1 1
INFORME TÉCNICO
INFORME TÉCNICO
MEDICIÓN TRIFÁSICA DE CALIDAD DE ENERGÍA
MEDICIÓN TRIFÁSICA DE CALIDAD DE ENERGÍA
Sub-Estación de Estación de Bombeo Nº
Sub-Estación de Estación de Bombeo Nº
2
2
CLIENTE:
CLIENTE:
EMPRESAS CONSORCIO ACIDUCTO S.A.
TAB
TABLA DE CONTENILA DE CONTENIDOSDOS
01.- Antecedentes 01.- Antecedentes
02.- Medición de frecuencia (Hz) 02.- Medición de frecuencia (Hz)
03.- Medición de Voltaje (Fase-Neutro) 03.- Medición de Voltaje (Fase-Neutro) 04.- Medición de Voltaje (Fase-Fase) 04.- Medición de Voltaje (Fase-Fase) 05.- Medición de corriente (A)
05.- Medición de corriente (A) 06.- Potencia (KVA, KW y KVAR) 06.- Potencia (KVA, KW y KVAR) 07.- Energía (Kwh)
07.- Energía (Kwh) 08.- FP Y DFP 08.- FP Y DFP
09.- Distorsión Total de Armónicos de Voltaje (T
09.- Distorsión Total de Armónicos de Voltaje (T HDv)HDv) 10.- Distorsión Individual de Armónicos de Voltaje (Uh) 10.- Distorsión Individual de Armónicos de Voltaje (Uh) 11.- Distorsión Total de Armónicos de
11.- Distorsión Total de Armónicos de Corriente (THDi)Corriente (THDi) 12.- Distorsión Individual de Armónicos de Corriente (Ah) 12.- Distorsión Individual de Armónicos de Corriente (Ah) 13.- Conclusiones Generales
3
1.- ANTECEDE NTES
1.1.- I ntr oducción
En el marco de las mejoras y mantenimiento que realiza periódicamente la empresa Consorcio Aciducto S.A., a sus instalaciones, ha requerido el servicio de mediciones de calidad de energía eléctrica en la Sub-Estación de 150 KVA asociada a la Estación de Bombeo Nº 2.
Las mediciones fueron realizadas entre los días 18 y 25 de agosto de 2015
Las instalaciones de la empresa Consorcio Aciducto S.A se encuentran emplazadas entre Chuquicamata y Radomiro Tomic, II Región.
1.2.- L ugar específico de la medición
La medición fue realizada aguas abajo de la Sub-Estación de 150 KVA y a la entrada del TDF que suministra energía a la Estación de Bombeo Nº 2.
1.3.- Pr opósito de las mediciones de cali dad de energía
La proliferación de equipos de control, electrónica de potencia y automatización han aumentado los problemas de confiabilidad en la producción. Los equipos electrónicos son una fuente de perturbaciones para la calidad de la energía eléctrica, debido a que distorsionan las ondas de tensión y corriente. Por otro lado los equipos de control y automatización son muy sensibles a la distorsión o magnitud de la onda de tensión, por lo que una variación en la calidad de la energía eléctrica, puede ocasionar fallas que podrían parar la producción, ocasionando tiempo perdido y costos de producción inesperados.
El estudio de calidad de energía es indispensable para identificar y medir las perturbaciones que pudiesen existir en la red eléctrica, luego es posible dar soluciones precisas a cada caso. 1.4.- Nor mas
A continuación se enumeran las normas y decretos que serán considerados en la elaboración del presente análisis.
D.S.N° 327/1997 IEEE 519
1.5.- Etapas del presente estudio de cal idad de energía eléctr ica El estudio se realiza en las siguientes etapas:
1. Levantamiento en terreno de los puntos a medir 2. Instalación de instrumentos de medida
3. Retiro de instrumentos de medida 4. Análisis de datos registrados 5. Edición del informe técnico
6. Entrega y explicación del informe técnico al cliente. 1.6.- In str umento uti li zado
Se utilizó el siguiente analizador trifásico de calidad de en ergía:
5
2.- MEDICIÓN DE FRE CUE NC IA (Hz)
2.1.- Defi ni ción
En un sistema eléctrico, la generación y la demanda deben ser iguales en todo momento. La frecuencia mide el equilibrio entre la generación y la demanda. La frecuencia del sistema es resultado de la velocidad de los rotores de los generadores. Si la generación fuera mayor que la demanda la frecuencia aumentaría. Por el contrario, si la generación fuese menor que la demanda la frecuencia disminuiría.
2.2.- Val ores de Referencia
Decreto Supremo N° 327/1997, Rango aceptado: Entre 49,8 y 50,2 el 94 % del periodo de 7 días de medición.
2.3.- Causas que ori gin a variaciones de frecuenci a
En condiciones normales de funcionamiento, la capacidad de generación conectada a una red eléctrica es superior al consumo. Para ello, se mantiene una reserva de energía ro dante, es decir, una capacidad no utilizada que puede compensar las variaciones bruscas de carga y mantener la frecuencia dentro de un margen de tolerancia. No obstante, son posibles condiciones excepcionales en las que se produzca un desequilibrio importante entre la generación y la carga, dando lugar a una variación de la frecuencia. Pueden darse los siguientes casos:
1. L a carga es superi or a la generación . En este caso, la frecuencia disminuye. Su velocidad de caída dependerá:
a. De la reserva de energía rodante.
b. De la constante de inercia del conjunto de los generadores conectados a la red.
2. L a carga es inf eri or a la generación.
En este caso, la frecuencia aumenta. El equilibrio se restablece mediante un proceso análogo al anterior, actuando sobre los sistemas de regulación de los alternadores para disminuir su capacidad de generación. El equilibrio se alcanza de forma mucho
2.4.- Gr áfico de F recuencia (H z)
2.5 Observaciones y/o comentarios de la M edici ón de Fr ecuencia
La frecuencia se mantuvo dentro del rango de 49,8 y 50,2 Hz más de un 94 % del tiempo de medición que establece el D.S. 327/1997, por lo tanto esta variable cumple las exigencias establecidas por norma.
Sin embargo se pueden apreciar variaciones de frecuencia en el gráfico anterior, estas variaciones no están relacionadas con el consumo en la sub-estación bajo prueba, sino que, es por conexión y desconexión de grandes cargas conectadas en otro punto aguas arriba a la misma red de media tensión.
Cabe hacer presente que en esta aplicación, no hay conectados aguas abajo equipos electrónicos que utilicen la frecuencia como referencia de tiempo, el motor conectado lo hace a través de un VDF, evitando variaciones de velocidad, vibraciones y potencia.
7
3.- MED ICIÓN DE VO L TA J E (FAS E - NEUTRO)
3.1.- Defi ni ción
La estabilidad de voltaje se define como la capacidad que tiene un Sistema Eléctrico de Potencia para mantener una magnitud de voltaje estable en todos los nodos del sistema, bajo condiciones normales de operación y después de estar sujeto a perturbaciones.
3.2.- Val ores de Referencia Decreto Supr emo N°327/1997
A rt ícu lo 243 .- La norma técnica fijará las magnitudes de la tensión nominal de 50 Hz. El proveedor del servicio deberá indicar explícitamente a cada usuario, la tensión en el punto de conexión entre ambos, en adelante punto de conexión.
Las variaciones u holguras permitidas de la tensión nominal en el punto de conexión, serán las siguientes:
a) En Baja Tensión (BT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión medido de acuerdo con la norma técnica correspondiente, deberá estar dentro del rango de -7,5% a +7,5% durante el 95% del tiempo de cualquier semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro.
b) En Med ia Tensión (MT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión medido de acuerdo con la norma técnica correspondiente, deberá estar dentro del rango -6,0% a +6,0% durante el 95% del tiempo de cualquiera semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro.
3.3 Gráfico de Vol taje, fase R (azul ), F ase S (negro) y F ase T (r ojo)
3.4 Observaciones y/o Comentar ios de la M edici ón de Voltaje
El voltaje entre Fase y Neutro cumple los límites establecido por el DS 327/1997 (203,5 a 236,5 VAC).
En el gráfico se puede apreciar series de fluctuaciones esporádicas o repetitivas, estas son producidas por cambios cíclicos o aleatorios de cargas en la red, en este caso aguas arriba de
la red, debido a que estas se mantienen en los momentos en que el aciducto se encuentra detenido. La manera de proteger los equipos electrónicos y de control es a través de UPS´s robustas de doble conversión Online, lo que permitirá mantener a la entrada del sistema de control un voltaje constante y una onda sinusoidal pura con una distorsión total de armónicos de voltaje (THDv) < 5 %, lo que permitirá aumentar la vida útil del sistema de control y del mismo modo aumentar la confiabilidad y disponibilidad del p roceso.
Por otra parte, es recomendable instalar supresores de transientes trifásicos en la barra del tablero de distribución, esta mejora permitirá no exponer al VDF, UPS y equipos electrónicos a transitorios de alto voltaje de origen atmosférico, caídas de postes que soportan la línea de media tensión o por transitorios de voltajes provocados en procesos existentes en otras plantas conectadas aguas arriba en la misma red eléctrica.
9
4.- MED ICIÓN DE VO L TA J E (FAS E - FAS E)
4.1.- Defi ni ción
La estabilidad de voltaje se define como la capacidad que tiene un Sistema Eléctrico de Potencia para mantener una magnitud de voltaje estable en todos los nodos del sistema, bajo condiciones normales de operación y después de estar sujeto a perturbaciones.
4.2.- Val ores de Referencia Decreto Supr emo N°327/1997
A rt ícu lo 243 .- La norma técnica fijará las magnitudes de la tensión nominal de 50 Hz. El proveedor del servicio deberá indicar explícitamente a cada usuario, la tensión en el punto de conexión entre ambos, en adelante punto de conexión.
Las variaciones u holguras permitidas de la tensión nominal en el punto de conexión, serán las siguientes:
a) En Baja Tensión (BT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión medido de acuerdo con la norma técnica correspondiente, deberá estar dentro del rango de -7,5% a +7,5% durante el 95% del tiempo de cualquier semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro.
b) En Med ia Tensión (MT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión medido de acuerdo con la norma técnica correspondiente, deberá estar dentro del rango -6,0% a +6,0% durante el 95% del tiempo de cualquiera semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro.
4.3 Gráfico de Vol taje, fase R (azul ), F ase S (negr o) y F ase T (r ojo). Se captur a el corte de energía.
4.4 Gráfico de Vol taje, fase R (azul), F ase S (negro) y F ase T (rojo). Se captur a la conexi ón de voltaje.
11
4.5 Observaciones y/o Comentar ios de la M edici ón de Voltaje
El voltaje cumple los límites establecido por el DS 327/1997 (351,5 a 408,5 VAC), en el gráfico 4.4 se puede apreciar que el nivel de voltaje durante la conexión es correcto.
En el gráfico se puede apreciar series de fluctuaciones esporádicas o repetitivas, estas son producidas por cambios cíclicos o aleatorios de cargas en la red, en este caso aguas arriba de
la red, debido a que estas se mantienen en los momentos en que el aciducto se encuentra detenido. La manera de proteger los equipos electrónicos y de control es a través de UPS´s robustas de doble conversión Online, lo que permitirá mantener a la entrada del sistema de control un voltaje constante y una onda sinusoidal pura con una distorsión total de armónicos de voltaje (THDv) < 5 %, lo que permitirá aumentar la vida útil del sistema de control y del mismo modo aumentar la confiabilidad y disponibilidad del p roceso.
Por otra parte, es recomendable instalar supresores de transientes trifásicos en la barra del tablero de distribución, esta mejora permitirá no exponer al VDF, UPS y equipos electrónicos a transitorios de alto voltaje de origen atmosférico, caídas de postes que soportan la línea de media tensión o por transitorios de voltajes provocados en procesos existentes en otras plantas conectadas aguas arriba en la misma red eléctrica.
5.- MEDICIÓN DE CO RRIEN TE (A )
5.1 Gráfico de Corr iente Fase R (A zul ) F ase S (Negro) y F ase T (Roj o)
5.2 Observaciones y/o Comentar ios de la M edici ón de Corr iente
Es posible apreciar que el consumo de corriente es de un 45,2 % respecto a la capacidad total de la sub-estación, por lo tanto, se puede concluir que la vida útil del transformador no está siendo afectada por consumos superiores a su capacidad.
13
6.- POTENCIA (K VA Y K W)
6.1.- Gráfico de Potenci as Acti va (Azul ), Apar ente (Negro), Reactiva (Roj o)
6.2 Observacion es y/o Comentar ios de la M edición de Potenci as
Es posible apreciar que la potencia máxima demandada es de 63,2 KVA lo que equivale a u n 42 % respecto a la capacidad de la Sub-Estación, quedando una potencia disponible de 87 KVA.
7.- ENERGIA (Kw h)
7.1.- Gr áfico de Energía
7.2 Observaciones y/o Comentar ios de la M edici ón de Ener gía Con sumida
El consumo de energía durante el periodo de mediciones fue de 5,62 Mwh, por lo tanto, se podría inferir que el consumo aproximado mensual de la estación de bombeo Nº 2 es de 24
15
8.- F P y DPF
8.1.- Defi ni ciones
Factor de potencia de desplazamiento (DPF):
Es la componente de desplazamiento del factor de potencia.
Es la relación de la potencia activa de la onda fundamental (W) y la potencia aparente
de la onda fundamental (VA). DPF = V1*I1 Cos (
θ
v1 – θi1)---V1*I1
Factor de Potencia:DFP * Distorsión del factor de potencia
Distorsión del FP: P V1*I1 Cos (
θ
v1 – θi1) I1 I1--- = --- = --- = ---VI*Cos (
θ
v-θ
i1) V1IS*Cos (θ
v-θ
i1) Is I1√(1+THDi2)8.2 Gráfico de PF (Roj o) y DPF (A zul )
8.3 Observaciones y Comentar ios de la M edici ón de Factor de Potencia
De acuerdo a los resultados obtenidos
, se puede apreciar que el Cos ᴓ
(DFP) es de 0,99. Respecto al factor de potencia (PF) donde se incluyen los armónicos es de un 0,929, esta situación no se explica por la existencia de cargas inductivas, sino que está correlacionada en la potencia armónica consumida por el VDF, principal carga conectada a la sub-estación, la que es de tipo no lineal.17
09.- Disto rsión Total de A rm ónic os de Voltaje
(THDv)
09.1.- Valores de Referencia
La norma IEEE 519 y el Decreto Supremo 327/1997establece para una tensión en la acometida < a 69.000 VAC los siguientes límites:
Para armónicos individuales: Establece que estos deben ser < a 3% respecto a la
tensión de la frecuencia fundamental (50 Hz)
Para la THDv: Establece que su valor debe ser menor o igual a un 5% respecto
a la tensión de la frecuencia fundamental.
09.2.- Gráfico de TH Dv (%)
09.3 Observaciones y/o Comentar ios de la M edici ón de Ar móni cos de Vol taje
En el gráfico 9.3 se puede apreciar que la distorsión total de armónicos de voltaje (THDv) en el punto de medición, no cumple el estándar IEEE
–
519 y DS 327/1997 (límite establecido con la línea roja), donde el valor recomendado es < 5%. Mientras el aciducto se encuentraen operación el THDv se mantiene alrededor de un 6 % y cuando está detenido o fuera de servicio el THDv se encuentra alrededor de un 2,5 %.
Respecto a la distorsión existente mientras el aciducto está detenido, esta distorsión viene de la fuente, o sea desde Codelco, la que cumple las normativas nacionales e internacionales que regula el parámetro THDv.
La distorsión provocada durante la operación del aciducto, tiene su origen en el VDF asociado a la bomba de la Estación de Bombeo Nº 2. En la siguiente tabla se ev alúa el efecto sobre los equipos que son sensibles a la distorsión de la forma de onda de voltaje:
Equipo Efecto Evaluación Afecta (Si/No)
Banco de condensadores
Calentamiento y falla No hay No Equipos de control Pérdida de
información y datos erróneos
La alimentación se hace a través de UPS
No
Motores eléctricos Vibraciones y pérdida de eficiencia
No se alimenta directo a la red
No Equipos de medida Errores de lectura No hay No
Por lo anteriormente expuesto, esta variable a pesar de encontrarse un 1 % por sobre la norma no afecta la vida útil de los dispositivos eléctricos y electrónicos conectados a la red, por lo tanto no es necesario realizar mejoras a parte de instalar UPS´s robustas Online de doble conversión.
19
10.- Disto rsión ind ivid ual de arm ónic os de Voltaje
(Vh)
10.1.- Valores de Referencia
La norma IEEE 519 y el Decreto Supremo 327/1997establece para una tensión en la acometida < a 69.000 VAC los siguientes límites:
Para armónicos individuales: Establece que estos deben ser < a 3% respecto a la
tensión de la frecuencia fundamental (50 Hz)
Para la THDv: Establece que su valor debe ser menor o igual a un 5% respecto
a la tensión de la frecuencia fundamental.
10.3 Observaciones y/o Comentar ios de la M edici ón de Ar móni cos de Vol taje
En el gráfico 10.2 se puede apreciar que la distorsión individual de armónicos de voltaje en el punto de medición no cumple el estándar IEEE - 519 y DS 327/1997 (límite establecido con la línea roja), donde el valor recomendado es < 3%. En el grafico anterior es posible identificar que la frecuencia armónica predominante el quinto armónico, o sea 250 Hz, el que alcanza un valor de un 4,8 %, superando el límite establecido por norma (3 %).
Sin embargo como se explicó en el punto anterior esta condición no afecta este proceso en particular.
11.- Distorsión Total de Armónicos de Corriente (THDi)
11.1.- Valores de referencia
Respecto a la distorsión total de armónicos de corriente (THDi). El decreto supremo N° 327/1997 y Norma IEEE 519 establecen los siguientes límites de la THDi para cargas no lineales en el punto común de acoplamiento con otras cargas, para voltajes entre 120 – 69.000 VAC.
Máxima Distorsión Armónica Impar de Corriente, en % del Armónico Fundamental.
ISC/IL <11 11<=h<17 17<=h<23 23<=<35 35<=h THDi <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 >1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 11.2.- Cálculo de ISC/IL
Isc: Corriente simétrica cortocircuito V: Voltaje de línea
21
Cálculo de ISC/IL
ISC= 150/(√3*380*0,04) = 5,69 KA IL = 0,098 KA
Por lo tanto ISC/IL= 5,69/0,098 = 58,14 11.3.- Gráfico de THDi (%)
11.4 Observaciones y/o r ecomendaci ones
Para la Distorsión Total de Armónicos de Corriente se determina un punto de acometida común (PCC), en este caso es el punto de medición y mediante la relación entre la corriente de Cortocircuito y la corriente consumida se establece un límite de contaminac ión armónica, siendo el resultado 58,14, definiendo el límite en el rango de 50
–
100 como indica la tabla anterior.Para este caso particular en la siguiente tabla se puede ver las consecuencias de tener armónicos de corriente y cómo afectan en este caso.
Efecto Observaciones
Sobre cargas de conductores neutros No aplica por no existir armónicos tripplens altos o de secuencia cero.
Sobrecalentamiento de transformadores Factor K = 9, provocando una desclasificación térmica de la capacidad del transformador a un 76 % de su capacidad. En las actuales condiciones de operación existe una demanda máxima de un 42 %, por lo que la actual condición no reviste peligro de exceso de temperatura en el transformador
Disparo intempestivos de los interruptores automáticos
La corriente que circula a través de los interruptores automáticos no supera el 50 % de su capacidad, por este motivo la actual condición no provoca disparo intempestivo en las protecciones.
Sobrecargas de los condensadores de corrección del factor de potencia.
No existe banco de condensadores en las estaciones de bombeo por no tratarse de cargas inductivas sino del tipo electrónicas (no lineales).
Efecto superficial o piel en conductores La capacidad de corriente utilizada en la sub-estación no supera el 45 %, por lo que los conductores pueden soportar las corrientes superficiales sin calentarse en exceso como para degradar su aislación.
Nota Importante: Si se cambian las condiciones de operación, o sea, si se aumenta la capacidad de bombeo o los m3/h transferidos se debe reevaluar este punto, debido a que se podría superar la capacidad del transformador, considerando el factor K o grado de
desclasificación existente a causa del alto contenido de armónicos de corrientes.
Si aumentara la demanda a valores que no puede soportar la sub-estación por el contenido de armónicos, se debiera evaluar instalar filtros activos o VDFs con rectificadores activos IGBT.
23
12.- Armónicos Individuales de Corriente (%)
12.1.- Valores de Referencia ISC/IL <11 11<=h<17 17<=h<23 23<=<35 35<=h THDi <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 >1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 12.2 Armónicos de corriente en %
12.3 Armónicos de corriente en Amperes
12.2 Observaciones y/o r ecomendaci ones
25
Como se puede apreciar en el siguiente gráfico la corriente RMS sube desde 88 Amperes, en caso de no tener contaminación de armónicos a 92,8 Amperes con el actual contenido de armónicos, esta es la razón por la que interruptores automáticos pueden disparase intempestivamente.
13.- Conclusiones Generales
Consecuente con los resultados obtenidos en el presente informe, se sugiere realizar las siguientes mejoras:
Instalar en cada una de las salas eléctricas de las estaciones de bombeo y sala de
control, UPS´s robustas con tecnología Online de doble conversión de 3 KVA, con el propósito de alimentar el sistema de control con una tensión sinusoidal estable, con contaminación armónica menor a un 5% y disponer de un tiempo de autonomía no menor a ½ hora. Estas UPS´s deben contemplar un transformador de aislación galvánica con el propósito de disminuir el voltaje entre neutro y tierra.
Instalar supresores de transientes en cada TDF con el propósito de evitar que
transitorios de voltaje puedan dañar UPS´s y VDF´s.
En caso de aumento de carga mecánica en los motores por aumento de caudal, se debe
revisar la demanda eléctrica máxima a la entrada de cada sub-estación, con el propósito de no superar la capacidad disponible de esta, considerando la
desclasificación en el transformador por alto contenido de armón icos de corriente.
Se sugiere medir el sistema de puesta a tierra de toda la instalación (SPT) con el
propósito de cumplir las exigencias de la Nch 4/2003 en lo que respecta a tierra de protección.
Esperando esta información sea de utilidad se despide Atentamente,
Adonis Ramos Analista predictivo
División Ingeniería y Mantenimiento Predictivo Interpetrol S.A.
