UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA, INFORMÁTICA Y MECÁNICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
Plan de tesis:
ANÁLISIS DE ARMÓNICOS EN LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE DOLORESPATA EN 138/10.6 KV
ASESOR: Ing. Manuel Lau Pacheco PRESENTADO POR: Br. Antony Jhosimar Altamirano Alegría Br. Alex Rogelio Soto Enríquez
Cusco, Febrero de 2017
i
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE GENERAL ................................................................................................................ ii PRESENTACIÓN .................................................................................................................. iv 1.
MARCO REFERENCIAL ...............................................................................................1
2.
EL PROBLEMA. .............................................................................................................2 2.1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................2
2.2.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.......................................................................5
2.2.1.
PROBLEMA PRINCIPAL ....................................................................................5
2.2.2.
PROBLEMAS ESPECÍFICOS ..............................................................................5
2.3.
3.
2.3.1.
OBJETIVO GENERAL .....................................................................................5
2.3.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................6
HIPÓTESIS Y VARIABLES ...........................................................................................6 3.1.
4.
OBJETIVOS ..............................................................................................................5
HIPÓTESIS ...............................................................................................................6
3.1.1.
HIPÓTESIS GENERAL ....................................................................................6
3.1.2.
HIPÓTESIS ESPECIFICAS ..............................................................................6
3.2.
VARIABLES E INDICADORES .............................................................................7
3.3.
JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA .......................................................................8
3.4.
ALCANCES Y LIMITACIONES .............................................................................9
METODOLOGÍA ...........................................................................................................10 4.1.
TIPO DE INVESTIGACIÓN ..................................................................................10
4.2.
NIVEL DE INVESTIGACIÓN ...............................................................................10
4.3.
DISEÑO DE INVESTIGACIÓN ............................................................................11
4.4.
POBLACIÓN...........................................................................................................11
4.5.
TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ...................12
5.
MARCO TEÓRICO .......................................................................................................13
6.
CONTENIDO PRELIMINAR .......................................................................................22
7.
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................26
8.
ADMINISTRACIÓN DEL PROYECTO ......................................................................28
9.
MATRIZ DE CONSISTENCIA .....................................................................................29
ii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura N° 1: Ubicación Geográfica de la Subestación Eléctrica de Dolorespata.....................1 Figura N° 2: Espectro de Armónicos individuales de Tensión en la barra de 10.6 KV de la subestación eléctrica de Dolorespata ........................................................................................3 Figura N° 3: Espectro de Armónicos individuales de Corriente en la barra de 10.6 KV de la Subestación Eléctrica de Dolorespata.......................................................................................4 Figura N° 4: Limites de THD y V’i según NTCSE................................................................15 Figura N° 5: Ejemplo de carga no lineal ................................................................................17 Figura N° 6: Esquema de un filtro sintonizado ......................................................................20 Figura N° 7: Esquema de un filtro amortiguado ....................................................................21
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Principales cargas de los radiales de distribución de la subestación eléctrica de Dolorespata ...............................................................................................................................2 Tabla 2: Armónicos de tensión en la subestación eléctrica de Dolorespata .............................3 Tabla 3: Armónicos de corriente en la subestación eléctrica de Dolorespata ..........................4 Tabla 4: Variables e indicadores de la investigación ...............................................................7 Tabla 5: Frecuencia de los armónicos en redes eléctricas ......................................................16 Tabla 6: Secuencia de los armónicos en las redes eléctricas ..................................................16 Tabla 7: Armónicos de corriente inyectados por un rectificador de 6 pulsos ........................17
iii
PRESENTACIÓN
En los últimos años se ha notado que la presencia de los armónicos en las redes eléctricas se ha incrementado considerablemente, esto a consecuencia que el uso de las cargas no lineales también han venido incrementando su uso, tanto por las industrias, como por las personas en su desenvolvimiento diario. Puesto que aún se desconocen con exactitud muchos de los efectos que estos armónicos pudieran traer en los diferentes componentes de una subestación eléctrica específicamente para este estudio sobre los transformadores en la subestación eléctrica de Dolorespata. Por tal motivo nace la necesidad de determinar con exactitud que implicancias trajo respecto a los armónicos la sustitución de uno de los transformadores de 12.2 MVA por otro de 30 MVA y en qué medida este transformador se vería afectado al estar operando en estas condiciones. Además se busca dar una propuesta de solución técnica y económicamente viable para poder mitigar los armónicos en la mencionada subestación. Por lo anteriormente descrito nace la necesidad de realizar la tesis de investigación titulado “ANÁLISIS DE ARMÓNICOS EN LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE DOLORESPATA EN 138/10.6 KV” para lo cual ponemos a disposición de los interesados el presente plan de tesis con la finalidad que pueda ser corregida de acuerdo con las observaciones que se puedan encontrar durante la etapa de su evaluación.
Los autores…
iv
1. MARCO REFERENCIAL
TÍTULO “ANÁLISIS DE ARMÓNICOS EN LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE DOLORESPATA EN 138/10.6 KV”
RESPONSABLES
Br. Antony Jhosimar Altamirano Alegría
Br. Alex Rogelio Soto Enríquez
ASESOR
Ing. Manuel Lau Pacheco
ÁMBITO GEOGRÁFICO El ámbito geográfico que involucra el presente trabajo es estrictamente la subestación eléctrica de Dolorespata ubicado en la central térmica del mismo nombre en la Av. Machupicchu S/N distrito de Santiago de cusco, provincia y región del Cusco.
Figura N° 1: Ubicación Geográfica de la Subestación Eléctrica de Dolorespata [Fuente: Elaboración Propia]
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2. EL PROBLEMA. 2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente el uso de cargas no lineales en las industrias como (hornos de arco, maquinas soldadoras, variadores de velocidad para motores, transformadores, etc.), así también el incremento excesivo del uso de material electrónico en pequeños y grandes usuarios de energía eléctrica han llevado consigo que se vea afectado el tema de calidad de la energía eléctrica, principalmente con el incremento de los armónicos. La subestación eléctrica de Dolorespata cuenta con nueve radiales de distribución que alimentan la zona del Cusco Norte donde se pueden encontrar principales cargas que son consideradas como fuente de armónicos tal como se puede mostrar en la siguiente tabla.
Tabla 1: Principales cargas de los radiales de distribución de la subestación eléctrica de Dolorespata
Alimentador
Cargas importantes
Porcentaje Aproximado de la carga total 8%
DO 01
Santa Ana, antenas de comunicación
DO 02
Hospital Antonio Lorena
6%
DO 03
Cusco Centro Ciudad
13%
DO 04
Cervecería
11%
DO 05
Mariscal Gamarra, Los Incas
13%
DO 06
Essalud, Hospital Regional, Real Plaza, Universidad
14%
DO 07
Parque Industrial, Ttio
12%
DO 08
Margen derecha
8%
DO 09
Qoripata 15% Fuente: Elaboración propia, datos del centro de control S.E Dolorespata
De la tabla mostrada vemos que las principales fuentes del 5° y 7° armónico se dan en los radiales DO 06, DO 03 y DO 05 ya que por el tipo de actividad que se cuenta en estas zonas
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existe un excesivo uso de equipos electrónicos (rectificadores, los cuales son considerados las principales fuentes del 5° y 7° armónico). Para corroborar lo anteriormente descrito se tiene el estudio realizado por Williams Ezequiel Ligas Nina en su trabajo de tesis titulado “Evaluación de Armónicos en los Bancos de Capacitores de la Subestación Eléctrica de Dolorespata” donde con datos tomados por un analizador de redes “Realiable Power Meter” (RPM) en febrero de 2016 (antes de la inserción del nuevo transformador de 30 MVA) obtiene los siguientes resultados: Tabla 2: Armónicos de tensión en la subestación eléctrica de Dolorespata
Armónico (orden) THDv 5 7 11
Tolerancia NTCSE (%) 8 6 5 3.5
Tolerancia IEEE 519 (%) 5 3 3 3
Valores máximos registrados Fase A (%) Fase B (%) Fase C (%) 3.439 3.474 3.544 3.240 3.390 3.390 1.270 1.130 0.990 0.350 0.280 0.350
[Fuente: resumen de la tabla 3.2 del trabajo de tesis “Evaluación de Armónicos en los Bancos de Capacitores de la Subestación Eléctrica de Dolorespata” por: Williams Ezequiel Ligas Nina]
Figura N° 2: Espectro de Armónicos individuales de Tensión en la barra de 10.6 KV de la subestación eléctrica de Dolorespata *Fuente: figura 3.15 del trabajo de tesis “Evaluación de Armónicos en los Bancos de Capacitores de la Subestación Eléctrica de Dolorespata” por: Williams Ezequiel Ligas Nina, *1++
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Tabla 3: Armónicos de corriente en la subestación eléctrica de Dolorespata
Armónico (orden) THDi 5 7 11
Tolerancia IEEE 519 (%) 5 4 4 2
Valores máximos registrados Fase A (%) Fase B (%) Fase C (%) 9.109 9.539 9.002 8.795 9.256 8.738 1.675 1.683 1.664 1.256 0.841 0.832
[Fuente: resumen de la tabla 3.5 del trabajo de tesis “Evaluación de Armónicos en los Bancos de Capacitores de la Subestación Eléctrica de Dolorespata” por: Williams Ezequiel Ligas Nina]
Figura N° 3: Espectro de Armónicos individuales de Corriente en la barra de 10.6 KV de la Subestación Eléctrica de Dolorespata [Fuente: figura 3.22 del trabajo de tesis “Evaluación de Armónicos en los Bancos de Capacitores de la Subestación Eléctrica de Dolorespata” por: Williams Ezequiel Ligas Nina, *1++
De los anteriormente mostrado se ha generado cierta incertidumbre acerca de la variación de estas al sustituirse uno de sus transformadores de 12.2 MVA por otro de 30 MVA y las influencias que las mismas podrían tener en este nuevo transformador de 30 MVA que fue instalado en la subestación eléctrica de Dolorespata en el mes de noviembre del 2016, ya que este transformador va a operar en presencia de armónicos que superan los límites recomendados por los estándares internacionales de la IEEE – 519, este transformador fue sustituido a consecuencia del constante crecimiento de la demanda energética en la ciudad.
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Así mismo no se descarta la posibilidad de que en un futuro sean remplazados los tres transformadores de 12.2 MVA por otros de 30 MVA. 2.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 2.2.1.
PROBLEMA PRINCIPAL
¿La sustitución de un transformador de 12.2 MVA por otro de 30 MVA tendrá un impacto significativo respecto a la presencia de armónicos en la Subestación eléctrica de Dolorespata? 2.2.2.
PROBLEMAS ESPECÍFICOS
a) ¿En qué medida varían los armónicos en la subestación eléctrica de Dolorespata al sustituir un transformador de 12.2 MVA por uno de 30 MVA? b) ¿En qué medida variarían los armónicos en la subestación eléctrica de Dolorespata cuando los dos transformadores restantes de 12.2 MVA sean remplazados por otros de 30 MVA?
c) ¿Cuál sería el filtro indicado para mitigar los armónicos de la subestación eléctrica de Dolorespata? d) ¿En qué medida resultaría técnica y económicamente viable la implementación de un filtro para mitigar los armónicos?
2.3. OBJETIVOS 2.3.1.
OBJETIVO GENERAL
Determinar los impactos que se manifiestan respecto a los
armónicos al ser
sustituido uno de los transformadores de 12.2 MVA por uno de 30 MVA en la Subestación eléctrica de Dolorespata.
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2.3.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
a) Diagnosticar en qué medida varían los armónicos de la Subestación eléctrica de Dolorespata al sustituir un transformador de 12.2 MVA por uno de 30 MVA.
b) Determinar en qué medida variarían los armónicos en la Subestación eléctrica de Dolorespata cuando los dos transformadores de 12.2 MVA restantes sean remplazados por uno de 30 MVA.
c) Determinar cuál es el filtro indicado para mitigar los armónicos de la subestación eléctrica de Dolorespata.
d) Determinar en qué medida resultaría técnica y económicamente viable la implementación de un filtro para mitigar los armónicos.
3. HIPÓTESIS Y VARIABLES 3.1. HIPÓTESIS 3.1.1.
HIPÓTESIS GENERAL Un adecuado estudio y posterior evaluación de los armónicos permitirá conocer los impactos significativos que se manifiestan al sustituirse un transformador de 12.2 MVA por otro de 30 MVA en la Subestación eléctrica de Dolorespata.
3.1.2.
HIPÓTESIS ESPECIFICAS
a) La evaluación de los armónicos con la ayuda de un analizador de redes (PQ BOX 100) en la Subestación eléctrica de Dolorespata permitirá diagnosticar como estos varían al ser sustituido un transformador de 12.2 MVA por uno de 30 MVA.
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b) La simulación mediante el software DIgSILENT
Power Factory permitirá
determinar en qué medida variarían los armónicos de la Subestación eléctrica de Dolorespata cuando los dos transformadores de 12.2 MVA sean remplazados por otros de 30 MVA.
c) Analizar y evaluar las distintas formas de filtrado de armónicos con ayuda de los software DIgSILENT Power Factoy y Matlab permitirá determinar y diseñar el filtro indicado para mitigar los armónicos de la subestación eléctrica de Dolorespata.
d) Hacer un balance técnico económico entre las pérdidas de energía en el transformador y la presencia de los armónicos
permitirá determinar la
viabilidad de la instalación de un filtro para mitigar los armónicos.
3.2. VARIABLES E INDICADORES Tabla 4: Variables e indicadores de la investigación
Variables Indicadores Armónicos TDD, I’i, THD, V’i. Variable independiente Perdidas de energía MWh. Tiempo de vida de los Años. transformadores Variables dependientes Costos Soles. Filtros de armónicos Potencia, impedancia, capacitancia, resistencia Transformador Nivel de tensión, capacidad Variable interviniente [Fuente: Elaboración Propia]
TDD: unidad de avaluación de distorsión total por armónicos de corriente según IEEE. I’i: unidad de evaluación de los armónicos individuales de corriente. THD: unidad de avaluación de distorsión total por armónicos de tensión según NTCSE. V’i: unidad de evaluación de la armónica individual detención. MWh: unidad de medida de la energía eléctrica.
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3.3. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
El crecimiento de la demanda energética en la ciudad del cusco ha traído como consecuencia que la subestación eléctrica de Dolorespata requiera incrementar su capacidad para la cual la empresa propietaria de la subestación (EGEMSA) ha visto conveniente remplazar uno de los transformadores de 12.2 MVA por una de 30 MVA para poder satisfacer el mencionado inconveniente. La sustitución de este transformador traerá consigo la variación de algunos fenómenos como son los armónicos. W. Ligas (2016) en su trabajo de tesis “Evaluación de Armónicos en los Bancos de Capacitores de la Subestación Eléctrica de Dolorespata” demuestra que el nivel de los armónicos presentes en la subestación eléctrica de Dolorespata supera las tolerancias establecidas por el estándar IEEE 519. Así mismo al ser este transformador de mayor capacidad que los demás este asumirá mayor carga por consiguiente absorberá más cantidad de armónicos. C. Menéndez (1997) menciona en el marco teórico de su trabajo de tesis “Estudio y Modelado de la Interacción de Rectificadores y Filtros de Armónicas, Simulación en el Sistema Eléctrico de Yura S. A. - División Cachimayo” que existen perdidas de energía e incremento de temperatura en un transformador que opera en presencia de armónicos. Esta investigación es de significativa importancia ya que proporcionara de información actualizada a los especialistas de calidad de energía de la empresa EGEMSA, así como también a los especialistas de operación y mantenimiento de la mencionada empresa. Este trabajo tendrá como principal beneficiario a la empresa EGEMSA quien es el propietario de la subestación eléctrica de Dolorespata ya que se le permitirá conocer en cierta forma como se afectó la calidad de la energía en dicha subestación y como estaría siendo afectado su nuevo transformador.
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La presente investigacion busca dar una propuesta de solución técnica y económicamente viable para mitigar los armónicos que se encuentren transgrediendo los estándares de la IEEE 519. Así mismo al concluirse este trabajo podrán mostrarse resultados que sirvan de base para nuevas investigaciones sobre la calidad de la energía eléctrica (calidad de producto) en la subestación eléctrica de Dolorespata el cual tendría como beneficiarios a gran parte de la población cusqueña.
3.4. ALCANCES Y LIMITACIONES ALCANCES La presente tesis de investigación tiene como fecha de inicio el mes de Octubre de 2016 puesto que en esta fecha se comenzaron a registrar datos de armónicos, semanas antes de la fecha de instalación del nuevo transformador de 30 MVA en reemplazo de uno de 12.2 MVA (09 de Noviembre de 2016). Este trabajo comprende un análisis acerca del comportamiento de los armónicos en la subestación eléctrica de Dolorespata con la sustitución de uno de los tres transformadores de 12 MVA por uno de 30 MVA, así como la proyección del comportamiento de los armónicos con la sustitución del total de los transformadores. Otra parte fundamental del presente trabajo es hacer un diagnóstico acerca de las consecuencias que se pueden generar en el nuevo transformador a causa de la presencia de armónicos y posteriormente mostrar una propuesta de solución técnica y económicamente viable para la mitigación de estos armónicos.
LIMITACIONES
Por la complejidad del presente estudio esta se realizara únicamente en la barra de 10.6 KV de la subestación eléctrica de Dolorespata.
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Los efectos de los armónicos serán analizados únicamente en el nuevo transformador de 30 MVA y en uno de 12.2 MVA.
Para la determinación de la viabilidad de la propuesta de solución se tomaran las consideraciones técnicas y económicas.
Para validar las propuestas de solución se harán uso de los software especializados como el DIgSILENT Power Factory y Matlab.
4. METODOLOGÍA 4.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN La presente es una investigación del tipo APLICADA ya que busca resolver algunas interrogantes y problemas sobre el impacto que tuvieron los armónicos en la subestación eléctrica de Dolorespata al ser reemplazado uno de sus transformadores de 12.2 MVA por otro de 30 MVA
así como los efectos que estos pudieran tener sobre el nuevo
transformador de 30 MVA. Así mismo se busca identificar la viabilidad técnica y económica que tendría la instalación de un filtro para limitar estos armónicos. Esta investigación además es de carácter CUANTITATIVO ya que busca medir y cuantificar las variables a través de herramientas informáticas como es el DIgSILENT Power Factory para realizar simulaciones, el Win PQ móvil para obtener los resultados de las mediciones, Matlab para validar los resultados obtenidos en las simulaciones y algunas herramientas de Microsoft como el Excel para el análisis de las variables.
4.2. NIVEL DE INVESTIGACIÓN La presente investigación tiene el nivel DESCRIPTIVO ya que cuenta con uno de sus objetivos el de realizar un diagnóstico actual de los armónicos en la subestación eléctrica de Dolorespata donde busca el cómo y la manera en que estos armónicos fueron afectados
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al sustituirse un transformador de 12.2 MVA por otro de 30 MVA, además que es EXPLICATIVO por que se pretende buscar él porque del fenómeno y las variables en estudio. Esta investigación también busca descubrir el grado de relación existente entre algunas variables como es el caso en que se pretende conocer la influencia de los armónicos sobre las pérdidas de energía e incremento de temperatura que se dan en el nuevo transformador de 30 MVA lo cual hace que esta investigación sea también de nivel CORRELACIONAL.
4.3. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN El diseño de la investigación que se utiliza es de NO EXPERIMENTAL por que en ninguna etapa de la investigación se darán modificaciones a alguna de las variables, el cambio del transformador que se izó en la subestación no es parte de la presente investigación, este cambio es considerado como parte natural del fenómeno en dicha variable. Además, la presente investigación es de carácter TRANSVERSAL ya que tomaran las muestras de los armónicos en el único momento en que el transformador de 12.2 MVA de la subestación eléctrica de Dolorespata es reemplazada por otra de 30 MVA (mediciones realizadas por el analizador de redes PQ BOX 100).
4.4. POBLACIÓN La población de nuestro proyecto de investigación está compuesta por la barra de 10.6 KV de la subestación eléctrica de Dolorespata la cual es propiedad de la Empresa de Generación Eléctrica Machupicchu S.A. (EGEMSA), la presente investigación cuenta con el apoyo incondicional de la mencionada empresa.
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4.5. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS El presente trabajo de investigación hará uso de instrumentos electrónicos (analizador de redes PQ BOX 100) para la recolección de datos de los armónicos de la misma barra de 10.6 KV de la subestación eléctrica de Dolorespata. Para una mejor comprensión y análisis de la problemática anteriormente descrita se hará uso de algunos datos secundarios recolectados por otros autores, específicamente se tomaran en cuenta aquella que fueron tomadas por la misma empresa EGEMSA y por autores que realizaron trabajos similares como es el caso de W. Ligas (2016) en su trabajo de tesis titulado “Evaluación de Armónicos en los Bancos de Capacitores de la Subestación Eléctrica de Dolorespata”.
INSTRUMENTOS Y ANÁLISIS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Para la recolección de datos del presente trabajo de investigación se tomaran los siguientes instrumentos de medición.
ANALIZADOR DE REDES (PQ BOX 100 EXPERT), el presente equipo es propiedad de la empresa EGEMSA el cual fue facilitado para la realización del presente trabajo, este equipo cuenta con una certificación vigente a junio de 2017 expedida por el mismo fabricante que garantiza el adecuado funcionamiento del mismo además que este se encuentra homologado por el OSINERGMIN para la realización de mediciones de calidad de Energía (Calidad de Producto, Tensión y perturbaciones).
SISTEMA SCADA EGEMSA, otro de los instrumentos de recolección de datos con el que se cuenta es el sistema SCADA de la empresa EGEMSA el cual permite realizar la operación y toma de datos de algunas variables en tiempo real de los equipos que se encuentra en la subestación eléctrica de Dolorespata.
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Después de tener procesados todos los datos y las informaciones pertinentes se procederá a realizar un análisis acerca de los resultados obtenidos utilizando los conocimientos matemáticos, sobre todo normativos. El análisis se realizará con ayuda de las siguientes herramientas computacionales.
-
Software DIgSILENT Power Factory 15.1 (software que permitirá realizar las simulaciones en cuanto a las sustituciones de los transformadores en la subestación eléctrica de Dolorespata).
-
Software Win PQ móvil (software propio del analizador de redes que ayuda con el procesamiento y análisis de datos tomados por el mencionado equipo).
-
Software Matlab (este software nos permitirá corroborar los resultados de las simulaciones realizadas de la implantación del filtro con el DIgSILENT Power Factory).
-
Software de Microsoft como: Word, Excel y Power Point
que serán
herramientas de mucha ayuda en la utilización y aplicación de los conocimientos matemáticos.
5. MARCO TEÓRICO ANTECEDENTES
“EVALUACIÓN DE ARMÓNICOS EN LOS BANCOS DE CAPACITORES DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE DOLORESPATA”, tesis realizada por Williams Ezequiel Ligas Nina (UNSAAC)
“ESTUDIO Y ANÁLISIS DE CALIDAD DE ENERGÍA ELÉCTRICA ENFOCADO EN NIVELES DE ARMÓNICOS EN EL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA SUBESTACIÓN ENFRIADORA 1 DE HOLCIM ECUADOR PLANTA GUAYAQUIL”, trabajo de tesis realizado por Johnny Duvan Mora Sánchez y 13
Yandri Javier Cevallos Chávez (Universidad Politécnica Salesiana Sede – Guayaquil, Mayo de 2014).
Informe técnico elaborado por Delcrosa acerca de la operatividad del reemplazo de uno de los transformadores de 12.2 MVA por uno de 30 MVA en la subestación eléctrica de Dolorespata perteneciente a la Empresa EGEMSA.
“TEORÍA Y DISEÑO DE FILTROS DE ARMÓNICOS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS” Paper de investigación presentada por: Gers, J; (Tecsup. Lima, Perú. 2008)
ASPECTO NORMATIVO
NORMAS NACIONALES
Ley N° 25844 – “Ley de Concesiones Eléctricas”
Decreto supremo N° 020-97-EM “Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos”.
Resolución N° 616-2008-OS/CD “Base Metodológica para la Aplicación de la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos”.
NORMAS INTERNACIONALES
Estándar 519 IEEE (límites de armónicos recomendados por la IEEE)
Norma IEC 61000 procedimiento para el análisis de armónicos con el analizador de redes
IEEE C57.110.00 (Recommended Practice for Establishing Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Currents)
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BASE TEÓRICA
CALIDAD DE LOS SERVICIOS ELÉCTRICOS Actualmente el sector eléctrico peruano cuenta con una norma denominada como: “Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos (NTCSE)” (Decreto supremo N° 020-97-EM), así también se cuenta Con la “Base Metodológica para la Aplicación de la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos” (Resolución N° 616-2008-OS/CD) La norma técnica de calidad de los servicios eléctricos en el titulo quinto contempla la calidad de producto y en el numeral 5.3 contempla lo referido a las perturbaciones en la que se trata sobre los armónicos, en la tabla inferior se muestra la tabla N° 5 de la norma técnica de calidad de los servicios eléctricos en donde se pueden observar las tolerancias establecidas para los armónicos de tension.
Figura N° 4: Limites de THD y V’i según NTCSE [Fuente: Tabla 5, DS N° 020-97-EM (Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos), [2]]
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La NTCSE establece que para temas de calidad en armónicos se deben de considerar todos los que tiene un orden comprendido entre el 2° y 40° ambas incluidas.
ARMÓNICOS Los armónicos son las variaciones de las señales tanto de tensión como de corriente, específicamente por la presencia de las cargas no lineales. Los armónicos se caracterizan por tener una frecuencia múltiplo de la fundamental [4].
Tabla 5: Frecuencia de los armónicos en redes eléctricas
N° Armónico Frecuencia (Hz)
1° 2° 3° 4° 60 120 180 240 [Fuente: elaboración propia]
5° 300
6° 360
… …
40° 2400
En un artículo titulado “armónicos en sistemas eléctricos”, elaborado por José Dariel Arcila demuestra que los armónicos del orden “3n” son de secuencia cero mientras que los de orden “3n+1” son de secuencia positiva y que los armónicos del orden “3n-1” son de secuencia negativa, de este análisis que se hace en el artículo mencionado se puede resumir la siguiente tabla [4].
Tabla 6: Secuencia de los armónicos en las redes eléctricas
N° Armónico Secuencia
1° 2° 3° 4° + 0 + [Fuente: elaboración propia]
5° -
6° 0
… …
40° +
FUENTES DE ARMÓNICOS La mayoría de los armónicos son generados a causa del uso de cargas no lineales, este tipo de cargas se puede clasificar de la siguiente manera. 16
Cargas
ferromagnéticas
(transformadores
y
reactores
saturados
magnéticamente).
Cargas de arco (Hornos y lámparas fluorescentes).
Cargas de electrónica de potencia (rectificadores y variadores de velocidad AC y DC).
Figura N° 5: Ejemplo de carga no lineal [Fuente: Tecsup “Armónicos en un Sistema Eléctrico” (Unidad 3) en Calidad de la Energía Eléctrica. Lima: Tecsup , [3]]
Para el presente trabajo se tiene una relevancia mayor en el armónico de orden 5, estos son fundamentalmente inyectados por cargas electrónicas, específicamente por los rectificadores y conversores AC/DC para lo cual se muestra la siguiente figura.
Tabla 7: Armónicos de corriente inyectados por un rectificador de 6 pulsos
Armónico % Fund.
5 20.0
RECTIFICADOR DE 6 PULSOS 7 11 13 17 19 14.2 9.0 7.6 5.8 5.2
23 4.3
25 4.0
[Fuente: Tabla 1, Los armónicos en las instalaciones eléctricas]
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EFECTO DE LOS ARMÓNICOS Los armónicos pueden traer muchas consecuencias, en este trabajo se trataran fundamentalmente los que puedan traer sobre los nuevos transformadores de 30 MVA que serán instalados en la subestación eléctrica de Dolorespata. A continuación se muestran los efectos más resaltantes de los armónicos sobre los transformadores.
Los voltajes de los armónicos causan un incremento de pérdidas en el hierro del transformador, además que las perdidas seguirán aumentando a medida que la frecuencia de los armónicos se vaya incrementando. Las pérdidas en la bobinas y las de dispersión se pueden calcular bajo las siguientes formulas [5].
( ) ( )
……………………………………. Ec. 01
Dónde: : Perdidas en el bobinado del transformador. :
Resistencia del bobinado.
:
Corriente armónica de Orden
( ) (
) (
)( )
…………………….. Ec. 02
Dónde: : Perdidas por dispersión. :
Coeficiente que depende de la forma geométrica del
transformador. :
Orden del armónico
:
Frecuencia fundamental
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Las corrientes armónicas ocasionan un incremento en las pérdidas en el cobre del transformador así como también incrementan las pérdidas por flujo de dispersión.
TASA DE DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL La tasa de distorsión armónica (THD) es una forma de evaluación de la corriente o tensión distorsionada que se puede calcular bajo la siguiente formula [3].
( )
√∑
…………………….. Ec. 03
Dónde: :
Tasa de distorsión armónica.
:
Tensión o corriente fundamental.
:
Orden del armónico
El THD lo podemos interpretar como el porcentaje de la señal fundamental de 60 Hz que representa la señal distorsionada.
FILTROS DE ARMÓNICOS El objetivo fundamental de un filtro es proporcionarle a las señales armónicas una trayectoria a tierra de baja impedancia para prevenir su propagación por el resto del sistema, es por eso un filtro debe de estar ubicado lo más cercano posible al punto donde se generan los armónicos [6].
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO: El tipo de filtro depende del armónico que se desee eliminar para lo cual tenemos los filtros sintonizados y amortiguados. 19
Un filtro sintonizado es un circuito RLC tal como se muestra en la figura.
Figura N° 6: Esquema de un filtro sintonizado [Fuente: figura 2, filtro sintonizado [6]]
(
)
Los parámetros de R, L, y C pueden obtenerse a partir de las siguientes relaciones.
√
Para el caso de que queramos diseñar el filtro para un orden especifico la frecuencia “fn” deberá ser lo más próximo posible a la del armónico que queramos atenuar, por ejemplo para el armónico de orden 5, la frecuencia deberá ser menor a: fn < (orden del armónico)*frecuencia de la red. fn < (5)*60 fn < 300 Hz. 20
También se pude tener el filtro del tipo amortiguado, también conocido como filtro paso Alto, el esquema de conexionado de los elementos R, L y C es el siguiente.
Figura N° 7: Esquema de un filtro amortiguado [Fuente: figura 4, filtro amortiguado [6]]
El valor de “m” debe encontrarse 0.5 y 2
21
6. CONTENIDO PRELIMINAR I.
CAPITULO I. GENERALIDADES. 1.1. Ubicación Geográfica. 1.2. Problemática 1.2.1. Planteamiento del Problema 1.2.2. Formulación del Problema 1.3. Justificación del Estudio 1.4. Objetivos 1.4.1. Objetivo General 1.4.2. Objetivos Específicos 1.5. Hipótesis y Variables 1.5.1. Hipótesis General 1.5.2. Hipótesis Especifica 1.5.3. Variables 1.6. Alcances y Limitaciones 1.6.1. Alcances 1.6.2. Limitaciones 1.7. Metodología 1.7.1. Tipo de Investigación 1.7.2. Nivel de Investigación 1.7.3. Diseño de Investigación 1.7.4. Población 1.7.5. Técnicas de Recolección de Datos 1.7.6. Instrumentos de Recolección de Datos
II.
CAPITULO II. MARCO TEÓRICO Y NORMATIVO 2.1. Antecedentes 2.2. Marco Conceptual 2.2.1. Calidad de Energía Eléctrica 2.2.2. Distorsión Armónica 2.2.2.1. Armónicos de Tensión 2.2.2.2. Armónico de Corriente 2.2.2.3. Descomposición de Onda Distorsionada 2.2.2.4. Cargas Lineales 2.2.2.5. Cargas no Lineales 2.2.2.6. Efecto de los Armónicos 2.2.2.6.1. En Transformadores 2.2.2.6.2. En Conductores 22
2.2.3. Filtros Para Mitigar Armónicos 2.2.3.1. Filtros Pasivos 2.2.3.2. Filtros Activos 2.2.3.3. Filtros Desintonizados 2.2.3.4. Filtros Sintonizados 2.3. Marco Normativo 2.3.1. Normatividad Nacional 2.3.1.1. Ley 25844 2.3.1.2. Decreto Supremo N° 020-97-EM 2.3.1.3. Resolución Ministerial N° 616-2008-OS/CD 2.3.2. Normatividad Internacional 2.3.2.1. Estándar IEEE 519 2.3.2.2. Estándar IEC 61000 2.3.2.3. Estándar IEE C.57.110.00 III.
CAPITULO III. DIAGNOSTICO ACTUAL DE LOS ARMÓNICOS 3.1. Datos Técnicos de la Subestación 3.1.1. Transformadores de 12.2 MVA 3.1.2. Transformador de 30 MVA 3.1.3. Caracterización de las Cargas 3.2. Descripción del Equipo de Medición 3.2.1. Características Básicas 3.2.2. Documentación del Equipo 3.2.3. Configuración 3.3. Metodología de Medición 3.3.1. Medidas de Seguridad 3.3.2. Instalación del Equipo 3.3.3. Descarga y Procesamiento de Datos 3.4. Análisis de Resultados 3.4.1. Tres Transformadores de 12.2 MVA Operando en Paralelo 3.4.1.1. Análisis de Resultados de los Armónicos de Tensión 3.4.1.2. Análisis de Resultados de los Armónicos de Corriente 3.4.2. Dos Transformadores de 12.2 MVA en Paralelo con Uno de 30 MVA 3.4.2.1. Análisis de Resultados de los Armónicos de Tensión 3.4.2.2. Análisis de Resultados de los Armónicos de Corriente 3.4.3. Conclusiones de los Resultados Obtenidos
IV.
CAPITULO IV. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE ARMÓNICOS 4.1. Generalidades del Software DIgSILENT Power Factory 23
4.2. Modelamiento en DIgSILENT de la Subestación Eléctrica de Dolorespata 4.2.1. Modelamiento de Barras 4.2.2. Modelamiento de Transformadores 4.2.2.1. Modelamiento del Transformador de 12.2 MVA 4.2.2.2. Modelamiento del Transformador de 30 MVA 4.2.3. Modelamiento de la Red Equivalente 4.2.4. Modelamiento de las Fuentes de Armónicos 4.3. Generalidades del Software Matlab 4.4. Modelamiento en Matlab de la Subestación Eléctrica de Dolorespata 4.4.1. Modelamiento de Barras 4.4.2. Modelamiento de Transformadores 4.4.2.1. Modelamiento del Transformador de 12.2 MVA 4.4.2.2. Modelamiento del Transformador de 30 MVA 4.4.3. Modelamiento de la Red Equivalente 4.4.4. Modelamiento de las Fuentes de Armónicos 4.5. Simulación y Análisis de Armónicos en los Transformadores 4.6. Análisis de Resultados 4.7. Perdidas de Energía en el Transformador por Presencia de Armónicos 4.7.1. Perdidas de Energía por Armónicos de Tensión 4.7.1.1. Perdidas de Energía en el Transformador de 12.2 MVA 4.7.1.2. Perdidas de Energía en el Transformador de 30 MVA 4.7.2. Perdidas de Energía por Armónicos de Corriente 4.7.2.1. Perdidas de Energía en el Transformador de 12.2 MVA 4.7.2.2. Perdidas de Energía en el Transformador de 30 MVA V.
CAPITULO V. ANÁLISIS DE MITIGACIÓN DE ARMÓNICOS 5.1. Selección del Filtro de Armónicos 5.2. Diseño del Filtro 5.2.1. Calculo de Potencia 5.2.2. Determinación de la Resistencia 5.2.3. Determinación de la Impedancia 5.2.4. Determinación de la Capacitancia 5.3. Simulación de la Implementación del Filtro 5.3.1. Simulación con el Software DIgSILENT Power Factory 5.3.1.1. Dos Transformadores de 12.2 MVA y Uno de 30 MVA 5.3.1.2. Tres Transformadores de 30 MVA 5.3.2. Simulación con el Software Matlab 5.3.2.1. Dos Transformadores de 12.2 MVA y Uno de 30 MVA 5.3.2.2. Tres Transformadores de 30 MVA 5.3.3. Comparación de Resultados 24
5.4. Conexionado y Operación del Filtro 5.5. Validación y Análisis de Resultados 5.5.1. Validación Normativa de los Resultados VI.
CAPÍTULO VI. ANÁLISIS DE VIABILIDAD DE LA PROPUESTA DE SOLUCIÓN. 6.1. Filtros para Limitar los Armónicos 6.1.1. Características Técnicas del Filtro 6.1.2. Características Económicas del Filtro 6.2. Impactos Económicos en los Transformadores 6.2.1. Impactos Económicos por Perdidas de Energía 6.3. Análisis de la Viabilidad Técnica de la Instalación de un Filtro de Armónicos 6.4. Análisis de la Viabilidad Económica de la Instalación de un Filtro de Armónicos 6.5. Análisis de Resultados Obtenidos 6.6. Comentario Final
VII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1. Conclusiones 7.2. Recomendaciones
BIBLIOGRAFÍA ANEXOS
25
7. BIBLIOGRAFÍA [1]
Ligas, W. “Evaluación de Armónicos en los Bancos de Capacitores de la Subestación Eléctrica de Dolorespata” tesis de grado. Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco. Cusco, Perú. 2016.
[2]
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[3]
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[4]
Mora, J y Cevallos, Y. “Estudio y análisis de Calidad de Energía Eléctrica enfocado en niveles de Armónicos en el sistema eléctrico de la Subestación enfriadora 1 de Holcim Ecuador planta Guayaquil”, tesis de grado. Universidad Politécnica Salesiana. Guayaquil, Ecuador 2014).
[5]
Menéndez, C. “Estudio y Modelado de la Interacción de Rectificadores y Filtros de Armónicas, Simulación en el Sistema Eléctrico de Yura S. A. - División Cachimayo” tesis de grado. Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco. Cusco, Perú. 1997.
[6]
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[9]
Ruiz, J. “Metodologías Para Identificar Fuentes Armónicas en Sistemas Eléctricos” Tesis de Grado Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, 2007.
[10] Morales, E.O. “Solución a los Problemas de Corrientes y Voltajes Armónicos en los Sistemas Industriales” Tesis de grado. Universidad Nacional Autónoma de México. México, D.F., 2012. 26
[11] Noroña, N. “Diagnóstico de Perturbaciones Armónicas en el Sistema Nacional Interconectado” Tesis de Grado Escuela Politécnica Nacional. Quito, Ecuador, 2011. [12] Gutiérrez, M. “Estudio de Distorsión Armónica en el Sistema de Distribución de Energía del Centro Nacional de Aeronavegación” Tesis de Grado. Universidad de la Salle. Bogotá D.C., Colombia, 2006. [13] American National Standard ANSI/IEEE C57.110-1986, “Recommended Practices for Establishing Transformer Capability when Supplying Nonsinusoidal Load Current”. New York: IEEE Press, 1988.. [14] Villatoro, B. “Teorías de Diseño de Filtros Activos para Mitigación de Armónicos en Sistemas Eléctricos de Potencia” Tesis de grado. Universidad de San Carlos de Guatemala. Guatemala, 2009. [15] Blancas, J. “Diseño y Construcción de Un Filtro Supresor de Armónicos para la Línea Eléctrica” Simposio de Metrología 2004. Querétaro, México. 2004. [16] Hernández, Fernández y Baptista, “Metodología de la Investigación”, Quinta Edición, Mc Graw Hill, México, 2010. [17] Rodríguez, A. “Metodología de Investigación Científica Aplicado a la Ingeniería” trabajo de investigación, Universidad Nacional del Callao. Lima, Perú. 2012.
27
8. ADMINISTRACIÓN DEL PROYECTO CRONOGRAMA DE EJECUCIÓN Cronograma de actividades de trabajo 2016 – 2017. Mes 01 Mes 02 Mes 03 Mes 04 Mes 05 Mes 06 Mes 07 Mes 08 Mes 09 Mes 10 Mes 11 Mes 12 N° Actividad Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 01 Selección del tema a desarrollar X X 02 Planteamiento del problema X 03 Identificación del sitio de análisis X X 04 Diagnostico general del sistema X X 05 Selección de los equipos a utilizar X 06 Desarrollo del plan de tesis X X 07 Aprobación del plan de tesis X X 08 Desarrollo del cuerpo de la tesis X X X X X X X X X X X X 09 Dictamen de la tesis X X X 10 Levantamiento de observaciones X X 11 Sustentación de la tesis X 12 Levantamiento de observaciones finales X
PRESUPUESTO
ÍTEM 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
PRESUPUESTO DE TRABAJO DESCRIPCIÓN CANTIDAD UNID. P/UNIT.(S/) P/TOT.(S/) Impresiones color 2500 Hojas 0.25 625.00 Impresiones blanco y negro 2500 Hojas 0.10 250.00 Fotocopias 1000 Hojas 0.08 80.00 Internet 10 Meses 80.00 800.00 bibliografía 5 Volumen 80.00 400.00 Útiles de escritorio Varios Global 300.00 300.00 Gastos administrativos 1 Global 600.00 600.00 Recolección de datos varios Global 1,000.00 1,000.00 Implementos de seguridad 2 Global 250.00 500.00 Software Varios Global 500.00 500.00 Pasajes Varios Global 200.00 200.00 Imprevistos Varios Global 1,000.00 1,000.00 TOTAL S/ 6,255.00
28
9. MATRIZ DE CONSISTENCIA PROBLEMA
MATRIZ DE CONSISTENCIA HIPÓTESIS
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
VARIABLES E INDICADORES
PROBLEMA PRINCIPAL:
OBJETIVO GENERAL:
HIPÓTESIS GENERAL:
TIPO DE INVESTIGACIÓN:
Variables
¿La sustitución de un transformador de 12.2 MVA por otro de 30 MVA tendrá un impacto significativo respecto a la presencia de armónicos en la Subestación eléctrica de Dolorespata?
Determinar los impactos que se manifiestan respecto a los armónicos al ser sustituido uno de los transformadores de 12.2 MVA por uno de 30 MVA en la Subestación eléctrica de Dolorespata.
Un adecuado estudio y posterior evaluación de los armónicos permitirá conocer los impactos significativos que se manifiestan al sustituirse un transformador de 12.2 MVA por otro de 30 MVA en la Subestación eléctrica de Dolorespata.
Aplicada, cuantitativo
Transformador
NIVEL DE INVESTIGACIÓN:
Armónicos de corriente
PROBLEMAS ESPECÍFICOS:
OBJETIVO ESPECÍFICOS:
HIPÓTESIS ESPECÍFICAS:
DISEÑO DE INVESTIGACIÓN:
a)
Transversal del tipo no experimental
a) ¿En qué medida varían los armónicos en la subestación eléctrica de Dolorespata al sustituir un transformador de 12.2 MVA por uno de 30 MVA?
a) Diagnosticar en qué medida varían los armónicos de la Subestación eléctrica de Dolorespata al sustituir un transformador de 12.2 MVA por uno de 30 MVA.
b) ¿En qué medida variarían los armónicos en la subestación eléctrica de Dolorespata cuando los dos transformadores restantes de 12.2 MVA sean remplazados por otros de 30 MVA?
b) Determinar en qué medida variarían los armónicos en la Subestación eléctrica de Dolorespata cuando los dos transformadores de 12.2 MVA restantes sean remplazados por uno de 30 MVA.
c) ¿Cuál sería el filtro indicado para mitigar los armónicos de la subestación eléctrica de Dolorespata?
c) Determinar cuál es el filtro indicado para mitigar los armónicos de la subestación eléctrica de Dolorespata.
d) ¿En qué medida resultaría técnica y económicamente viable la implementación de un filtro para mitigar los armónicos?
d) Determinar en qué medida resultaría técnica y económicamente viable la implementación de un filtro para mitigar los armónicos.
b)
c)
d)
La evaluación de los armónicos con la ayuda de un analizador de redes (PQ BOX 100) en la Subestación eléctrica de Dolorespata permitirá diagnosticar como estos varían al ser sustituido un transformador de 12.2 MVA por uno de 30 MVA. La simulación mediante el software DIgSILENT Power Factory permitirá determinar en qué medida variarían los armónicos de la Subestación eléctrica de Dolorespata cuando los dos transformadores de 12.2 MVA sean remplazados por otros de 30 MVA. Analizar y evaluar las distintas formas de filtrado de armónicos con ayuda de los software DIgSILENT Power Factoy y Matlab permitirá determinar y diseñar el filtro indicado para mitigar los armónicos de la subestación eléctrica de Dolorespata. Hacer un balance técnico económico entre las pérdidas de energía en el transformador y la presencia de los armónicos permitirá determinar la viabilidad de la instalación de un filtro para mitigar los armónicos.
Descriptivo, explicativo y correlacional
POBLACIÓN: La barra de 10.6 KV de la subestación eléctrica de Dolorespata. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS: - Instrumentos electrónicos. - Datos secundarios (recolectado por otros autores). INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS: - Analizador de redes PQ BOX 100. - Sistema SCADA EGEMSA. - Software especializado
Indicadores Nivel de tensión, capacidad de carga TDD, I’i
Armónicos de tensión Tiempo de vida útil de los transformadores Perdidas de energía en el transformador
THD, V’i Años MWh
Costos
Soles
TDD: unidad de avaluación de distorsión total por armónicos de corriente según IEEE. I’i: unidad de evaluación de los armónicos individuales de corriente. THD: unidad de avaluación de distorsión total por armónicos de tensión según NTCSE. V’i: unidad de evaluación de la armónica individual detención. MWh: unidad de medida de la energía eléctrica. ESTRUCTURA DE LA INVESTIGACIÓN CAPITULO I
CAPITULO II
GENERALIDADES
MARCO TEÓRICO Y NORMATIVO
CAPITULO IV
CAPITULO III
SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE ARMÓNICOS
DIAGNÓSTICO ACTUAL DE LOS ARMÓNICOS
CAPITULO VI CAPITULO V ANÁLISIS DE MITIGACIÓN DE ARMÓNICOS
ANÁLISIS DE VIABILIDAD DE LA PROPUESTA DE SOLUCIÓN
CAPITULO VII CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
29
ANEXOS
