-5410, CNU-5420 y CNU-5430. ... 71
7.1 Diagrama Arbolar con 12 Nodos de los circuitos CNU-5410 y CNU-5420 ... 73
7.2 Diagrama Arbolar de Resistencias, inductancias y capacitancias de los circuitos CNU-5410, CNU-5420 y CNU-5430. ... 73
7.3 Plami4. dat………...………...74
7.4 Plami4.dat instrucción para Interacción Programa………...………..75
7.5 Plami4.dat Interacción del programa………..75
xi
7.7 MTPLOT Cargando base de datos Plami4.dat………...………76
7.8 MTPLOT Opciones para graficar………...………76
7.9 Nodo de Voltaje MT y Rama de Corriente MT-MTP………77
7.10 Nodo de Voltaje MT y Rama de Corriente MTP-BTP……….77
7.11 Nodo de voltaje BTP y Rama de corriente BTP-BTPL………78
7.12 Rama de corriente BTP-BTPL………..78
7.13 Valor de tiempo del voltaje……….……..80
7.14 Valor de tiempo de la corriente……….80
7.15 Valores de Potencia Real, Aparente y Reactiva………...81
7.16 Diagrama resumido con Voltaje de la fuente y Corriente circulante en la rama BTP-BTPL ... 82
7.17 Carga no lineal en el nodo BTPL con 3 fuentes ... 83
7.18 Diagrama arbolar de Resistencias, Inductancias y Capacitancias de los circuitos CNU-5410, CNU-5420 y CNU-5430 con carga no lineal en el nodo BTPL con 3 fuentes ... 84
7.19 Plami5.dat……….85
7.20 Voltaje nodo BTP con la carga no lineal conectada……….86
7.21 Voltaje Barra BTP corriente de la rama BTP-BTPL………....86
7.22 Voltaje de la Barra MT y corriente de la rama MT-BTP………..87
7.23 Voltaje del nodo MT y Corriente de la rama MT-MTP………...87
7.24 Diagrama Resumido con las tres fuentes ... 88
7.25 Plami6.dat………...90
7.26 Voltaje en el nodo BTP y corriente de la rama BTP-BTPL………...91
7.27 Voltaje en el nodo BTP y la corriente de la rama BTP-BTPL………...91
7.28 Voltaje en el nodo MT y la corriente de la rama MTP-BTP………92
7.29 Voltaje en el nodo MT y la corriente de la rama MTP-BTP………93
xii
7.31 Voltaje en el nodo MT y la corriente de la rama MT-MTP………..…94
7.32 Diagrama resumido con las 3 fuentes reduciendo la corriente de la Armónica 11 ... 94
7.33 Diagrama Arbolar de Resistencias, Inductancias y Capacitancias de los circuitos CNU-5410, CNU-5420 y CNU-5430 con carga no lineal en el nodo BTPL con 3 fuentes, desconectando los bancos de Capacitores ... 95
7.34 Diagrama Resumido con las tres fuentes reduciendo la corriente de la Armónica 11, desconectando los bancos de Capacitores... 95
7.35 Plami6nc.dat………...96
7.36 Voltaje en el nodo de voltaje BTP y la corriente de la rama BTP-BTPL……….97
7.37 Voltaje en el nodo MTP y la Corriente de la rama MTP-BTP……….97
7.38 Voltaje en el nodo MT y la corriente de la rama MT- MTP……….98
7.39 Diagrama Arbolar de Resistencias, inductancias y Capacitancias de los circuitos CNU-5410, CNU-5420 Y CNU-5430, con la carga no lineal inyectando al sistema corrientes Armónicas ... 99
7.40 Diagrama resumido eliminando 2 fuentes de corriente (7 y 11) y con la fuente de voltaje en cortocircuito ... 100
7.41 Plami7.dat………...101
7.42 Magnitud de la Amplificación en la rama ground-MT………...102
7.43 Magnitud de la Amplificación en la rama MT-MTP………..102
7.44 Magnitud de la Amplificación en la rama MT1-MT2………103
7.45 Magnitud de la Ampliación en la rama MTP-BTP……….103
7.46 Magnitud de la Amplificación en la rama BTP-ground……….104
7.47 Plami8.dat………...106
7.48 Magnitud de la ampliación en la rama ground-MT………107
7.49 Magnitud de la ampliación en la rama MT-MTP………...107
7.50 Magnitud de la ampliación en la rama MT1-MT2……….108
7.51 Magnitud de la ampliación en la rama MTP-BTP……….108
7.52 Magnitud de la ampliación ground-BTP………109
xiii
A.2 Grafica de las Armónicas de Corriente en un periodo de Tiempo. ... 113
A.3 Comportamiento de la Tercera Armónica en corriente ... 113
A.4 Compartimiento de la Quinta Armónica en Corriente ... 114
A.5 Comportamiento de la Séptima Armónica en corriente ... 114
A.6 Comportamiento de la Novena Armónica en corriente ... 115
A.7 Comportamiento de la Onceava Armónica en Corriente. ... 115
A.8 Comportamiento de la Treceava Armónica de Corriente. ... 116
A.9 Comportamiento de la Quinceava Armónica de Corriente. ... 116
A.10 Espectro Armónico en Voltaje. ... 117
A.11 Espectro Armónico en corriente. ... 117
A.12 Grafica de Armónicas en Voltaje (linea1). ... 118
A.13 Grafica de Armónicas en Voltaje (Línea 2). ... 118
A.14 Grafica de Armónicas en Voltaje (Línea 3). ... 119
A.15 Grafica de Armónicas en Neutro de Voltaje. ... 119
A.16 Grafica de Armónicas en Corriente (Línea 1). ... 120
A.17 Grafica de Armónicas en Corrientes (línea 2)... 120
A.18 Grafica de Armónicas en Corriente (línea 3). ... 121
A.19 Grafica de Armónicos en Neutro de Corriente. ... 121
A.20 Tabla de Armónicas en Voltaje. ... 122
A.21 Tabla de Armónicas en Corriente. ... 122
A.22 Espectro Armónico en Corriente (Línea 1). ... 123
A.23 Espectro Armónico en Corriente (línea 2). ... 123
A.24 Espectro Armónico en Corriente (Línea 3). ... 124
A.25 Tabla de Corrientes y Voltaje. ... 124
A.26 Tabla de Potencia y Energía... 125
xiv
A.28 Formas de onda de Corriente. ... 126
A.29 Formas de Onda de Voltaje y Corriente. ... 126
A.30 Diagrama Fasorial. ... 127
B.1 Espectro de las Armónicas de Corriente en un periodo de Tiempo. ... 128
B.2 Grafica de las Armónicas de Corriente en un periodo de Tiempo. ... 129
B.3 Comportamiento de la Tercera armónica en Corriente. ... 129
B.4 Comportamiento de la Quinta Armónica en Corriente. ... 130
B.5 Comportamiento de la Séptima Armónica en Corriente. ... 130
B.6 Comportamiento de la Novena Armónica en Corriente. ... 131
B.7 Comportamiento de la Onceava Armónica de Corriente. ... 131
B.8 Comportamiento de la treceava Armónica en Corriente. ... 132
B.9 Comportamiento de la Quinceava Armónica de Corriente. ... 132
B.10 Espectro Armónico en Voltaje. ... 133
B.11 Espectro Armónico de Corriente. ... 133
B.12 Tabla de Armónicas de Corriente. ... 134
B.13 Espectro Armónico en Corriente (linea1). ... 134
B.14 Espectro Armónico en Corriente (linea3). ... 135
B.15 Tabla de Corriente y Voltaje. ... 135
B.16 Tabla de Potencia y Energía. ... 136
B.17 Formas de Onda de Voltaje. ... 136
xv
Listado
de
Tablas
Tabla Página
2.1 Límites de distorsión de voltaje. ... 10
2.2 Límites de Distorsión Armónica en Voltaje en % del voltaje nominal. ... 10
2.3 Límites de distorsión de corriente para sistemas de 120 V a 69 kV. ... 10
2.4 Límites de distorsión de corriente para sistemas de 69 kV a 161 kV. ... 11
2.5 Límites de distorsión de corriente para sistemas mayores a 161 kV. ... 11
2.6 Límites de la distorsión armónica en corriente en la acometida. ... 12
3.1 Característica del horno de arco eléctrico... 25
3.2 Factor de potencia y THDI para lámparas comerciales. ... 27
3.3 Porcentaje de usuarios en la División Centro Oriente de la CFE. ... 34
4.1 Datos de Placa del Transformador de distribución PLAMI. ... 41
6.1 Nivel de Cortocircuito en la región 1………..56
6.2 Nivel de Cortocircuito en la región 2. ... 56
6.3Armónico de Resonancia fuera de las instalaciones de Plami. ... 57
6.4 Nivel de Corto circuito en el secundario de transformador de Plami. ... 58
6.5 Armónica de Resonancia dentro de la empresa Plami. ... 58
6.6 Resistencia e inductancia del Transformador CFE. ... 62
6.7 Capacitancia del Banco de Capacitores SE Contla. ... 63
6.8 Inductancia de la Línea. ... 63
6.9 Impedancia de la Línea para 3,2 km. ... 64
xvi
6.11 Capacitancia del primer banco de Capacitores CNU-5410. ... 64
6.12 Capacitancia del segundo banco de Capacitores CNU-5410... 65
6.13 Capacitancia del Capacitor ubicado en las inmediaciones de Plami. ... 65
6.14 Resistencia e Inductancia Transformador de Plami. ... 66
6.15 Capacitancia del Banco de capacitores Baja tensión de Plami. ... 66
6.16 Potencias de la empresa Plami sin Capacitores en Baja Tensión. ... 67
6.17 Impedancia de La Carga de Plami... 68
6.18 Resistencia y Reactancia inductiva. ... 68
6.19 Inductancia Plami Baja Tensión... 69
6.20 Potencias del circuito CNU-5410... 69
6.21 Impedancia del Circuito CNU-5410... 70
6.22 Valores Resistencia Reactancia inductiva del circuito CNU-5410. ... 70
6.23 Valores de la inductancia del circuito CNU-5410. ... 70
7.1 Valor de la corriente rms..……….….79
7.2 Valor del voltaje rms de línea..……….….79
7.3 Valor de la potencia aparente..……….….79
7.4 Valor de la potencia real……….…81
7.5 Valor del voltaje de la fuente ……….…82
7.6 Valor de Corrientes rms de las fuentes……….…..84
1
CAPÍTULO 1
CALIDAD DE LA ENERGÍA.
1.1.
LA CALIDAD DE LA ENERGÍA.
La energía eléctrica que suministra a sus usuarios la Comisión Federal de Electricidad, es producida en sus centrales eléctricas, utilizando máquinas rotatorias síncronas cuyo campo es excitado con un voltaje de CD e impulsada mecánicamente por una turbina, produciendo así una tensión sinusoidal trifásica en las terminales de su armadura. Si éste voltaje sinusoidal obtenido en las centrales eléctricas, es aplicado a una carga lineal, las corrientes que fluyen en el sistema y las caídas de voltaje son también sinusoidales.
Durante los últimos años ha crecido la preocupación de la CFE, debido al hecho de que la forma de onda de corrientes y voltajes en alimentadores se ha distorsionado por la aparición de armónicas en los sistemas eléctricos, debido principalmente a la introducción masiva de la electrónica de potencia en las redes industriales; así como a la operación cada vez más extendida de la instalación de computadoras y equipo electrónico de control.
Es importante resaltar que las alteraciones en la “calidad de la onda” tienen lugar en los propios procesos de producción de la industria, ya que el empresario con la finalidad de mejorar su producto, para ser más competitivos en el mercado; así como para disminuir sus costos de producción, ha incrementado el empleo de nuevas tecnologías, las cuales de no aplicarse adecuadamente contaminan al sistema eléctrico de la CFE, lo que provoca que se entregue energía eléctrica de mala calidad a otros usuarios conectado a la misma red de distribución.
2 Existen una infinidad de definiciones de calidad de energía, pero de acuerdo a la misión de la División de Distribución Centro Oriente de lograr la satisfacción de nuestros clientes, podíamos definir calidad de energía, como la energía eléctrica entregada al usuario, que le permita el funcionamiento de sus equipos dentro de sus parámetros de diseño, obteniendo de ellos un rendimiento óptimo y una vida útil.
3
1.2.
DEFINICIÓN DE LOS PRINCIPALES DISTURBIOS QUE PRODUCEN
PERTURBACIONES EN LA CALIDAD DE ENERGÍA.
Es importante enmarcar que los términos usados para describir los disturbios que producen perturbaciones en la calidad de energía, frecuentemente tienen diferente significado para diferentes usuarios. Pero muchos atributos de calidad de energía son comúnmente reconocidos. A continuación se da una breve descripción de algunos de los disturbios más comunes, conforme a la Especificación CFE L0000-45 Desviaciones Permisibles en las formas de Onda de Tensión y Corriente en el Suministro y Consumo de Energía Eléctrica.
1.2.1. Pico de voltaje (Spike).
Es un incremento en el nivel de voltaje que dura microsegundos y es debido principalmente por fallas en la red eléctrica, descargas atmosféricas y desconexión de grandes cargas. Ver Fig. 1.1 Pico de voltaje (Spike). 1 5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Fig. 1.1 Pico de voltaje (Spike).
1.2.2. Depresión de voltaje (Sag).
Es un decremento momentáneo (varios ciclos de duración) en el nivel de voltaje y es debido a la conexión de grandes cargas, descargas atmosféricas y fallas en la red eléctrica. Ver Fig.1.2 Depresión de Voltaje (Sag): -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Fig.1.2 Depresión de Voltaje (Sag). P.U.
4
1.2.3. Aumento de voltaje (Swell).
Es un incremento del voltaje de varios ciclos de duración y es ocasionado por la desconexión de cargas grandes y no llega a ser un sobrevoltaje. Ver Fig.1.3 Aumento de Voltaje. (Swell)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Fig.1.3 Aumento de Voltaje. (Swell).
1.2.4. Sobrevoltaje.
Es una condición de voltaje elevado (arriba del valor nominal) que a diferencia del swell de voltaje, dura mucho más tiempo. Es causado por una pobre regulación de voltaje. Ver Fig.1.4 Sobrevoltaje.
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Fig.1.4 Sobrevoltaje. p.u.
5
1.2.5. Parpadeo (Flicker).
Se refiere a las fluctuaciones en el nivel de voltaje. Estas son debidas a la conexión de cargas cíclicas como hornos eléctricos o por oscilaciones subarmónicas (subarmónicas se refiere a señales de frecuencia menor a la fundamental). Por lo general este efecto se observa fácilmente en el cambio de intensidad bajo y alto de lámparas y ruido acelerado y desacelerado de motores. Ver Fig.1.5 Parpadeo (Flicker).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Fig.1.5 Parpadeo (Flicker).
1.2.6. Interrupciones de energía.
Es la pérdida total de potencia. Por lo general se considera interrupción cuando el voltaje ha decrecido a un 10 % del valor nominal o menos. Este es debido a aperturas de líneas, daño de transformadores, operación de fusibles o equipos de protección de la red, entre otras posibilidades. También se consideran interrupciones de energía aquellas que duran milisegundos. Ver Fig.1.6 Interrupción de energía
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Fig.1.6 Interrupción de energía. p.u.
6
1.2.7. Ruido eléctrico.
Es la distorsión (no necesariamente periódica), de la forma sinusoidal del voltaje. Esta es debida a maniobras, transmisores de radio y equipo industrial de arco eléctrico. Ver Fig.1.7 Ruido eléctrico.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-1 5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Fig.1.7 Ruido eléctrico.
1.2.8. Distorsión armónica.
Es la distorsión (periódica) de la forma de onda sinusoidal del voltaje o la corriente. Esta es causada por la operación de equipos no lineales como lo son rectificadores, hornos de arco eléctrico, etc. Este es un fenómeno en estado estable. Ver Fig.1.8 Distorsión armónica.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Fig.1.8 Distorsión armónica.
Como se puede observar unos de los problemas más conocidos y que producen una gran cantidad de problemas por el efecto que produce son las armónicas, las cuales se estudiarán en los siguientes capítulos de esta tesis.
p.u.
7
CAPÍTULO 2
ARMÓNICAS EXISTENTES EN LOS SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN.
2.1
LA IMPORTANCIA Y EFECTOS DE LAS ARMÓNICAS EN LOS
SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN.
Los sistemas de distribución de energía eléctrica han tomado en la actualidad una gran importancia, ya que no existe actividad importante que no dependa de una fuente de energía eléctrica para poder llevarse a cabo, de ahí que es indispensable conocer de la manera más exacta posible el comportamiento de un sistema eléctrico. El análisis del comportamiento de los sistemas de distribución es básico, ya que con diversos elementos, permite recurrir a herramientas bien definidas para poder corregir en su caso las deficiencias que tenga con respecto a la calidad y continuidad del servicio.
Aquí es importante retomar la definición de armónica de la manera en que es utilizada en las redes eléctricas. De esta manera una armónica está definida como una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental (en este caso 60 Hz). Y como en los sistemas eléctricos se tienen señales periódicas. Ver Fig.2.1 Fundamental más tercera armónica de una onda sinusoidal.
8
0 0.005 0.0 0.01 0.02
-0.5 0 0.5
1 fundamental (60 Hz)
tercera armónica (180 Hz.) fundamental más tercera armónica
Fig.2.1 Fundamental más tercera armónica de una onda sinusoidal.
En la actualidad la mayoría de los procesos industriales se encuentran funcionando con dispositivos electrónicos que hacen el trabajo más fácil para todos pero a su vez, contaminan la red eléctrica con armónicas; por lo que se debe tener un entendimiento amplio sobre el tema con el fin de contrarrestar sus efectos nocivos.
Los problemas producidos por el flujo de corrientes armónicas son cada día más significativos en los sistemas eléctricos de potencia, mismos que dependen de la magnitud relativa de las fuentes emisoras y pueden resumirse en la forma siguiente:
• Problemas de funcionamiento en dispositivos electrónicos de regulación, protección y medición tanto de potencia como de control.
• Sobrecalentamiento en conductores del neutro. • Interferencias en sistemas de telecomunicaciones.
• Aumento de pérdidas (I2R) produciendo sobrecalentamiento en los equipos eléctricos tales como motores, transformadores y generadores; así como en las líneas de distribución y cables, debido al incremento en la corriente eficaz (rms), con la consecuentemente disminución de su vida media.
• Vibración en motores y generadores.
• Falla de bancos de capacitores al exceder la corriente debido al contenido armónico del sistema. • Falla de transformadores de distribución.
• Sobrecarga de reactores.
• Efectos de resonancia que amplifican los problemas mencionados anteriormente y pueden
9
2.2
NIVELES DE DISTORSIÓN PERMITIDOS POR LA ESPECIFICACIÓN
CFE L0000-45, PARA CFE Y EL USUARIO.
2.2.1. Normalización.
Para asegurar la integridad en el sistema de potencia global, es preciso establecer límites sobre los niveles de distorsión permisibles que apliquen tanto a los usuarios como a la CFE. Resulta especialmente delicada la relación entre el usuario y la Comisión Federal de Electricidad, ya que ésta última tiene derecho a pedir al usuario que limite la contaminación al sistema de transmisión y distribución y el usuario tiene el derecho a pedir el suministro de una energía con la menor contaminación posible.
En México existe la especificación CFE L0000-45[1], denominada “Perturbaciones permisibles en las formas de onda de tensión y corriente del suministro de energía eléctrica” concerniente a la distorsión armónica permisible. En los Estados Unidos de América la norma IEEE 519[2] “Prácticas recomendadas y requerimientos para el control de armónicas en sistemas eléctricos de potencia”, define entre sus puntos los valores máximos de distorsión permisible. Ambas normatividades se establecen para limitar las corrientes armónicas de cada usuario en lo individual de forma que los niveles armónicos en voltaje en la totalidad del sistema de potencia sean aceptables, siendo su cumplimiento una responsabilidad compartida entre la CFE y los usuarios.
• Comisión Federal de Electricidad. Es su responsabilidad que en la acometida, la distorsión armónica total en voltaje THDv se encuentre dentro de los límites establecidos, por lo que debe asegurarse que condiciones de resonancia en el sistema de generación, transmisión o distribución no ocasionen niveles inaceptables de distorsión en voltaje, aún si los usuarios se encuentran dentro de los límites de generación armónica en corriente.
• Usuarios. Deben de asegurar que en la acometida, la generación de armónicas en corriente se ubique dentro de los límites establecidos, tanto para componentes armónicas individuales como para la Distorsión de Demanda Total TDD, especificándose dichos límites como porcentaje de la demanda promedio de corriente del usuario en lugar de la corriente fundamental instantánea, con el fin de proporcionar una base común de evaluación a lo largo del tiempo.
2.2.2 Valores de distorsión.
10
2.2.3 Recomendaciones del IEEE 519 [2].
La tendencia en México impulsada por la CFE, es la de implantar la norma estándar IEEE-519[2], aunque hasta ahora solo ha aparecido una especificación provisional (CFE L0000-45)[1], la cual se basa en dicha norma. Esta especificación entró en vigor a partir del 21 de Abril de 1995 y la cual se encuentra en revisión.
2.2.4 Límites de distorsión en Voltaje.
Las recomendaciones del IEEE std 519 “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems” son las mostradas en la Tabla 2.1 Limites de distorsión de Voltaje [2]:
Tabla 2.1 Límites de distorsión de Voltaje.
Voltaje del bus IHD THD
≤ 69 KV 3.0 5.0
69 KV< Vbus ≤ 161 KV 1.5 2.5
> 161 KV 1.0 1.5
Los límites de Distorsión Armónica en Voltaje de acuerdo a la especificación CFE-L0000-45 [1] se indican en la Tabla 2.2 Límites de distorsión Armónica en Voltaje en % del voltaje nominal.
Tabla 2.2 Límites de distorsión Armónica en Voltaje en % del voltaje nominal.
Nivel de tensión en la
Acometida (Vn) Distorsión armónica individual Distorsión armónica total THD Vn
Vn < 1 kV 5.0% 8.0%
1< Vn < 69 kV 3.0% 5.0%
69 kV < Vn < 138 kV 1.5% 2.5%
Vn > 138 kV 1.0% 1.5%
2.2.5 Límites de distorsión en Corriente.
Las corrientes armónicas para cada usuario son evaluadas en la acometida y los límites se establecen basados en la relación entre la corriente de cortocircuito y la demanda máxima de corriente de la carga del usuario, de acuerdo a la norma IEEE 519 [2] se indican en la Tabla 2.3 Límites de distorsión de corriente para sistemas de 120 V a 69 kV.
Tabla 2.3 Límites de distorsión de corriente para sistemas de 120 V a 69 kV.
Máxima corriente de distorsión en % de IL. Para armónicas impares.
ICC / IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD
<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0
20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0
50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0
100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0
11 Los Límites máximos de distorsión armónica total de corriente y de la componente armónica individual máxima de corriente para alta tensión mayor de 69 kV y hasta 161 kV, de acuerdo a la norma IEEE 519 [2] se muestran en la Tabla 2.4. para armónicas pares se incrementa el límite en 25% de las impares.
Tabla 2.4 Límites de distorsión de corriente para sistemas de 69 kV a 161 kV.
Máxima corriente de distorsión en % de IL. Para armónicas impares.
ICC / IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD
<20* 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5
20<50 3.5 1.75 1.25 0.5 0.25 4.0
50<100 5.0 2.25 2.0 0.75 0.35 6.0
100<1000 6.0 2.75 2.5 1.0 0.5 7.5
>1000 7.5 2.5 3.0 1.25 0.7 10.0
Para armónicas pares se incrementa el límite en 25% de las impares.
Los límites máximos de distorsión armónica total de corriente y de la componente armónica individual máxima de corriente para alta tensión mayor de 161 kV, de acuerdo a la norma IEEE 519 [2], se muestran en la Tabla 2.5; para armónicas pares se incrementa el límite en 25% de las impares.
Tabla 2.5 Límites de distorsión de corriente para sistemas mayores a 161 kV.
Máxima corriente de distorsión en % de IL. Para armónicas impares. ICC / IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD
<50 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5
>50 3.0 1.5 1.15 0.45 0.22 3.75
Para armónicas pares se incrementa el límite en 25% de las impares.
* Todos los equipos de generación de energía están limitados a estos valores de corriente, sin importar la relación Icc/IL.
- Para las armónicas pares, los límites son el 25% de los valores especificados en la tabla
- No se permite la existencia de componentes de corriente directa, que corresponden a la armónica cero.
• Icc: Debe utilizarse aquella que bajo condiciones normales de operación, resulte en la mínima corriente de cortocircuito en la acometida, ya que este valor reduce la relación Icc/IL y la evaluación es más severa.
• IL: Es la demanda máxima de la corriente fundamental en la acometida y puede calcularse como el promedio de las demandas máximas de corriente mensuales de los últimos 12 meses o puede estimarse para usuarios que inician su operación.
• Los límites son más estrictos para los usuarios que representan mayor carga al sistema, ya que la relación Icc/IL es menor.
12 Los límites de Distorsión Armónica en corriente en la acometida del usuario de acuerdo a la especificación CFE-L0000-45 [1] se indican en la Tabla 2.6 Límites de la distorsión armónica en corriente en la acometida
Tabla 2.6 Límites de la distorsión armónica en corriente en la acometida.
Icc/IL TDD h<11 11<h<17 17<h<23 23<h<35 h>35 Vn < 69 Kv
Icc/IL <20 5.0% 4.0% 2.0% 1.5% 0.6% 0.3%
20 <Icc/IL <50 6.0% 7.0% 3.5% 2.5% 1.0% 0.5%
50<Icc/IL <100 12.0% 10.0% 4.5% 4.0% 1.5% 0.7%
100<Icc/IL
<1000 15.0% 12.0% 5.5% 5.0% 2.0% 1.0%
Icc/IL >1000 20.0% 15.0% 7.0% 6.0% 2.5% 1.4%
69 kV <Vn < 161 kV
Icc/IL <20 2.5% 2.0% 1.0% 0.75% 0.3% 0.15%
20<Icc/IL <50 4.0% 3.5% 1.75% 1.25% 0.5% 0.25%
50<Icc/IL <100
6.0% 5.0% 2.25% 2.0% 0.75% 0.35%
100<Icc/IL
<1000 7.5% 6.0% 2.75% 2.5% 1.0% 0.5%
Icc/IL >1000 10.0% 7.5% 3.5% 3.0% 1.25% 0.7%
Vn > 161 kV
Icc/IL <50 2.5% 2.0% 1.0% 0.75% 0.3% 0.15%
Icc/IL >50 3.75% 3.0% 1.5% 1.15% 0.45% 0.22%
Para las armónicas pares, los límites son el 25% de los valores especificados en la tabla.
- Los límites deben ser usados como el caso más desfavorable de operación normal. Para arranque de hornos eléctricos de arco, que toman un tiempo máximo de un minuto, se permite exceder los límites en 50%.
13
2.3 SISTEMA DE MONITOREO DE LA CALIDAD DE ENERGÍA EN
LA DIVISIÓN CENTRO ORIENTE.
Se tiene que las armónicas pueden fluir a través de las redes eléctricas provocando a su paso una gran cantidad de problemas. De esta manera se tiene que los sistemas de distribución al estar alimentando circuitos alimentadores de tipo residencial, comercial e industrial, traerá consigo la propagación de las armónicas hacia las redes de distribución.
La CFE ha analizado la problemática de la propagación de armónicas, siendo este uno de los principales problemas de la calidad de la energía eléctrica, además de presentarse este fenómeno en su sistema por daños en sus bancos de capacitores.
Con el propósito de conocer, de manera general los niveles existentes de armónicas en los voltajes y corrientes de las diferentes subestaciones y circuitos de distribución de la División de Distribución Centro Oriente que forman el anillo de la red de media tensión de los estados de Puebla y Tlaxcala, en las zonas de distribución de la DDCO, se emplean los sistemas de monitoreo de calidad de energía (SIMOCE) [3] y el sistema de Monitoreo de Energía de la CFE [4], ver Fig. 2.3 THDv y THDI en las zonas de distribución de la división centro oriente.
Los resultados que se obtienen son parte de las mediciones de voltajes y corrientes armónicas, efectuadas en los interruptores de media tensión de las subestaciones de distribución, en la bahía de 34.5 kV y 13.8 kV, después del transformador de potencia, mediciones hechas con el fin de conocer al sistema desde el punto de vista armónico, y por ente la calidad del servicio entregado a nuestros usuarios.
La energía eléctrica que proporcionan el servicio de energía eléctrica a los estados de Puebla y Tlaxcala, proviene de las fuentes principales que son la subestación San Lorenzo Potencia que tiene un banco de 375 MVA y voltaje de transformación de 400 a 115 kV, la subestación Puebla Dos que tiene 2 bancos de 375 MVA y voltaje de transformación de 400 a 115 kV y la subestación Tecali que tiene un banco de 375 MVA y voltaje de transformación de 400 a 115 kV (Ver fig. 2.2 ubicación del sistema eléctrico de subtransmisión y transformación).
14
15 Como se puede ver en la fig. 2.2 ubicación del sistema eléctrico de subtransmisión y transformación, la distancia de separación entre todas las subestaciones de Distribución es relativamente poca y además por la distribución de las fuentes, se tiene un sistema eléctrico robusto.
Las mediciones obtenidas son a través de los transformadores de instrumento (transformadores de potencial y de corriente, TP’s y TC’s) que se tienen instalados y que se emplean para la medición, control y protección del equipo de la subestación.
En la Fig. 2.3 THDv y THDI, se muestran los valores THDv y THDI [4]. En ellas se marca el
límite sugerido ya comentado.
Calidad de Voltaje Cargas Desbalance
Zona Sag‐Swel Cbema‐ITIC
Thd V
<5%
Thd I
<15% MVA <3.5&<7.5 Corriente <15% F.P. >.90 Kvar
<300 & >‐ Gráfico
TLAXCALA 100.00% 100.00% 99.80% 100.00% 99.02% 99.90% 99.90% 99.8%
TEHUACAN 100.00% 100.00% 99.84% 99.46% 95.16% 99.84% 99.84% 99.16%
MATAMOROS 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100%
SAN MARTÍN 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100%
TECAMACHALCO 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 99.03% 99.35% 99.35% 99.68%
PUEBLA PTE. 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100%
PUEBLA OTE. 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100%
DIVISIÓN 100% 100% 99.95 % 99.92 % 99.03 % 99.87 % 99.87 % 99.81 %
Calidad de Energía Optimización
Distorsión de Armónicos Compensación
REPORTE INTEGRAL DE OPTIMIZACIÓN Y CALIDAD DE LA ENERGÍA DIVISIONAL
MAYO DEL 2010
Fig. 2.3THDv y THDI en las zonas de distribución de la división centro oriente.
Puede verse que la zona Tlaxcala y Tehuacán, son las únicas zonas de la División Centro Oriente que en el mes de mayo, la distorsión de armónica está por debajo en los niveles de corriente
THDI, las demás zonas se conserva dentro de los niveles marcados.
16 Fig. 2.4 Criterios de selección de parámetros sistema SIMOCE.
Para obtener las mediciones de voltaje y corriente armónicas se tomaron los datos del Sistema Calidad de Energía. La configuración del sistema eléctrico analizado es fuerte eléctricamente hablando. Después de revisar la totalidad de las lecturas, se manifiesta por un lado, el desbalance, sobretodo de corrientes, y la presencia de señales armónicas, las cuales en algunos casos, rebasan los límites máximos sugeridos. Debido al efecto de los capacitores sobre las armónicas, es importante recalcar que únicamente se tienen trabajando aquellos que están distribuidos a lo largo de cada uno de los alimentadores en media tensión.
Los resultados obtenidos en este sistema puede dar una pauta para estimar que el resto de la red eléctrica de la División de Distribución Centro Oriente, la cual está expuesto a problemas de armónicas, es por esto que es necesario tener en consideración los efectos que pueden provocar las armónicas en las redes eléctricas, porque estas armónicas ya están presentes en la red y se están incrementando día a día a pasos muy grandes.
RANGO MALO SE MONITOREA CRITERIO DE SELECCIÓN
Sag‐Swel
Cbema‐ITIC Variaciones de Voltaje.
De la curva C bema: Voltaje: entre 10% y 80%. Tiempo: entre 0.02
y 3 Seg's.
Por evento en las barras de media tensión.
Más de 5 eventos en un mes en el rango malo, se contabiliza en los evolutivos como una barra fuera del rango en el mes correspondiente.
Thd V
<5%
Distorsión de Armónicos de
Voltaje > 5%
Por lecturas en los circuitos de media
tensión.
De las 96 lecturas diarias (cada 15 min's una), si 24 de ellas estan en el rango malo (>5%) en los evolutivos, se contabiliza como un día malo para el circuito.
Thd I <15%
Distorsión de Armónicos de
Corriente > 15%
Por lecturas en los circuitos de media
tensión.
De las 96 lecturas diarias (cada 15 min's una), si 24 de ellas estan en el rango malo (>15%) en los evolutivos, se contabiliza como un día malo para el circuito.
MVA
<3.5&<7.5
Sobrecarga Circuitos 13.8 kv y 34.5 kv
Circuitos 13.8 kv. (>3.5 MVA). Circuitos 34.5 kv.
(>7.5 mva).
Por lecturas en los circuitos de media
tensión.
De las 96 lecturas diarias, si 24 de ellas en el rango de las 16:00 a 22:00 hrs,estan en el rango malo se contabiliza como un día malo para el circuito.
Corriente
<15% Desbalance en circuitos > 15%
Por lecturas en los circuitos de media
tensión.
De las 96 lecturas diarias, si 24 de ellas estan en el rango malo (>15%) se contabiliza como un día malo para el circuito.
F.P.
>.90 Factor de potencia
Kvar>300 ó Kvar<300 y <0.90
Por lecturas en los circuitos de media
tensión.
De las 96 lecturas diarias, si 24 de ellas estan en el rango malo; (<0.90) se contabiliza como un día malo para el circuito.
Kvar
<300 & >‐300 Compensación de Reactivos
Kvar>300 ó Kvar<300 y <0.90
Por lecturas en los circuitos de media
tensión.
De las 96 lecturas diarias, si 24 de ellas estan en el rango malo; >300 Kvar (falta compensación) se contabiliza como un día malo para el circuito.
17
2.4 NIVELES DE ARMÓNICAS EXISTENTES EN LOS VOLTAJES Y CORRIENTES DEL SISTEMA.
Toda corriente eléctrica fluye por donde se le presenta menor oposición a su paso. Por esta razón, las corrientes armónicas siguen trayectorias distintas, pues se tiene que las impedancias de los sistemas varían según la frecuencia. La reactancia inductiva se incrementa con la frecuencia y la resistencia se incrementa en menor medida, mientras que la reactancia capacitiva disminuye con la frecuencia.
2.4.1. DISTORSIÓN ARMÓNICA.
2.4.1.1 Formas de onda distorsionada.
Cuando el voltaje o la corriente de un sistema eléctrico tienen deformaciones con respecto a la forma de onda sinusoidal, se dice que la señal está distorsionada.
La distorsión puede deberse a:
• Fenómenos transitorios tales como arranque de motores, conmutación de capacitores, efectos de tormentas o fallas por cortocircuito entre otras.
• Condiciones permanentes que están relacionadas con armónicas de estado estable. En los sistemas eléctricos es común encontrar que las señales tendrán una cierta distorsión que cuando es baja, no ocasiona problemas en la operación de equipos y dispositivos. Existen normas que establecen los límites permisibles de distorsión, dependiendo de la tensión de operación y de su influencia en el sistema.
2.4.1.2 Características de la distorsión armónica.
Cuando la onda de corriente o de tensión medida en cualquier punto de un sistema eléctrico se encuentra distorsionada, con relación a la onda sinusoidal que idealmente deberíamos encontrar, se dice que se trata de una onda contaminada con componentes armónicas.
Para que se considere como distorsión armónica las deformaciones en una señal, se deben de cumplir las siguientes condiciones:
• Que la señal tenga valores definidos dentro del intervalo, lo que implica que la energía contenida es finita
• Que la señal sea periódica, teniendo la misma forma de onda en cada ciclo de la señal de corriente o voltaje.
18
2.4.1.3 Definición de señales armónicas.
Este concepto proviene del teorema de Fourier y define que, bajo ciertas condiciones analíticas, una función periódica cualquiera, puede considerarse integrada por una suma de funciones sinusoidales, incluyendo un término constante de componente directa en caso de asimetría respecto al eje de las abscisas, siendo la primera armónica, denominada también señal fundamental, del mismo período y frecuencia que la función original y el resto serán funciones sinusoidales cuyas frecuencias son múltiplos de la fundamental. Estas componentes son denominadas armónicas de la función periódica original. Las ondas simétricas contienen únicamente armónicas impares, mientras que para ondas asimétricas existirán tanto armónicas pares como impares.
Cuando se hacen mediciones de las ondas de corriente o voltaje utilizando analizadores de armónicas, el equipo efectúa estas integraciones mediante la técnica de la trasformada rápida de Fourier, dando como resultado la serie de coeficientes Ah, que expresadas con relación a la amplitud
A1 de la fundamental, constituye el espectro de corrientes armónicas relativo a la onda medida. Estas
señales pueden visualizarse en un sistema tridimensional en el que se representan su magnitud, ubicación en frecuencia y a lo largo del tiempo.
Considerando el teorema de Fourier, se puede interpretar una señal como una onda periódica distorsionada o como suma indefinida de ondas sinusoidales puras de diferentes frecuencias, siendo correctas ambas interpretaciones. Cuando la onda distorsionada incide en filtros o se distribuye en los diferentes buses del sistema de potencia, se irá modificando, desprendiendo sus componentes armónicas y dando como resultado ondas de espectro diferente.
Lo anterior lo podríamos resumir en la siguiente ecuación [8]:
19 e t( ) =E Senm (ω0t)
i t( ) =I Senm (ω0t +φ)
CAPÍTULO 3
EFECTOS DE LAS ARMÓNICAS GENERADAS POR
USUARIOS CONECTADOS AL SISTEMA DE
DISTRIBUCIÓN.
3.1
CIRCUITOS LINEALES
.Cuando se aplica un voltaje sinusoidal a una carga lineal, ésta demanda una corriente sinusoidal. Considerando el circuito lineal alimentado por una fuente sinusoidal de la Fig. 3.1, se tiene que su respuesta también es sinusoidal.
CARGA LINEAL
i(t) + e(t) _
Fig. 3.1 Representación de carga.
Donde tenemos:
(3.1)
(3.2)
Donde la magnitud y el ángulo de fase de la corriente dependen de la carga.
20 Cargas lineales son aquellas en las cuales la señal de voltaje y corriente se siguen una a otra muy estrechamente. Esta relación es mejor conocida como la ley de ohm y es el resultado de la corriente la cual es igual a la relación entre el voltaje y la resistencia, y esta descrita por la ecuación 3.3.
I(t)= v(t)
R
21
e t( ) =E Senm (ω0t)
i t I Sen nn t n n
N
( ) = ( + )
=
∑
ω0 φ1
3.2
CIRCUITOS NO LINEALES.
En los circuitos en los que su curva corriente – voltaje no es lineal, la corriente aplicada no es proporcional al voltaje, resultando una señal distorsionada con respecto a la sinusoidal. La curva característica corriente – voltaje de la carga define si es o no lineal su comportamiento y no se debe pensar que todos los equipos que tienen semiconductores por definición son no lineales.
Existen aplicaciones donde se emplean SCR’s conectados en anti paralelo con control de cruce por cero en los que prácticamente no existe distorsión, considerándose lineales y por otro lado una resistencia con control de fase es una carga no lineal.
La distorsión armónica en los sistemas eléctricos es provocada por las cargas no lineales, contaminando la red y pudiendo afectar incluso a otros usuarios que únicamente posean cargas lineales.
Considerando el circuito no lineal alimentado por una fuente sinusoidal de la Fig. 3.2 se tiene que su respuesta es no sinusoidal.
CARGA NO LINEAL i(t) + e(t) _
Fig. 3.2 Representación de la carga. Donde tenemos:
(3.4)
(3.5)
Las distorsión de la onda sinusoidal en los sistemas eléctricos actuales, se deben a la conexión de cargas no lineales, las cuales su forma de onda de la corriente no es la misma que la del voltaje aplicado, esto es debido, por ejemplo, a la conducción discontinua de corriente durante la conmutación electrónica, en este proceso la corriente fluye solamente durante parte de cada medio ciclo de la frecuencia fundamental.
Cuando se aplica voltaje sinusoidal a una carga no lineal, esta demanda corriente no sinusoidal, los equipos electrónicos con fuentes reguladas por conmutación son cargas no lineales.
Estas cargas no lineales se pueden agrupar en 2 géneros:
22 • Cargas no lineales trifásicas.
Las cargas no lineales monofásicas, podemos encontrarlas en:
Las cargas no lineales trifásicas, podemos encontrarlas en:
Todos estos son convertidores estáticos de potencia que constan de semiconductores de potencia (diodos, SCRs, transistores de potencia). En lo referente a las armónicas en las corrientes de entrada de estas cargas, no importa tanto que se tengan o no control en el ángulo de disparo (diodos, SCRs, transistores de potencia), lo importante es el tipo de circuito en el lado de corriente directa, donde se puede tener un capacitor grande para mantener un voltaje aproximadamente constante (controladores de velocidad de CA), o una inductancia que mantiene más o menos constante las corriente (controladores de velocidad de CD) [5].
23
3.3
FUENTES GENERADORAS DE ARMÓNICAS CONECTADAS AL
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN
.La generación de armónicas es producida por elementos no lineales como elementos saturados y elementos que utilizan componentes de conmutación, tales como rectificadores y cualquier otro que utilice dispositivos electrónicos [5].
3.3.1 Convertidores.
Los convertidores son dispositivos que inyectan armónicas al sistema de corriente alterna debido a la operación de los elementos de conmutación (tiristores). Un rectificador común es el que se muestra en la Fig. 3.3. [5].
vabc(t)
+ vcd (t)
-c b a 6 5 3 2 4
v++(t)
1
v--(t)
iabc(t)
icd(t)
0 0 01 0 02 0 03
0
vcd(t)
Vmax
Forma esquemática Voltaje en el lado de CD
Fig. 3.3. Rectificador trifásico.
La generación de armónicas en este caso depende de la operación del propio rectificador y de la carga que alimenta. Cabe mencionar que dependiendo de la operación del rectificador, así serán la magnitud y armónica que se genera.
3.3.2 Hornos de inducción.
24 3.3.3 Compensadores estáticos de potencia.
Los compensadores estáticos utilizan tiristores para el control de la potencia reactiva, los cuales son utilizados para el control de potencia reactiva y así mismo para el control de voltaje en redes de transmisión principalmente. La Fig. 3.4 presenta el modelo de un TCR monofásico [5].
VS (t)
i
R (t) +VR (t)
-LR
Fig. 3.4 TCR monofásico.
Como se puede observar en la Fig. 3.5 [5], el TCR inyecta diferentes armónicas dependiendo del ángulo de disparo, algunas armónicas (múltiplos de tres) se pueden eliminar si se tiene un TCR trifásico conectado en delta como se indican en la Fig. 3.6
0 50 100 150 200
0 0.05 0.10 0.15
3a armónica 5a armónica
7a armónica
9a armónica
mag.
p.u.
ángulo de conducción (grados)
25 Fig. 3.6 Conexión delta de un TCR.
3.3.4 Hornos de arco eléctrico.
Estos hornos son utilizados para la fundición del acero, por lo general se utilizan electrodos los cuales al hacer contacto con el acero crean un arco eléctrico de tal magnitud que funde el acero. Por este motivo, los hornos de arco eléctrico son cargas que no se encuentran en estado estable, por lo general estos hornos inyectan las armónicas indicadas en la Tabla 3.1 [5].
Tabla 3.1 característica del horno de arco eléctrico.
Proceso % de la corriente fundamental
2 3 4 5 7 Al inicio de la fundición (arco activo) 7.7 5.8 2.5 4.2 3.1
Refinamiento (arco estable) 0.0 2.0 0.0 2.1 0.0
La Fig. 3.7 muestra una forma de onda de corriente típica de un horno de arco eléctrico. Es importante mencionar que al momento de entrar en operación este horno de arco, repercute fuertemente en el voltaje provocando caídas de tensión muy grandes [5].
26 3.3.5 Saturación de transformadores.
La saturación de transformadores provoca la generación de armónicas, pues se trata de un elemento no lineal, las armónicas generadas por la saturación son las armónicas impares, principalmente la 3a. La generación de estas armónicas se presenta en estado estable para cuando el transformador está sobrecargado, provocando que el transformador opere en su región no lineal como se muestra en la Fig. 3.8 [5].
0 0.005 0.0 0.01 0.02
--0.5 0 0.5 1 voltaje voltaje corriente característica nolineal 0 0.005 0.01 0.015 0.02
-2 -1 0 1 2
corriente
Fig. 3.8 Característica de saturación de un transformador.
Otra de las formas más comunes de la generación de armónicas en el transformador es en el momento de su energización. Durante este fenómeno transitorio de la energización, la corriente que toma el transformador es rica en armónicas pares e impares y puede llegar a durar hasta algunos minutos. Este fenómeno se muestra en la Fig. 3.9 Corriente de energización de un transformador trifásico.
26-Feb-98 16.48.53
0 50 100 150 200
-15 -10 -5 0 5 10 15 t [ms] ( 6) X0001A - XX0029 ( 5) X0001C - XX0019 ( 4) X0001B - XX0006
27 3.3.6 Lámparas fluorescentes.
Las lámparas fluorescentes son otro tipo de cargas que generan armónicas, estas armónicas son generadas por el efecto de los balastros y los dispositivos no lineales y electrónicos que utilizan para su funcionamiento. La Tabla 3.2 Factor de potencia y THDI para lámparas comerciales. muestra algunas de características de algunas lámparas. [5].
Tabla 3.2 Factor de potencia y THDI para lámparas comerciales.
Lámpara Factor de
potencia THDI (%)
Phillips 23W (electronic choke)
0.6 113.6
Phillips 23W (reactor-type choke)
0.6 12.7
B&Q 9W
(electronic choke) 0.5 141.5
Ring 9W (electronic choke)
0.5 153
Omega 60W
(Tungsten) 1.0 2.5
Las lámparas ahorradoras son una fuente importante de armónicas que en conjunto, por ejemplo el alumbrado público, puede acarrear grandes problemas por la magnitud de estas armónicas en las cuales predomina la tercera armónica. [5].
3.3.7 Equipo de cómputo.
El equipo de cómputo, y en general el equipo de oficina, funcionan en base a una fuente de alimentación la cual es un puente rectificador el cual tiene la característica natural de generar armónicas. [5].
3.3.8 Equipo doméstico.
El equipo doméstico en la actualidad es electrónico, por tanto son fuentes de armónicas, entre el equipo más común generador de armónicas se mencionan el televisor, videocasetera, y el horno de microondas, etc. [5].
De esta manera se puede pensar que una casa habitación de clase media genera armónicas las cuales sumando estas corrientes provenientes de todo un fraccionamiento o colonia, van a dar a los alimentadores, los cuales estarán expuestos a transportar corrientes armónicas, principalmente la tercera armónica.
28
3.4
EFECTOS DE LAS ARMÓNICAS AL SISTEMA DE
DISTRIBUCIÓN.
Los efectos que las armónicas producen a los equipos las podemos resumir de la manera siguiente:
3.4.1 Máquinas rotatorias.
Las máquinas como los motores y generadores están expuestos a operar bajo condiciones no ideales, estas condiciones implican las armónicas las cuales tienen un efecto considerable sobre la operación de estas máquinas.
3.4.1.1 Motores de inducción.
El efecto de las armónicas y desbalances en el sistema sobre los motores, se presenta principalmente en el calentamiento del mismo provocando pérdidas en el núcleo, además de que provoca pares parásitos en la flecha del mismo provocando pares pulsantes, Fig. 3.10 Par eléctrico del motor ante condiciones desbalanceadas., los cuales llevan al motor a una degradación rápida del mismo [5].
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
-2 0 2 4 6 8 10 12 Par eléctrico
Fig. 3.10 Par eléctrico del motor ante condiciones desbalanceadas.
Más sin embargo uno de los casos más problemáticos es cuando en el voltaje de alimentación de los motores se encuentran voltajes armónicos múltiplos de tres, además de que estos voltajes pueden ser desbalanceados.
3.4.1.2 Generador síncrono.
29 provocando este a su vez una corriente en el estator de tercera armónica. Este proceso continua provocando la distorsión armónica de la corriente y por ende la del voltaje.
De igual manera cuando el generador síncrono alimenta a una carga a través de un rectificador, entonces se tiene un sistema trifásico balanceado no sinusoidal, esto indica que habrá la circulación de corrientes de secuencia positiva (fundamental, y 7a) y de secuencia negativa (5a y 11a), de esta manera existirá el fenómeno de conversión de frecuencias con el generador. Provocando así que las armónicas se generen de dos lados: de la carga y la generación, ocasionando el difícil control de las armónicas, como se observa en la Fig. 3.11 Grupo generador-filtro de 5 armónica- rectificador.
Fig. 3.11 Grupo generador-filtro de 5 armónica- rectificador.
3.4.2 Protecciones.
Las armónicas provocan que los dispositivos de protección tengan una operación incorrecta, tal es el caso de algunas protecciones de sobrecorriente que censan la corriente del neutro. Esta corriente del neutro se ve incrementada grandemente con la presencia de terceras armónicas.
Otras protecciones tienden a operar en pendientes pronunciadas de corriente, está pendiente se puede incrementar con las armónicas y no necesariamente es una falla.
Otras protecciones se ven afectadas por las corrientes armónicas de secuencia negativa que aparentan venir de una falla.
30 Electric de inducción. Como se observa presentan unas variaciones ante la presencia de armónicas en la corriente (corriente proveniente de un rectificador no controlado de 6 pulsos con carga resistiva), y por lo tanto se está expuesto a tener una mala coordinación de protecciones para cuando el relé está expuesto a armónicas [5].
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 2 4 6 8 10 12 14 16
con armónicas
sin armónicas
amp
seg
2 3 4 5 6 7 8 9
0 2 4 6 8 10 12 14 16
seg.
amp
con armónicas
sin armónicas
a) Relé Westinghouse b) Relé General Electric 121AC51B806A
Fig. 3.12 Curvas de tiempo inverso de un relé 51 de inducción en la presencia de armónicas.
31 3.4.3 Equipo electrónico.
Las corrientes armónicas provocan la distorsión de los voltajes en los nodos de alimentación, esta distorsión en el voltaje provoca la mala operación de dispositivos electrónicos más sensibles, tales como equipo de cómputo, PLC’s (controladores lógicos programables), y equipos de control y procesos, pues requieren de una alimentación totalmente limpia. En las Fig. 3.13 Forma de onda provocada por un manejador de velocidad para motor de inducción de 75 HP., y Fig. 3.14 Forma de onda del voltaje provocada por un rectificador de onda completa no controlada que alimenta una carga resistiva., se puede observar que si un equipo sensible se encuentra en el mismo nodo de alimentación que estas cargas, entonces tendrá problemas muy drásticos, pues se tiene un voltaje muy distorsionado [5].
