mejoramiento del factor de potencia del ramal trifásico la palma del

Universidad de Costa RicaFacultad de Ingenierıa

Escuela de Ingenierıa Electrica

Mejoramiento del factor de potencia del

ramal trifasico La Palma del circuito de

distribucion Fortuna de Coopelesca R.L.

Por:

Ismael Gutierrez Alfaro

Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica

Julio 2014

Mejoramiento del factor de potencia del

ramal trifasico La Palma del circuito de

distribucion Fortuna de Coopelesca R.L.

Por:

Ismael Gutierrez Alfaro

IE-0499 Proyecto electrico

Aprobado por el Tribunal:

Ing. Tony Eduardo DelgadoProfesor guıa

Ing.a Kacerine Carranza Alvarado Ing. Juan Ramon RodriguezProfesor lector Profesor lector

ResumenEste trabajo tuvo como fin el mejoramiento del factor de potencia en un

sistema de distribucion electrica mediante la instalacion de un banco de capa-citores comnutado, concretamente en el ramal trifasico La Palma del circuitode distribucion Fortuna de Coopelesca R.L., primero se presenta la informa-cion necesaria para entender los conceptos de potencia real, aparente y reacti-va y ası describir todas la implicaciones tanto para la empresa distribuidora,generador y consumidor del consumo de potencia reactiva, trasiego y gene-racion. Tambien se puede encontrar informacion obtenida a partir de los dosestandares principales de IEEE que aplican sobre capacitores de sistemas dedistribucion.

La eficiencia energetica debe ser un objetivo en toda empresa electrica, yuno de los primero puntos en que se puede disminuir las perdidas electricas esen del trasiego de potencia reactiva; potencia necesaria para el funcionamientode todos los equipos electricos que necesitan un campo magnetico para operarpor lo tanto necesaria pero que no se considera potencia util, trasegar estapotencia produce perdidas electrivas en las linea de distribucion. Se presentaen el capıtulo 3 la informacion con la cual se decidio el lugar de la ubicaciondel banco de capacitores por ejemplo la curva de demanda ası como la guıade pruebas del banco. El capıtulo 4 trata sobre la instalacion propiamente delbanco y la mejora del factor de potencia que se obtuvo, por ultimo se presentanlas conclusiones obtenidas de este trabajo y las recomendaciones para futurostrabajos.

v

Indice general

Indice de figuras ix

Indice de cuadros x

Nomenclatura xi

1 Introduccion 11.1 Alcance del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Metodologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Antecedentes 52.1 Resena historica de Coopelesca R.L. . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Potencia electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Trasiego de potencia reactiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.4 Estandares aplicados a bancos de capacitores. . . . . . . . . . . 22

3 Determinacion de la ubicacion del banco de capacitores 313.1 Equipos usados para mediciones preliminares. . . . . . . . . . . 313.2 Generalidades sobre el ramal trifasico La Palma. . . . . . . . . 333.3 Curva de demanda del ramal monofasico La Palma. . . . . . . 353.4 Seleccion de la ubicacion del banco de capacitores. . . . . . . . 403.5 Partes del banco de capacitores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.6 Pruebas a bancos de capacitores. . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.7 Resultados de pruebas del banco de capacitores. . . . . . . . . 51

4 Instalacion del banco de capacitores. 554.1 Materiales utilizados en la instalacion del banco de capacitores. 574.2 Instalacion y resultados del banco de capacitores. . . . . . . . . 57

5 Conclusiones y recomendaciones 61

Bibliografıa 63

A Datos 65A.1 Curvas obtenidas entre el 1/3/14 y el 15/3/14 . . . . . . . . . . 65A.2 Curvas obtenidas entre el 1/4/14 y el 15/4/14 . . . . . . . . . . 65

vii

A.3 Plantilla mantenimiento banco de capacitores . . . . . . . . . . 65

viii

Indice de figuras

2.1 Mapa cobertura distribuidoras del pais.(ICE,2013) . . . . . . . . . 62.2 Porcentaje de reduccion de perdidas en la lınea de distribucion. . . 122.3 Porcentaje de kVA recuperados por mejoramiento del factor de

potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 Constitucio interna de un capacitor marca Cooper.(Cooper Indus-

tries,2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.5 Conexion sin soldadura entre bloques de aluminio.(Cooper Indus-

tries,2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6 Constitucion interna de un capacitor.(Cooper Industries,2012) . . . 18

3.1 Kit de equipos Varcorder de Sensorlink.(Sensorlink,2012) . . . . . 323.2 Troubleman’s kit de Sensorlink.(Sensorlink,2012) . . . . . . . . . . 323.3 Unifilar del ramal trifasico La Palma.(Coopelesca,2014) . . . . . . 343.4 Unifilar del circuito Fortuna. (Coopelesca,2014) . . . . . . . . . . . 343.5 Valores de corriente obtenidas en el plano 778-09 . . . . . . . . . . 353.6 Poste 778-09 con etiquetas colocadas. . . . . . . . . . . . . . . . . 413.7 Demanda de potencia reactiva en el plano 778-09. . . . . . . . . . 413.8 Demanda de potencia reactiva en el plano 778-51. . . . . . . . . . 463.9 Control de banco de capacitores.(Cooper Industries,2012) . . . . . 483.10 Interruptor para banco de capacitores.(Cooper Industries,2012) . . 493.11 Resultados pruebas sobre banco de capacitor . . . . . . . . . . . . 533.12 Banco de capacitores despues de mantenimiento . . . . . . . . . . 54

4.1 Diseno montaje banco de capacitores.(Coopelesca,2014) . . . . . . 564.2 Banco de capacitores instalado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.3 Curva de demanda de potencia reactiva plano 778-08 . . . . . . . . 59

A.1 Valores de factor de potencia obtenido en el plano 778-09 . . . . . 66A.2 Valores de potencia reactiva obtenidas en el plano 778-09 . . . . . 66A.3 Valores de potencias obtenidas fase A en el plano 778-09 . . . . . . 67A.4 Valores de potencias obtenidas fase B en el plano 778-09 . . . . . . 67A.5 Valores de potencias obtenidas fase C en el plano 778-09 . . . . . . 68A.6 Valores de factor de potencia obtenido en el plano 778-65 . . . . . 68A.7 Valores de potencias obtenidas fase A en el plano 778-65 . . . . . . 69A.8 Valores de potencias obtenidas fase B en el plano 778-65 . . . . . . 69A.9 Valores de potencias obtenidas fase C en el plano 778-65 . . . . . . 70

ix

A.10 Valores de factor de potencia obtenido en el plano 778-08 . . . . . 70A.11 Valores de potencias obtenidas fase A en el plano 778-08 . . . . . . 71A.12 Valores de potencias obtenidas fase B en el plano 778-08 . . . . . . 71A.13 Valores de potencias obtenidas fase C en el plano 778-08 . . . . . . 72A.14 Valores de factor de potencia obtenido en el plano 778-51 . . . . . 72A.15 Valores de potencias obtenidas fase A en el plano 778-51 . . . . . . 73A.16 Valores de potencias obtenidas fase B en el plano 778-51 . . . . . . 73A.17 Valores de potencias obtenidas fase C en el plano 778-51 . . . . . . 74A.18 Pruebas a aplicar sobre bancos de capacitores . . . . . . . . . . . . 75

Indice de cuadros

3.1 Resumen medicion en el plano 778-09 del 1 de marzo al 15 de marzodel 2014. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2 Resumen medicion en el plano 778-65 del 1 de marzo al 15 de marzodel 2014. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3 Ubicacion de las etiquetas en el ramal trifasico La Palma. . . . . . 403.4 Levantamiento de ramales monofasicos. . . . . . . . . . . . . . . . 423.5 Levantamiento de ramales monofasicos (continuacion). . . . . . . . 433.6 Resumen medicion en el plano 778-09 del 1 de abril al 8 de abril

del 2014. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.7 Resumen medicion en el plano 778-51 del 1 de abril al 8 de abril

del 2014. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.8 Factor de potencia calculado en el plano 778-51 . . . . . . . . . . . 463.9 Factor de potencia calculado en el plano 778-09 . . . . . . . . . . . 47

4.1 Comparacion del factor de potencia promedio plano 778-09 . . . . 59

x

Nomenclatura

ARESEP Autoridad reguladora de los servicios publicos.

C Capacitancia.

CoopelescaR.L. Cooperativa de electrificacıon rural de San Carlos R.L.

f Frecuencia

FP Factor de potencia.

G Prefijo de giga.

Hz Unidad de frecuencia.

I Corriente electrica.

ICE Instituto costarricense de electricidad.

kV A kilo Volt-Ampere

kV AR kilo Volt-Ampere resistivo.

kW kilowatt.

LCD Pantalla de cristal liquido.

PCB Policlorobifenilo.

rms Raız media cuadratica

SCADA Supervision,control y adquisicion de datos.

s Unidad de segundos

t Tiempo.

V Tension electrica, diferencia de potencial.

β Desplazamiento angular en la tension.

π Constante numerica equivalente a 3.141592....

δ Desplazamiento angular en la corriente.

xi

Ω Unidad de resistencia Ohm.

ω Velecidad angulas rad/s.

µ Prefijo de micro.

xii

1 Introduccion

Actualmente existe una marcada tendencia de parte de todas las empresaselectricas de disminuir las perdidas electricas, esta disminucion no solo se rea-liza con un fin economico sino tambien ambiental. Desde el punto de vistaeconomico las empresas de transmision y distribucion pueden penalizar en lafactura electrica a los usuarios por tener un bajo factor de potencia ocasio-nando que el costo del servicio electrico para una empresa pueda aumentarconsiderablemente y con relacion al medio ambiente, la disminucion de perdi-das electricas disminuye las emisiones de CO2 y de calor hacia la atmosfera,esto ultimo debido a la disminucion del aporte de energıa a la atmosfera porefecto Joule.

Las empresas electricas tienen una serie de puntos sobre los cuales pue-den llegar a aplicar disminucion de perdidas electricas, entre algunos se puedeencontrar balance de cargas, sobredimensionamiento de transformadores, tra-siego de potencia reactiva y factor de potencia, calibre de conductores, etc.En los sistemas de distribucion electrica las perdidas por trasiego de poten-cia reactiva pueden llegar a representar un porcentaje elevado de las perdidaselectricas, sin dejar de lado una serie de factores perjudiciales que puede pro-vocar como caıda de tension, encarecimiento de la factura electrica, colapso detension, sobredimensionamiento de equipos entre otros. Por lo anterior, unode los primeros puntos a analizar en un programa de disminucion de perdidaselectricas es la disminucion de demanda de potencia reactiva desde las subes-taciones alimentadoras o desde las mismas plantas de generacion electrica.

La disminucion de perdidas electricas genera un uso optimo de las redeselectricas de distribucion ası como de las plantas de generacion, este proyectoesta enfocado en mejora del factor de potencia del ramal trifasico La Palmadel circuito de distribucion Fortuna, de la Cooperativa de Electrificacion Ruralde San Carlos, Coopelesca R.L., y su consecuente disminucion de perdidaselectricas por disminucion de trasiego de potencia reactiva.

Finalmente, Coopelesca R.L. como una empresa que impulsa el desarrollode la zona norte debe dar el ejemplo en temas de eficiencia energetica y me-dioambientales con el fin de promover buenas practicas entre sus asociados,ya que el uso racional de los recursos energeticos es un tema que debe ser ana-lizado por todas las personas y que a la vez deben de buscar el mejoramientoy optimizacion del uso de los recursos renovables los cuales son limitados.

1

2 1 Introduccion

1.1 Alcance del proyecto

Coopelesca R.L cuenta unicamente con bancos de capacitores para poder con-trolar la potencia reactiva a traves del sistema de distribucion, con este pro-yecto tambien se genero un procedimiento para determinar la ubicacion debancos de capacitores en sistemas radiales ası como el protocolo de pruebasde bancos de capacitores.

1.2 Objetivos

Objetivo general

Disminuir mediante la instalacion de un banco de capacitores la necesidad (de-manda) de potencia reactiva del ramal trifasico La Palma del circuito trifasicode distribucion Fortuna de Coopelesca R.L

Objetivos especıficos

Para el desarrollo de este proyecto se establecieron los siguientes objetivos:

• Obtener la curva de demanda del ramal trifasico La Palma.

• Realizar la identificacion de fase de los conductores del ramal trifasicoLa Palma.

• Establecer y realizar las pruebas sobre un banco de capacitores paramedia tension.

• Realizar la instalacion del banco de capacitores en el ramal trifasico LaPalma.

• Comprobar la disminucion de demanda de potencia reactiva del ramalLa Palma.

1.3 Metodologıa

La metodologıa empleada para cumplir los objetivos anteriormente planteadosconsistio:

• Realizar una investigacion bibliografica mediante libros, paginas web,manuales, documentos, normas y estandares sobre los efectos del trasiegode potencia reactiva en los sistemas de distribucion electrica.

1.3. Metodologıa 3

• Medicion de potencia en el ramal trifasico la Palma mediante el uso delos equipos Varcorder, con lo que se obtuvo la curva de demanda duranteuna semana

• Identificacion de los conductores por fase en el ramal trifasico.

• Con la curva de demanda del ramal trifasico se determino la ubicacion delbanco de capacitores ası como la programacion del control de aperturay cierre de los interruptores del banco de capacitores.

• Planteamiento y realizacion de una serie de pruebas a realizar sobre elbanco de capacitores con los equipos disponibles que cuenta la Coope-rativa.

• Instalacion del banco de capacitores en el lugar de estudio donde secomprobo el mejoramiento del factor de potencia.

2 Antecedentes

2.1 Resena historica de Coopelesca R.L.

Coopelesca R.L es la Cooperativa de electrificacion rural de San Carlos,fue fundada el 24 de enero de 1965 pero fue hasta 1969 que empezo con ladistribucion de electricidad con una extension de apenas 269 km y 1065servicios en un area de cobertura de 4700 km2. El sistema de distribucionconsta de 20 circuitos con un nivel de tension de 24.9 kV/14.4 kV conneutro multiaterrizado, estos circuito se alimentan desde 3 subestacionespropias de la cooperativa (Muelle, Pital y Chilamate) y 4 subestacionesque pertenecen al ICE (Penas Blancas, Cuidad Quesada, Toro y Cari-blanco). Existe un sistema de subtransmision en 69 kV el cual enlazalas tres subestaciones de la cooperativa con el sistema de transmisionde 230 kV del ICE, ente enlace se realiza mediante transformadores re-ductores de 230 kV a 69 kV, existen dos puntos de union con el sistema230 kV, el primero es en la subestacion de Penas Blancas y el otro enla subestacion de Marsella. La Cooperativa posee 5 plantas hidroelec-tricas, tres estan ubicadas en el complejo hidroelectrico Chocosuela, lacuarta es la planta hidroelectrica La Esperanza, estas cuatro plantas es-tan conectadas al sistema de distribucion, mientras que la ultima plantahidroelectrica Cubujuqui esta conectada al sistema de subtransmision.(Coopelesca,2014).

2.2 Potencia electrica

Segun (Glover,2008) la potencia electrica es la razon de cambio de laenergıa con respecto al tiempo. La unidad de potencia es el Watt, que esigual a un joule por segundo. En lugar de decir que una carga absorbeenergıa a una razon dada de potencia, es mas comun decir que unacarga absorbe potencia. La potencia instantanea en watt absorbida poruna carga electrica es el producto de la tension instantanea entre losextremos de la carga en volts, y la corriente instantanea hacia la cargaen amperes. Ası la ecuacion para la potencia instantanea es:

P (t) = V (t)I(t), (2.1)

5

6 2 Antecedentes

Figura 2.1: Mapa cobertura distribuidoras del pais.(ICE,2013)

Cuando la excitacion es del tipo cosenosoidal, se obtiene una corrientecosenosoidal de la misma frecuencia pero con un posible desplazamiento.

v(t) = Vmaxcos(ωt), (2.2)

i(t) = Imaxcos(ωt+ δ), (2.3)

Por lo que se si se realiza el producto de la tension instantanea por lacorriente instantanea se obtiene:

p(t) = VmaxImaxcos(ωt)cos(ωt+ δ), (2.4)

Utilizando identidades trigonometricas se llega a:

p(t) =VmaxImax

2cos(δ) +

VmaxImax2

cos(2ωt+ δ), (2.5)

El primer termino de la ecuacion (2.5)no es una funcion del tiempo sinodel desplazamiento angular entre la tension y la corriente que circulapor el elemento, mientras que el segundo termino presenta una varia-cion en el doble de la frecuencia original aplicada. Debido a que estesegundo termino es una funcion senosoidal, estas ondas presentan unvalor promedio de cero, ya que durante un semiciclo presenta valorespositivos y en el semiciclo siguiente presenta valores negativos, se puedesugerir entonces que la potencia promedio (activa) corresponde solo alprimer termino de la ecuacion pero para asegurar esto se debe calcularla potencia promedio de formas de ondas periodicas.

2.2. Potencia electrica 7

Potencia promedio o activa

Cuando se hace referencia al valor promedio de la potencia instantanea,sedebe definir con claridad el intervalo durante el cual se lleva a cabo elproceso de promedio, se debe elegir un intervalo general de t1 hasta t2 ,ası se podra obtener el valor promedio al integrar p(t) desde t1 hasta t2y dividir el resultado entre el intervalo t2 - t1 , de modo que se tiene lasiguiente ecuacion:

P =1

t2 − t1

∫ t2

t1

p(t)dt, (2.6)

El valor promedio P se denota en mayuscula, ya que no es dependientede tiempo, aunque P no es funcion de t1 y t2 ,los dos instantes definenel intervalo de integracion, esta dependencia de P se expresa de manerasimple cuando p(t) es una funcion periodica ya que se toma t2 = t1 +T, donde T es el periodo de la funcion, ası la ecuacion de la potenciapromedio se convierte en:

P =1

T

∫ t1+T

t1

p(t)dt, (2.7)

Potencia promedio o activa en estado senosoidal

Para obtener la potencia promedio, se necesita definir tanto una ten-sion como una corriente, para que el resultado sea generalizado tanto latension como la corriente presentan un desplazamiento angular, si β co-rresponde al desplazamiento de la tension y δ al desplazamiento angularde la corriente entonces (2.5) se convierte en

p(t) =VmaxImax

2cos(β − δ) +

VmaxImax2

cos(2ωt+ β + δ), (2.8)

Si se calcula el valor promedio de la potencia como se expuso anterior-mente sobre el periodo de la funcion en (2.8)obtiene

p(t) =VmaxImax

2cos(β − δ), (2.9)

Por lo que la potencia promedio solo depende de las amplitudes de lasondas de corriente y de tension y de la diferencia de los desplazamientosangulares. Si se sustituye el valor de amplitud por el valor rms se obtieneuna forma mas simplificada para la expresion de la potencia:

8 2 Antecedentes

p(t) = VrmsIrmscos(β − δ), (2.10)

Potencia aparente y factor de potencia

Si se aplicara simplemente corriente DC, la potencia promedio entregadaal elemento sera simplemente el producto de la tension y la corriente,al aplicar esto al corrientes AC, se debe obtener el valor de la potenciaabsorbida que esta dada “aparentemente” por VrmsIrms ;sin embargo,este producto no es la potencia promedio, por lo que se define como lapotencia aparente,dimensionalmente son iguales,debido a que el terminocos(β-δ) es adimensional, pero para eliminar confusiones se utiliza eltermino volt-amperes o VA a esta potencia. Ya que el termino cos(β-δ) nopuede ser mayor que la unidad, se puede concluir que la potencia activa oreal no puede ser superior que la potencia aparente.La proporcion entrela potencia real y la potencia aparente se conoce con el nombre de factorde potencia y se simboliza como FP.

FP =potenciareal

potenciaaparente=

P

VrmsIrms= cos(β − δ), (2.11)

El factor de potencia es una medida de la eficiencia del uso de la potenciaaparente, ya que un valor de FP=1, quiere decir que toda la potenciaaparente es potencia real, lo que quiere decir es que se convierte entrabajo, mientras que un FP=0, quiere decir que no hay potencia realaunque se esta usando una cierta cantidad de potencia aparente. Engeneral se busca de que el factor de potencia sea lo mas cercano a uno,el motivo de esto se expone mas adelante en el capitulo.

Potencia compleja.

Para analizar de manera mas profunda el significado de las diferentespotencia, estas se deben de considerar como una cantidad compleja, endonde la magnitud de la potencia compleja corresponde al termino de lapotencia aparente, y la parte real de la potencia compleja es la poten-cia promedio real, la otra cantidad, la parte imaginaria de la potenciacompleja, se llama potencia reactiva; al representar a (2.10) en formacompleja utilizando la identidad de Euler se obtiene entonces:

P = VrmsIrms(ej(β−δ)), (2.12)

EntoncesP = Re(VrmsI

∗rms), (2.13)

2.2. Potencia electrica 9

Donde I∗rms es el conjugado complejo de Irms con lo que entonces lapotencia compleja se puede expresar como:

S = (VrmsI∗rms), (2.14)

La ecuacıon (2.10) se representa en el plano complejo como:

S = P + jQ, (2.15)

Donde P es la potencia promedio activa que ya se habıa calculado an-teriormente, y la parte imaginaria que se simboliza con Q se denominapotencia reactiva. Dimensionalmente todas las potencias tienen las mis-mas unidades, pero para evitar confusiones con las otras cantidades seutiliza para la potencia reactiva la unidad de volt-ampere reactivo oVAR, la potencia Q queda entonces definida de la siguiente manera:

Q = VrmsIrmssin(β − δ), (2.16)

Cualquier elemento que difiera de un FP = 1, consume o genera potenciareactiva, ya que un FP distinto de uno quiere decir que dentro de lapotencia aparente existe una componente imaginario de potencia, o loque es lo mismo existe potencia reactiva.

Tipos de carga

Existen tres tipos posibles de carga electricas pasivas, resistiva, induc-tiva y capacitiva, cualquier carga existente es una combinacion de lostres tipos de carga aquı descritos, realmente las componentes resistiva,inductiva y capacitiva siempre estan presenten pero se manifiestan enmayor o menor medida, por ejemplo una linea de transmision electricadependiendo de su distacia en ciertos analisis se puede o no obviar lacomponenete capacitiva, pero en una linea muy larga, la componentecapacitiva es un elemento a considerar.

Carga del tipo resistiva

En el caso de una carga que sea puramente resistiva, la corriente estaen fase con la tension por lo que no se presenta un desplazamiento entreambos vectores, esto hace que el FP sea igual a 1, con lo que una resis-tencia no demanda potencia reactiva, sino solo real o activa, este es eltipo de carga ideal ya que no demanda potencia reactiva.

10 2 Antecedentes

Carga del tipo inductiva

En el caso de una carga que es puramente inductiva, la corriente vadetras de la tension en 90, para este caso la potencia real es cero ya quela diferencia de desplazamiento del termino coseno es noventa grados, ası ya se puede definir que el valor del FP de una carga puramenteinductiva es 0, pero no hay que dejar de lado la potencia reactiva, yaque el componente seno tiene un valor de uno, por lo que una cargainductiva demanda exclusivamente potencia reactiva positiva. Cuando setienen circuitos mixtos con caracterıstica resistiva-inductiva, el factor depotencia se encontrara entre cero y uno, esto produce que se demandende los tipos de potencia, real e imaginaria, para un caso de estos sedice que el factor de potencia se encuentra en atraso. Todos los circuitosde magnetizacion como transformadores, motores y las lıneas electricaspresentan una componente inductiva por lo que demandan este tipo depotencia.

Carga del tipo capacitiva

La cargas capacitivas puras, presentan un adelanto en el fasor de corrien-te respecto al fasor de tension, al igual que en el caso de la puramenteinductiva, el termino coseno se vuelve cero y el FP se vuelve cero; por loque la carga capacitiva pura no demanda potencia real, pero el terminoseno se vuelve negativo, por lo que demandan potencia reactiva negati-va, esto equivale a decir que el capacitor entrega potencia reactiva. Enun circuito mixto, resistivo-capacitivo, el factor de potencia se encuentraentre 0 y 1, pero se dice que esta en adelanto para hacer referencia aligual que en el caso anterior a el desplazamiento respecto al fasor de latension.

2.3 Trasiego de potencia reactiva

Las cargas industriales desde el punto de vista electrico son de caracterreactivo a causa de la presencia principalmente de equipos de refrigera-cion, motores, etc; este caracter reactivo obliga que junto al consumo depotencia activa se sume el de la potencia reactiva, las cuales en conjun-to determinan el comportamiento operacional de dichos equipos. Estapotencia reactiva es suministrada tradicionalmente por la empresa elec-trica, aunque tambien puede ser suministrada por la propia industria.

2.3. Trasiego de potencia reactiva 11

Efectos de un bajo factor de potencia

Cuanto mas bajo sea el factor de potencia, mayor potencia aparentey mayor intensidad de corriente se debe proporcionar a la carga, pa-ra entregar una misma potencia activa, por lo que se tiene una seriede consecuencias negativas tanto para la empresa distribuidora comopara el cliente, estas consecuencias son enumeradas a continuacion (Ea-ton,2010):

Efectos negativos para la empresa electrica:

– Debe tener una mayor capacidad de generacion de potencia apa-rente (kVA).

– Debe sobredimensionar las lıneas de distribucion y los transforma-dores correspondientes.

– Al aumentar la intensidad de la corriente, aumentan las caıdas detension, lo que genera complicacion en la regulacion de la tension,dando problemas de estabilidad de red.

– Perdidas de potencia, como consecuencia de una intensidad elevada,proporcionales a la intensidad al cuadrado por la resistencia dela lınea, por lo que se puede generar calentamiento excesivo enlos conductores, con consecuencias negativas en la vida util de losconductores y los equipos o dispositivos que esten conectados a lalıneas.

Efectos negativos para el consumidor, cliente o abonado.

– En una menor medida respecto a la empresa distribuidora, sufriratambien caıdas de tension y perdidas de potencia en los conducto-res, como consecuencia de la intensidad elevada.

– Aumento en la factura de electricidad en funcion de la tarifa con-tratada, por consumo de potencia reactiva.

– En el caso de tener transformadores propios, existiran sobredimen-sionamiento o sobrecargas.

– Al ser suministrada por la empresa electrica debera ser produciday transportada por las redes, ocasionando necesidades de inversionen capacidades mayores de los equipos y redes de transmision ydistribucion.

Una de las principales ventajas de aumentar el factor de potenciaes la disminucion de perdidas en las lıneas de distribucion, si sedefine K como el factor de reduccion de perdidas, cuando se pasade factor de potencia fp1 a un nuevo factor de potencia fp2 se tieneentonces:

12 2 Antecedentes

Figura 2.2: Porcentaje de reduccion de perdidas en la lınea de distribucion.

K =

[1 −

(fp1fp2

)2]∗ 100 %, (2.17)

Como se puede apreciar en la figura 2.2 una mayor mejora del factorde potencia respecto al factor de potencia inicial se traduce en unamayor reduccion de perdidas, en el caso de que se logre alcanzar unfactor de potencia igual a uno, la seccion de la lınea de distribucionque posea dicho factor de potencia no tendra perdidas debido a co-rrientes del tipo reactivo, y las perdidas estaran unicamente ligadasa la componente real de la carga. Cuando se realiza una mejora delfactor de potencia en transformadores tanto de distribucion comode potencia, se presenta una liberacion de potencia aparente, estapotencia aparente liberada se considera como una potencia extraaprovechable manteniendo la misma potencia activa.

kV A = kW

(1

fp1− 1

fp2

), (2.18)

La figura 2.3 presenta la variacion de perdidas para 4 factores depotencia distintos respecto a un factor de potencia inicial, se destacase tiene menor reduccion de perdidas cuando se hace la misma


Figura 2.3: Porcentaje de kVA recuperados por mejoramiento del factor depotencia.

variacion de factor de potencia entre dos valores altos que entredos valores bajos.

Control de tension y potencia reactiva

Para una operacion eficiente y confiable de un sistema de potencia(Echavarren,2006), el control de la tension y la potencia reactivadeben satisfacer los siguientes objetivos:

∗ Las tensiones en las terminales de todos los equipos en el siste-ma estan dentro de lımites aceptables los cuales son definidospor la empresa electrica o por algun ente a nivel nacional, enel caso de Costa Rica estos valores son definidos por la Aresep;tanto los equipos de la empresa electrica como los del consu-midor son disenados para operar a un cierto rango de tensionnominal. La operacion prolongada de los equipos fuera de esterango puede causar efectos adversos en su desempeno y posi-blemente causar dano.

∗ La estabilidad del sistema es aumentada para maximizar lautilizacion del sistema de transmision, el control de la poten-

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cia reactiva y la tension tiene un impacto significante en laestabilidad del sistema.

∗ El flujo de potencia reactiva es minimizado para reducir perdi-das I2R y I2X a un mınimo practico, esto asegura que el siste-ma de transmision opera eficientemente, principalmente parala transferencia de potencia reactiva.

∗ Existe un problema de mantener las tensiones dentro de loslımites requeridos; esto es complicado por el hecho de que elsistema electrico suple potencia a un vasto numero de cargasy son alimentadas desde varias unidades de generacion. Comolas cargas varıan, los requerimientos de potencia reactiva va-rıan tambien. Debido a que la potencia reactiva no puede sertransmitida por grandes distancias, el control de tension ha deser efectuado por el uso de dispositivos especiales dispersos atraves del sistema electrico, esto en contraste con el controlde la frecuencia el cual depende del balance completo de lapotencia activa en el sistema.

Produccion y absorcion de potencia reactiva.

Los generadores sincronicos (Brunello,2003) pueden generar o ab-sorber potencia reactiva dependiendo de la excitacion, cuando sonsobreexcitados ellos suplen potencia reactiva y cuando son subexci-tados ellos absorben potencia reactiva. La capacidad de continua-mente suplir o absorber potencia reactiva es, sin embargo, limitadapor la corriente de campo, la corriente de armadura, y la regionterminal de recalentamiento. Los generadores sincronicos son nor-malmente equipados con un equipo con reguladores automaticos detension los cuales continuamente ajustan la excitacion ası como elcontrol de tension de armadura. Las lıneas de transmision aereas,dependiendo de la corriente de carga, pueden absorber o entregarpotencia reactiva. A cargas por debajo de la carga natural (im-pedancia surge), las lıneas producen una potencia reactiva neta; acargas por encima de la carga natural, las lıneas absorben poten-cia reactiva. Los cables subterraneos, debido a su alta capacitancia,poseen una alta carga natural, ellos siempre son cargados por de-bajo de su carga natural, y entonces generan potencia reactiva bajotodas las condiciones de operacion. Los transformadores, siempreabsorben potencia reactiva independientemente de su carga, sin car-ga, la reactancia de magnetizacion afecta predominantemente, y aplena carga la inductancia de acoplamiento en seria afecta predomi-nantemente. Las cargas, normalmente absorben potencia reactiva.


Una barra tıpica para un sistema de potencia esta compuesta de ungran numero de dispositivos, La composicion cambia dependiendodel dıa, la estacion y las condiciones climaticas; tanto la potenciaactiva como la reactiva de una carga varıan como una funcion de lamagnitud de la tension. Cargas con factor de potencia bajo en atra-so causa una excesiva caıda de tension en la red de distribucion y enalgunos casos no es economicamente viable suplir bajos factores depotencia debido a que pueden generar inoperatividad del sistema(colapso de tension). Dispositivos de compensacion son usualmenteagregados para suplir (capacitores) o absorber (reactores) potenciareactiva y de este modo controlar el balance de potencia reactivaen una manera adecuada. En sistemas de distribucion es comunel uso de bancos de capacitores como una forma de compensar lademanda de potencia reactiva por parte de un circuito.

Metodos de control de tension

El control de los niveles de tension esta acompanado del controlde la produccion, absorcion y flujo de potencia reactiva a todos losniveles en el sistema, las unidades de generacion proveen los mediosbasicos de control de tension, los reguladores automaticos de tensioncontrolan la excitacion de campo para mantener el nivel de tensionprogramado en las terminales del generador. Medios adicionalesson usualmente requeridos para controlar la tension a traves delsistema. Los dispositivos empleados para este proposito pueden serclasificados de la siguiente manera:

∗ Fuentes o sumideros de potencia reactiva, tales como capaci-tores shunt, reactores shunt, condensadores sincronicos y com-pensadores estaticos de VAR (SVC).

∗ Compensadores de reactancia en lınea, tales como capacitoresen serie.

∗ Transformadores reguladores, tales como transformadores concambiadores de tomas (reguladores de tension), y boosters.

∗ Los capacitores shunt, reactores y capacitores en serie provocanuna compensacion pasiva, ellos contribuyen al control de latension por la modificacion de las caracterısticas de la red.

∗ Los condensadores sincronicos y los SVC proveen una compen-sacion activa, la potencia activa absorbida/producida es enton-ces automaticamente ajustada para de este modo mantener latension en las barras donde ellos estan conectados. Todos jun-tos con las unidades de generacion, establecen las tensiones en

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puntos especıficos del sistema. Las tensiones en otras ubicacio-nes en el sistema son determinados por los flujos de potenciaactiva y reactiva a traves de varios elementos del circuito, in-cluyendo los dispositivos de compensacion activa.

El siguiente apartado hace enfasis exclusivamente en los capacitoresShunt.

Capacitores shunt

Los capacitores Shunt suplen potencia reactiva y aumentan la ten-sion local como consecuencia de la disminucion de la corriente reac-tiva en la lınea, ellos son usados a traves del sistema y son aplicadosen un variado rango de tamanos. Los primeros capacitores shuntfueron usados a mediados de la decada de 1910 para la correcciondel factor de potencia. Los primeros capacitores empleaban aceitecomo dielectrico. Debido a su tamano, peso, y alto costo, en esemomento fue limitado. En la decada de 1930 la introduccion delos materiales dielectricos y otras mejoras en la construccion decapacitores permitio una considerable reduccion en el peso y tama-no. Actualmente son un medio muy economico de suplir potenciareactiva. La principal ventaja de los capacitores shunt son su bajocosto, la flexibilidad de instalacion y operacion; como se mencionopueden ser facilmente aplicados en varios puntos de la red, ası secontribuye con la eficiencia de la transmision y distribucion de po-tencia. Existe la desventaja de que el valor de potencia reactiva deun banco de capacitores shunt es proporcional al cuadrado de latension, en consecuencia la potencia reactiva de salida es reducidaa tensiones bajas cuando es deseable que entreguen mas potenciareactiva.

Construccion de capacitor

Los capacitores utilizados en Coopelesca R.L. son de la marcaCooper Industries, especıficamente los modelos CEP428M5 y CEP427M30,la diferencia radica en que el primer modelo es de doble bushingmientras que el segundo es solo de un bushing. Internamente el ca-pacitor contiene una serie de hojas de aluminio y entre las hojasde aluminio una capa de polipropileno, todo esto sumergido en unlıquido dielectrico. En 1971 Cooper rediseno la forma en que eranconstruidos los capacitores construyendo capacitores sin soldadurasen las hojas de aluminio, este diseno basicamente se convirtio en elestandar de la industria; la ventaja del uso de capacitores sin sol-


Figura 2.4: Constitucio interna de un capacitor marca Cooper.(Cooper Indus-tries,2012)

dadura la confiabilidad de la conexion de baja resistencia entre lospaquetes de hojas de aluminio con lo que se aumenta el desempeno,la vida del equipo y se disminuyeron las perdidas.

La forma en que son construidos los capacitores y los materialesusados permiten una disminucion en los esfuerzos electricos sobrelas partes internas del capacitor; ademas la distribucion uniformede tension y densidad de corriente dentro del dielectrico resultan enuna capacidad superior para soportar transientes. El liquido dielec-trico usado en los capacitores no contiene PCB por lo cual en casode derrame no presenta una amenaza para el medio ambiente.

Aplicaciones de capacitores shunt en sistemas dedistribucion.

Los capacitores shunt son usados extensivamente en sistemas dedistribucion para la correccion del factor de potencia y control dela tension de los alimentadores, los capacitores de distribucion sonusualmente conmutables por medios automaticos respondiendo aun simple reloj, o a un rele que tiene la capacidad de medir tensiono corriente.

El objetivo de la correccion del factor de potencia es proveer la

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Figura 2.5: Conexion sin soldadura entre bloques de aluminio.(Cooper Indus-tries,2012)

Figura 2.6: Constitucion interna de un capacitor.(Cooper Industries,2012)


potencia reactiva cerca del punto donde esta va a ser consumida,los bancos de capacitores de baja tension son usados para grandesconsumidores y los bancos de media tension son usados en subesta-ciones. En el caso de los bancos de capacitores fijos estan conectadospermanentemente al sistema, siendo tratados como fuentes constan-tes de potencia reactiva, su ubicacion y tamano se determina parael nivel de demanda base.

Tambien se tienen los bancos de capacitores automaticos cuya fun-cion es proporcionar diferentes niveles de potencia reactiva al siste-ma para poder compensar la deficiencia de potencia reactiva en losperiodos de demanda media y punta. La entrada o salida de poten-cia reactiva puede ser controlada por variables como la demandade potencia reactiva, el nivel de tension, la hora, el dıa o inclusouna combinacion de estas.

Ubicacion de los bancos de capacitores

Debido a todos los beneficios que presenta la instalacion de unbanco de capacitores, la ubicacion de los mismos, juega un papelimportante en la planificacion y operacion de los sistemas de dis-tribucion, debido a que implican una inversion y se debe procederde una manera optima para obtener el mayor beneficio, ası la ubi-cacion optima de capacitores ha sido formulada como un problemade optimizacion donde la mayorıa de tecnicas convencionales sonincapaces de resolver el problema ya que es un problema combina-torio muy complejo por la cantidad de posibilidad y variables quese pueden presentar. La localizacion de capacitores ha sido resueltahaciendo uso de diferentes tecnicas y metodos, que van desde losmas elementales y de facil implementacion, hasta los mas complejos,los metodos de solucion al problema de localizacion de capacitoresse pueden clasificar de la siguiente manera:

∗ Metodos heurısticos: Son metodos basados en tecnicas de bus-queda heurıstica. La aplicacion de estos metodos ha sido degran importancia en la localizacion de bancos de capacitorespara minimizacion de perdidas. Se caracterizan por su facilentendimiento e implementacion, sin embargo los resultadosobtenidos en algunos casos no terminan siendo lo mas optimos.

∗ Metodos basados en inteligencia artificial: Estos metodos se ca-racterizan por su poder de resolver el problema de localizacionde bancos de capacitores de manera optima, estan basados enlas diferentes aereas de la inteligencia artificial; algunos ejem-plos de estos metodos son:

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· Algoritmos geneticos: Estos metodos desarrollan una bus-queda selectiva basada en algoritmos con evolucion biolo-gica, los cuales centralizan su busqueda hacia una solucionoptima, por medio de codificacion, combinacion y operacio-nes de mutacion sobre ellos para generar un mejor conjuntode parametros ya codificados.

· Redes neuronales: Son usados para establecer relaciones nolineales entre entradas y salidas. Su estructura consiste ba-sicamente de tres tipos de capas: una de entrada, una omas capas ocultas y una salida. Una vez que la red ha sidoentrada, puede proporcionar resultados muy rapidos anteun conjunto de entradas determinado.

∗ Regla de los 2/3: Esta regla es aplicada solamente en situacio-nes en las cuales la carga reactiva en el alimentador es continuay uniformemente distribuida. La mayorıa de los alimentadoresno tienen una distribucion uniforme de cargas reactivas, ası quela regla de los 2/3 no es aplicable completamente.

∗ Metodo grafico: Aplica el concepto de minimizacion de reacti-vos por unidad de longitud, puede ser usado para desarrollarpautas en situacion tıpicas de cargas no uniformes. Es un me-canismo muy utilizado para ilustrar las bases de los efectos dela compensacion, y definir recomendaciones de “primer orden”,al igual que la regla de los 2/3, sin embargo en ambos casos unnumero de factores importantes no son considerados, como losson los siguientes:

· Flujo de potencia compleja

· Impedancia de la lınea

· Carga discontinua

· Economıa

Estabilidad de potencia

La estabilidad de un sistema de potencia (Gonzales,2008) puedeser ampliamente definida como aquella propiedad de un sistema depotencia que permite a este mantenerse en un estado de operacionequilibrado bajo condiciones normales y recuperar un estado depotencia aceptable de equilibrio luego de ser sujeto a una perturba-cion. La inestabilidad de un sistema de potencia se puede manifestaren diferentes maneras dependiendo de la configuracion y modo deoperacion. Tradicionalmente el problema de la estabilidad ha sidoel mantenimiento de la operacion sincronizada. Desde que los sis-


temas de potencia confiaron en las maquinas sincronicas para lageneracion de electricidad, una condicion necesaria para la opera-cion satisfactoria es que todas las maquinas sincronicas mantenganel sincronismo, este aspecto de la estabilidad es influenciado porla dinamica de los angulos de los rotores y las relaciones potencia-angulo.

Pero la inestabilidad tambien puede ser encontrada sin la perdidade sincronismo. Por ejemplo un sistema consistente en un generadorsincronico alimentando una carga de motor de induccion a travesde una lınea de transmision puede transformarse inestable por elcolapso de tension de la carga, mantener el sincronismo no es unacuestion en este caso especıfico, sino mantener la estabilidad y elcontrol de la tension. En la evaluacion de la estabilidad el interes esel comportamiento del sistema cuando es sujeto a una perturbaciontransitoria. La perturbacion puede ser pequena o grande. Las per-turbaciones pequenas en la forma de cambios de carga tienen lugarcontinuamente, y el sistema se ajusta por sı mismo a las condicionescambiantes, el sistema debe ser capaz de operar satisfactoriamentebajo esas condiciones y de sobrevivir a numerosas perturbacionesde una naturaleza severa, tales como cortocircuitos en una lıneade transmision o de distribucion, perdida de un generador de grantamano, perdida de una carga de gran tamano o la perdida de unalınea de interconexion entre dos subestaciones.

Hay que recordar que la respuesta del sistema electrico a una per-turbacion involucra mucho el equipo, ya que un cortocircuito en unelemento crıtico, seguido por el despeje de los reles de proteccioncausando variaciones en la potencia transferida, velocidad del rotorde la maquina, y tensiones en las barras. Durante las variaciones detension actua el regulador de tension del generador, para contrarres-tar las variaciones de velocidad actua el gobernador del pri-motor,ademas, los dispositivos empleados para proteger los equipos indi-viduales pueden responder a las variaciones del sistema, afectandotambien el comportamiento del sistema electrico. Se puede realizartoda una investigacion respecto a la estabilidad transitoria del an-gulo rotatorio, pero este tema esta fuera del alcance de los objetivos,ya que esta estabilidad esta relaciona con la potencia activa.

Estabilidad de tension y colapso de tension.

La estabilidad de tension es la habilidad de un sistema electrico demantener tensiones estables aceptables en todas las barras del sis-tema bajo condiciones operativas normales y despues de ser sujeto

22 2 Antecedentes

a una perturbacion. Un sistema entra en un estado de inestabilidadde tension cuando una perturbacion (por ejemplo aumento repen-tino de potencia reactiva demanda), o un cambio en las condicionesdel sistema causa una progresiva e incontrolable caıda de tension,siendo el principal factor causante de la inestabilidad en los siste-mas es satisfacer la exigencia de la demanda de potencia reactiva.El nucleo del problema es usualmente la caıda de tension que ocurrecuando la potencia activa y reactiva fluye a traves de reactanciasinductivas asociadas con las redes de transmision y distribucion.

Un criterio para la estabilidad de tension es que a una condicionoperativa para cada barra en el sistema, la magnitud de tensionde la barra se incrementa con la inyeccion de potencia reactiva enla misma barra que es incrementada. Un sistema es inestable entension si, por al menos una barra en el sistema, la magnitud dela tension de la barra decrece con la inyeccion de potencia reactivacuando esta es incrementada, en otras palabras, un sistema es esta-ble en tension, si la sensibilidad V-Q es positiva para cada barra yes inestable en tension si la sensibilidad V-Q es negativa al menosen una barra.

2.4 Estandares aplicados a bancos decapacitores.

Esta seccion describe los dos principales estandares de IEEE quese aplican sobre capacitores, el primero IEEE18-1992 es el estandarque describe las caracterısticas funcionales mınimas que soportanlos capacitores ası como las pruebas en fabrica para verificar dichosdatos, en el caso del segundo IEEE 1036-1992 es mas una guıa parala aplicacion de los bancos de capacitores y las consideraciones atomar en cuenta.

IEEE 18-1992 Estandar para Capacitores Shunt

Esta parte del proyecto es una revision del estandar IEEE 18-1992(IEEE,1992), la seccion primera nos da un vistazo sobre los rangosde tensiones sobre los cuales aplica la norma, las frecuencias. La sec-cion dos presenta otros estandares que se deben usar en conjuntocon el estandar 18-1992. La seccion tres tiene una serie de defini-ciones que aplican en el presente estandar. En la cuarta seccion setienen dos apartados unicamente; en el primero se encuentra la listade las condiciones que se deben cumplir para que el capacitor este

2.4. Estandares aplicados a bancos de capacitores. 23

bajo un servicio normal, en la segunda parte de la seccion cuatrose enumeran las condiciones que hacen que un capacitor opere bajouna condicion de servicio anormal. La quinta seccion esta divida en8 partes, esta seccion contiene informacion importante que se debeconsiderar al momento de adquirir un capacitor, en la primera par-te de la seccion cinco se establece los ındices para los capacitoreslos cuales son:

∗ Tension, rms (terminal-terminal).

∗ Clase de aislamiento terminal – carcasa (o tierra).

∗ Potencia reactiva.

∗ Numero de fases.

∗ Frecuencia.

La segunda parte de la seccion es acerca de la tolerancia de lacapacitancia, basicamente indica que la capacitancia de la unidadno debera variar mas que entre un 0 % a un 10 % del valor nominalbasado en los kVAR nominales, tension y frecuencia, medida a 25C uniforme sobre la carcasa y el interior del capacitor.

La tercera parte de la seccion cinco, da las caracterısticas que debenpresentar los capacitores respecto a la maxima tension continua,maxima corriente y maxima potencia reactiva, ya que los capaci-tores estan destinados a operar en o bajo la tension nominal, peroseran capaces de operar continuamente bajo una contingencia delsistema siempre y cuando ninguna de las siguientes limitaciones seaexcedida:

∗ 100 % de la tension nominal rms.

∗ 120 % de pico nominal de tension.

∗ 135 % de la corriente nominal rms basado en los kVAR nomi-nales y la tension nominal.

∗ 135 % de los kVAR nominales.

Las demas partes de la seccion cinco aportan poca informacionacerca de las caracterısticas de que deben tener los capacitores,por lo que no se entrara en detalle. La seccion seis esta enfocadaen caracterısticas de fabricacion como por ejemplo la seleccion delBIL a partir de la tension nominal, tamano de las terminales (co-nectores) ası como informacion que se debe proveer en la placa decaracterısticas, la cual es:

∗ Nombre del fabricante

∗ Numero de serial unico

∗ Modelo, estilo o numero de catalogo del fabricante

24 2 Antecedentes

∗ Ano de la fabricacion

∗ Potencia reactiva nominal

∗ Tension nominal, rms

∗ Numero de fases

∗ Frecuencia nominal

∗ BIL (si es aplicable)

∗ Clasificacion de flamabilidad y volumen del fluido aislante

∗ Declaracion que el capacitor tiene un dispositivo de descargainterna.

La seccion siete presenta de las pruebas que deben realizar los fa-bricantes sobre los capacitores, se presentan pruebas de producciony pruebas de diseno las cuales consisten en el caso de produccion a:

∗ Prueba de sobretension temporal.

∗ Pruebas de capacitancia.

∗ Prueba de fugas.

∗ Prueba de resistencia de descarga.

∗ Prueba de perdidas electricas.

Y en el caso de las pruebas de diseno:

∗ Prueba de soporte de impulsos.

∗ Pruebas sobre los bushing.

∗ Prueba de estabilidad termica.

∗ Prueba de radio interferencia.

∗ Prueba de descarga de tension.

∗ Prueba de descarga de cortocircuito.

IEEE 1036-1992 Guıa para Aplicacion de CapacitoresShunt de Potencia.

La primera seccion del estandar (IEEE)es sobre referencias a otrosestandares asociados a la aplicacion de IEEE 1036-1992, ası comodefiniciones de terminos que se usan a lo largo del estandar. Lasegunda seccion “proposito de los capacitores shunt”, presenta lasventajas que se generan a la hora de utilizar capacitores tales comoel soporte de potencia reactiva, control de la tension, incrementode la capacidad del sistema, reduccion de perdidas en el sistema depotencia y reduccion de cargos de facturacion. La tercera secciones un resumen de IEEE 18-2002 sobre las caracterizas de operaciony las tolerancias de los capacitores.


La cuarta seccion trata de la aplicacion de los capacitores en laslıneas de distribucion, estos podrıan estar ubicados es estructurasen los postes, tipo pedestal e inclusive sumergibles; en el caso delos tipo subestacion son tratados en la seccion seis. Los bancos decapacitores pueden estar conectados en estrella aterrizada, estrellaflotante o en una configuracion delta, debido a que generalmentelos bancos de capacitores se localizan cerca de la carga, representanuna forma muy efectiva para suplir los requerimientos de potenciareactiva mientras se minimiza las perdidas del sistema. En las lıneasde distribucion se pueden tener dos tipos de bancos de capacitores,conmutables o fijos, la escogencia de cual tipo se debe usar puedeser considerando las siguientes pautas:

∗ Bancos de capacitores fijos son disenados para la condicion demınima carga reactiva.

∗ Bancos de capacitores conmutados son disenados para nivelesde demanda arriba de la condicion de mınima carga hasta elpico de carga.

La seccion 4.1 presenta algunas consideraciones al momento de de-terminar la localizacion del banco de capacitores, los cuales se debe-rıan de colocar donde se produzca la maxima reduccion de perdidas,provean los maximos beneficios en tension y tan cerca de la cargacomo sea posible; cuando las recomendaciones anteriores no seanpracticas, existen muchas “reglas al dedo” que han sido utilizadaspara localizar capacitores, estas incluyen las siguientes:

∗ Para cargas uniformemente distribuidas, el banco de capaci-tores debe estar colocado a dos tercios de distancia desde lasubestacion.

∗ Para cargas distribuidas decrecientemente uniformes, el bancode capacitores debe estar localizado a la mitad de la distanciadesde la subestacion.

∗ Para maxima elevacion de la tension, el banco de capacitoresdeberıa estar localizado cerca del final de lınea.

Mas especıficamente, los bancos de capacitores son requeridos endonde las mediciones de campo indican problemas de baja tensiono de bajo factor de potencia, esta informacion puede ser obtenidade la siguiente manera:

∗ Haciendo mediciones de tension durante las condiciones de ma-xima carga y de carga ligera en varios puntos del alimentador.

26 2 Antecedentes

∗ Realizando mediciones de potencia activa y reactiva en el ali-mentador durante periodos de maxima y mınima demanda dia-ria, y durante un periodo tıpico de 24h.

En 4.2 se analiza la conmutacion de capacitores, esto se realizageneralmente con algun tipo de control automatico, estos controlescensan una condicion particular. Si la condicion esta dentro de uncierto nivel programado, la salida del control iniciara una senal decierre o de apertura al interruptor que conectara o desconectarael banco de capacitores de la lınea de distribucion. Los controlesautomaticos tıpicos incluyen lo siguiente:

∗ Tension: El mejoramiento o el control de tension es la mayorconsideracion.

∗ Corriente: Cuando la magnitud de la corriente esta directamen-te relaciona con la demanda de potencia reactiva.

∗ Control de VAR: cuando la demanda es mayor a un valor con-siderado.

∗ Tiempo: La demanda de potencia reactiva tiene un alto valorde regularidad respecto al tiempo (horas, dıas).

∗ Temperatura: aumento predecibles en la demanda de potenciareactiva con los cambios de la temperatura por ejemplo en elcaso del verano la entrada de aires acondicionados y en el casode invierno el uso de calentadores.

Los bancos de capacitores fijos estan generalmente energizados, pe-ro en algunas areas con cambios significantes de demanda, algunosbancos deben ser manualmente desconectados, tambien se usa laconmutacion remota de los bancos, esto necesita que un capacitoro banco de capacitores especifico tenga conectado un control ca-paz de recibir una senal e inicializar un cierre o una apertura delos interruptores, las formas mas comunes del medio de la senal decontrol son radio modem, PLC, lınea telefonica y fibra optica.

La proteccion de los bancos de capacitores es cubierta en la sec-cion 4.4, debido al tamano relativamente pequeno de los bancosde capacitores usados en las lıneas de distribucion, los metodos deproteccion son generalmente menos complejos que los usados parabancos en subestaciones, la proteccion del capacitor incluye los fusi-bles y los descargados de sobretension. Los bancos de capacitores ensistemas de distribucion deben estar protegidos por algun metodo,ya sea grupos de fusibles, fusibles individuales o una combinacionde lo anterior.


Fusibles sobre unidades individuales generalmente no son usados enpequenos bancos con neutro flotante debido al estres por sobreten-sion en la unidades adyacentes a la unidad aislada por la operaciondel fusible. La funcion del grupo de fusibles es detectar la falla deun capacitor individual y remover el grupo de capacitores completode servicio rapidamente para prevenir rupturas de la carcasa y danoen las otras unidades. Al mismo tiempo, es deseable que los fusiblessoporten las condiciones de operacion normal del banco sin falsasoperaciones de los fusibles. La caıda de un rayo o la conmutacionde capacitores pueden resultar en una sobretension significante, losdescargadores deben ser usados en los bancos de capacitores pa-ra limitar estas sobretensiones transitorias. La reenegizacion de losbancos puede causar los mayores transientes;sobretensiones tran-sitorias significativas pueden tambien ocurrir en los bancos de ca-pacitores debido a la magnificacion de un circuito resonante en elsistema de potencia asociado con la conmutacion de un banco decapacitores remoto, cables o lınea de transmision. Generalmente losdescargadores son instalados en el lado del sistema del fusible delcapacitor, y tan cerca como sea posible del banco de capacitores.Esta conexion sera tan corta como sea posible, en aras que la ten-sion de estres sobre la unidad aislada sea minimizada. Por ultimo,el colocar los descargados en el lado de la fuente de los fusiblesreduce la corriente de falla a traves del fusible. Esto es de sumaimportancia para pequenos bancos de capacitores en media tensiondonde el tamano de los fusibles menores a 15 A es comun.

El tema de las consideraciones respecto a los armonicos es tomadoen la seccion 4.5; problemas armonicos pueden resultar en explosionde fusibles, fallo en capacitores, dano en transformadores de controly malfuncionamiento de los reles. El uso de bancos de capacitorespara mejorar la eficiencia de operacion del sistema de distribuciontambien tiene una influencia significativa en los niveles de armoni-cos. Los capacitores no generar armonicos, pero proveen un caminoa red para un posible condicion de resonancia local o general. Auncuando los capacitores no generan armonicos, ellos pueden influiren la magnitud de las tensiones armonicas y corrientes armonicasque ocurren en el sistema de la empresa ası como en las cargas delcliente. Si el problema de armonicos es descubierto a traves del ana-lisis o de la experiencia, se podrıan aplicar las siguientes posiblessoluciones:

∗ Capacitores estrella con neutro flotante.

∗ Cambiar el tamano del banco de capacitores o la localizacion

28 2 Antecedentes

∗ Adicionar un reactor a un banco de capacitores existente.

∗ Agregar un filtro capacitivo

∗ Controlar el esquema de conmutacion del capacitor para evitarresonancia.

La seccion 5 fue hecha para la aplicacion de bancos de capacitoresen subestaciones, basicamente la organizacion y los temas cubiertosson los mismos que la seccion 4 pero con las consideraciones necesa-rias para la aplicacion en subestacion, esto debido a lo critico que esla subestacion tanto para el sistema de distribucion como para lossistemas de transmision. En el caso de la seccion 7, se tratan apli-caciones especiales de los bancos de capacitores, como son el casode filtros armonicos, motores y proteccion de sobretensiones; estaultima aplicacion es de la menos usadas debido a que se prefiere eluso de descargadores de sobretension ya que son mas baratos quelos capacitores. La seccion 7 explica la inspeccion y mantenimientode capacitores tanto para subestacion y lıneas de distribucion, to-dos los bancos de capacitores deben ser inspeccionados y realizarmediciones de las caracterısticas electricas antes de la instalaciony periodicamente; o como es requerido, a lo largo de la vida deservicio. Los capacitores al ser sistemas cerrados solo la inspeccionvisual no puede determinar la condicion de los capacitores. Las bue-nas practicas normales de seguridad deben ser seguidas durante lainstalacion, inspeccion y mantenimiento de bancos de capacitores;despues de que un banco de capacitores ha sido desenergizado, seespera por al menos 5 minutos antes de aproximarse a el, esto espara permitir suficiente tiempo para que las resistencias internasde descarga en cada unidad de capacitor disipen la energıa almace-nada, estas resistencias son disenadas para reducir la tension en launidad a menos de 50 V dentro de los 5 min, sin embargo siemprese tiene que aplicar conductores de aterrizamiento a todas la fasespara cortocircuitar y aterrizar el banco. Aun despues de que se haaterrizado el banco, es recomendable que cada unidad individualsea cortocircuitada y aterrizada antes que el personal tenga con-tacto con el para asegurar que no queda energıa almacenada. Loscapacitores con un abultamiento excesivo indica una excesiva pre-sion interna causada por sobrecalentamiento y/o creacion de gasesdurante condiciones de un arco interno, estas unidades se tienenque manejar con cuidado. En el caso de las unidades que presentanfuga de lıquido dielectrico, se evita el contacto con la piel y ojos,el manejo del lıquido aislante seguira los metodos requeridos porlas regulaciones gubernamentales. Durante el retorno de un capaci-


tor a servicio, se verifica que todos los conductores de cortocircuitoy aterrizamiento fueron removidos, se debe esperar un mınimo de5 minutos entre desenergizacion de un banco de capacitores y lareenergizacion de la banco esto para permitir suficiente tiempo pa-ra que la energıa almacenada se disipe. Las inspecciones inicialesincluyen:

∗ Verificar la estructura de soporte de los capacitores, la cualdebe tener una adecuada firmeza.

∗ Se puede realizar una medicion de la capacitancia de las unida-des nuevas, para verificar los datos de fabrica y establecer unpunto de referencia para futuras comparaciones.

∗ Limpiar todos los aisladores para prevenir la posibilidad deporcelana sucia que pueda crear un salto a traves de ella.

∗ Inspeccionar los aisladores en busqueda de quebraduras o da-nos.

∗ Inspeccionar los aisladores y la carcasa para determinar cual-quier fuente de fuga.

∗ Probar la operacion del control e interruptores antes de la ener-gizacion del capacitor.

∗ Inmediatamente despues de la energizacion, verificar que el au-mento de la tension obtenido es suficientemente cercano al valoresperado, se debe verificar que la tension, corriente del capa-citor y potencia reactiva este dentro de las caracterısticas delcapacitor.

∗ Entre 8 horas y hasta 24 horas despues de la puesta en serviciodel capacitor, es altamente recomendado revisar el banco enbusca de fusibles explotados o unidades abultadas.

Las inspecciones periodicas son fundamentales durante la vida deservicio, la frecuencia de inspeccion es determinada por las condi-ciones locales y los requerimientos de la empresa. Las inspeccionesvisuales incluyen los siguientes ıtems:

∗ Verificar la operacion de fusibles, fugas de aceite en la carcasa,abultamiento, ruptura y decoloracion de la carcasa.

∗ Inspeccionar el terreno en busca de salpicaduras de aceite die-lectrico

∗ Revisar la suciedad de los aisladores ası como buscar dano enlos mismos.

∗ Busqueda de signos de sobrecalentamiento en juntas electricas

∗ Revisar si existen signos de vandalismo y dano debido a dispa-ros.

30 2 Antecedentes

En el caso de la inspeccion fısica y mediciones se tienen las siguien-tes consideraciones:

∗ Revisar conexiones flojas, cables desgastados.

∗ Verificar los parametros y la operacion del control e interrup-tores, ası como cuchillas cortacircuitos.

∗ El equipo expuesto al desgaste sera repintado, si es necesario,para prevenir corrosion.

∗ La capacitancia de las unidades individuales sera medida ycomparada con las mediciones previas realizadas.

Los bancos de capacitores con excesivas fallas o con salidas de fusi-bles seran inspeccionados con mas frecuencia, las mediciones tam-bien incluiran mediciones de transiente, tensiones armonicas y co-rrientes armonicas en el banco para asegurarse que los capacitoresestan dentro de los lımites de sus caracterısticas de operacion.

3 Determinacion de laubicacion del banco decapacitores

3.1 Equipos usados para medicionespreliminares.

Las mediciones preliminares para determinar el comportamientodel ramal trifasico fueron realizadas con el equipo Varcorder de laempresa Sensorlink, estos equipos son capaces de grabar cada ciertoperiodo (determinador por el usuario) el valor de la corriente en lalınea de distribucion, ası como el factor de potencia, en el caso deeste ultimo valor es determinado mediante la medicion del desfasedel angulo del campo electrico y el campo magnetico, el campoelectrico no muestra el valor de la tension propiamente ya que paratener este dato se necesitarıa poder realizar un medida en entre elconductor y la referencia; junto con el conjunto de Varcorder seincluye el programa llamado Softlink el cual puede muestrear elvalor de los kVAR despues de que el usuario elige la tension, estoes una desventaja ya que se supone una tension nominal para todaslas mediciones; lo cual puede afectar los resultados; estos equiposson sumamente practicos para mediciones locales de carga, ya quese instalan sobre la misma lınea. La descarga de los datos se realizade manera infrarroja y mediante el programa se puede visualizar losdatos en forma grafica. Estos datos obtenidos tambien se puedenser exportados a Excel para su posterior procesamiento.

Cada kit de Varcorder consiste en 3 equipos Varcorder, un adapta-dor de puerto USB a infrarrojo, disco con el programa, y la terminalpara la pertiga; el otro equipo con el que cuenta Coopelesca R.L.es el troubleman‘s kit de Sensorlink, este equipo consiste en unmedidor de tension y un medidor de corriente ambos para mediatension, los datos son desplegados en una pantalla que tiene cone-xion inalambrica con el equipo que esta realizando la medicion. Lounico que se necesita es la pertiga para poder desplazar los equiposhasta los puntos de medicion en la lınea, los equipos para medicionde la companıa Sensorlink estan hechos para poder ser usados de

31

32 3 Determinacion de la ubicacion del banco de capacitores

Figura 3.1: Kit de equipos Varcorder de Sensorlink.(Sensorlink,2012)

Figura 3.2: Troubleman’s kit de Sensorlink.(Sensorlink,2012)

manera muy sencilla y practica.

3.2. Generalidades sobre el ramal trifasico La Palma. 33

3.2 Generalidades sobre el ramal trifasicoLa Palma.

El ramal trifasico la palma es una seccion radial del circuito de For-tuna de la red de distribucion de Coopelesca R.L., en este ramal seencuentran gran cantidad de hoteles y centro turısticos con aguastermales; este tipo de industria ha prosperado debido a la bellezaescenica que cuenta la zona, ya que aquı es donde se tiene una delas mejores vistas del volcan Arenal, tambien hay que considerar lacercanıa de otros lugares turısticos como los son Monteverde y ellago de Arenal, por lo anterior este ramal tiene un alta cantidad demedidores del tipo comercial. El circuito Fortuna esta alimentadodesde la subestacion Penas Blancas, dicha subestacion esta ubicadaen el distrito de Penas Blancas de San Ramon, desde esta subes-tacion se alimenta otro circuito de distribucion, el circuito de SanIsidro. Con el fin de tener una forma facil de ubicar averıas, asignarequipos y localizar un punto especıfico en la red Coopelesca cuentacon el sistema de identificaron de postes, este sistema consiste en lainstalacion de dos numeros en cada poste, el primer numero corres-ponde al plano al que pertenece dicho poste y el segundo numero esel numero de poste de ese ramal, de esta manera es facil ubicar unramal o un poste en especıfico ya que cuando se consulta el ramalen el libro de planos-poste dentro de la informacion que se cuentaes de que plano y poste nace y la cantidad de postes que contieneel plano en cuestion.

En la figura 3.3 se aprecia la distribucion del ramal trifasico LaPalma, este comprende todos los ramales trifasicos y monofasicosaguas abajo del recloser ubicado en el plano-poste 778-09, fısica-mente este ramal va junto a la carretera que une Tilaran con elpueblo La Fortuna, ademas de una seccion que fue recientementeanadido, esta seccion corresponde al plano 1216 desde los postes 72y 83. El calibre de los conductores es 4/0 para las fases y 1/0 parael conductor del neutro.

El circuito Fortuna tiene la capacidad de poder enlazarse en caso deser necesario al circuito San Isidro y al circuito Monterrey, este ul-timo circuito es alimentado desde la subestacion Muelle, los enlacesse pueden realizar de manera automatica mediante reconectadoresque estan comunicados con el SCADA de la cooperativa. El enlacecon el circuito San Isidro tiene la condicion normalmente cerrado,la determinacion de que sea ası es por un tema de costos del pagode peaje al ICE.


Figura 3.3: Unifilar del ramal trifasico La Palma.(Coopelesca,2014)

Figura 3.4: Unifilar del circuito Fortuna. (Coopelesca,2014)

3.3. Curva de demanda del ramal monofasico La Palma. 35

Figura 3.5: Valores de corriente obtenidas en el plano 778-09

3.3 Curva de demanda del ramalmonofasico La Palma.

La Unidad de Calidad de Energıa de Coopelesca R.L. cuenta contres kit de equipos Varcorder, esto permite realizar levantamientosde carga simultaneos en un ramal o un circuito, preliminarmentese realizaron dos mediciones con estos equipos sobre dos puntos delramal trifasico, la primera medicion se realizo en plano-poste 778-09 y la segunda en el plano-poste 778-65, el tiempo de muestreo delas variables almacenadas fue de 5 minutos esto con el fin de tenerla mayor cantidad de datos posible, las mediciones arrojadas soninstantaneas, ası el valor obtenido en cualquiera de las variables (menos las potencias que es calculado respecto a la tension nominal)es el valor que existio al momento de tomar el dato. Un ejemplo delos datos obtenidos por los equipos en el plano 778-09 se presentaen la figura 3.5, los equipos se instaron el dıa 1 de marzo del 2014y se retiraron el dıa 15 de marzo del 2014.

Como se puede apreciar en la figura 3.5, existe un desbalance decorriente bastante marcado entre las tres fases. La unica maneraen que esto se puede solucionar es realizando un movimiento dela alimentacion de los transformadores y ramales para balancear lacarga, al igual que las curvas de demanda, el balance de la corrientedepende de cada momento ya que la carga varia continuamente. El


Cuadro 3.1: Resumen medicion en el plano 778-09 del 1 de marzo al 15 demarzo del 2014.

Fase Corriente Potencia Potencia Potencia Factor de Desbalance

reactiva real aparente potencia

(A) calculada calculada calculada

(MVAr) (MW) (MVA)

A 94,59 0,601 1,252 1,362 0,934

Maximo B 62,57 0,365 0,86 0,901 0,961

C 37,88 0,239 0,523 0,545 0,985

A 60,36 0,398 0,772 0,869 0,886 43,85 %

Promedio B 40,41 0,215 0,54 0,582 0,925 -4,23 %

C 25,42 0,105 0,35 0,366 0,956 -39,62 %

A 37,76 0,251 0,48 0,544 0,775

Mınimo B 24,53 0,135 0,323 0,353 0,831

C 14,1 0,044 0,196 0,203 0,85

resumen de los resultados de las mediciones en el plano 778-09 seresumen en la tabla 3.1 y del plano 778-65 en la tabla 3.2

Balance del ramal trifasico La Palma.

Las variaciones diarias que presenta la demanda de la carga y lamisma variacion local imposibilitan realizar un balance perfecto,ya que se tendrıa que tener un alto conocimiento de los comporta-mientos de cada seccion de un circuito. Las perdidas en un circuitodesbalanceado es mucho mayor que uno balanceado, de esta manera


Cuadro 3.2: Resumen medicion en el plano 778-65 del 1 de marzo al 15 demarzo del 2014.




(MVAr) (MW) (MVA)

A 71,25 0,440 0,979 1,026 0,960

Maximo B 23,36 0,136 0,328 0,336 0,984

C 18,06 0,084 0,253 0,260 0,996

A 44,89 0,249 0,595 0,646 0,918 93,70 %

Promedio B 14,48 0,065 0,198 0,209 0,946 -37,55 %

C 10,20 0,037 0,142 0,147 0,965 -56.15 %

A 25,23 0,00 0,231 0,363 0,584

Mınimo B 8,07 0,038 0,107 0,116 0,807

C 5,06 0,014 0,070 0,073 0,825


cualquier accion llevada a cabo por mejorar el balance contribuye ala disminucion de perdidas en la red electrica. La implementacionde capacitores individuales conmutables distribuidos en la lınea pa-ra mejora del factor de potencia es la mejor opcion en el caso de unsistema desbalanceado pero es muy onerosa, siendo mas practicala ubicacion de un banco trifasico ası como mas economica; comose aprecia en la figura 3.5 se puede trasladar carga de la fase A ala fase C y con esto se aumentarıa la demanda de la fase C y sedisminuye la de la fase A.

El problema de balancear cargas es decidir que ramal o cargas tras-ladar de una fase a otra, ademas de como saber que fase tiene undeterminado conductor en un cierto tramo del circuito, esto se pue-de resolver de varias maneras, una es siguiendo en todos los mon-tajes “la regla al dedo” de norte por este, esta regla lo que quieredecir es que es un tramo norte-sur la fase R esta ubicada al este,mientras que en un sector este-oeste, la fase R es la ubicada al nor-te, pero cuando las normas de montajes no se cumplen, se puedegenerar confusiones en la fase madre de un ramal o de un trans-formador. Una manera mas simple de identificar las fases de losconductores es ubicando etiquetas en los postes con la asignacionde las fases en cierto tramo del sistema de distribucion, ademas desimple es una opcion muy economica ya que cambiar de ubicacionlos conductores para que se ajusten correctamente a las normas deinstalacion requerirıa equipos, personal y tener que suspender elservicio electricos mientras se realizan estos trabajos y dependien-do de la zona donde este trabajo se realice el costo economico deenergıa no servida podrıa ser elevado. En el caso de utilizar eti-quetas simplemente se necesita personal que adhiera las etiquetasa los postes. El fundamento de realizar la identificacion de las faseses realizar un levantamiento de todos los ramales monofasicos quenacen de los planos 778 y 790, con este levantamiento se decide queramal mover a que fase para mejorar el balance de la carga de lalınea, esta identificacion de fases tambien ayuda en el momento derealizar mediciones ya que se tiene certeza de que fase es en la quese va a realizar una medicion y a fututo sirve para la asignacion dela fase para ramales nuevos y transformadores monofasicos que sevallan a instalar en el ramal trifasico La Palma.

La ubicacion de las etiquetas se estima cada diez postes, esto con elfin de que la cuadrilla ante una duda de la asignacion de fases no setenga que trasladar una gran distancia hasta algun punto conocido,pero los postes elegidos algunas veces no cumplen con esta premi-


sa, debido a la configuracion del montaje por lo que finalmente laeleccion de los postes debe ser elegida en campo por la persona queetiqueta tratando de seguir en la medida de los posible la diferenciade diez postes, otro de los criterios es que cualquier ramal trifasicoque nazca desde los planos 778 y 790 debe estar etiquetado. Exis-te la cuestion de que referencia tomar para la asignacion de fases,pero esto se logro resolver tomando como referencia alguna seccionde la lınea cuya asignacion de fases fuera conocida, en el caso delramal La Palma se uso la referencia de la salida de subestacion delcircuito Fortuna y para identificar el ramal simplemente se siguioel conductor identificado como fase R. El sistema de identificacionde la fase de los conductores tambien se esta implementando enotros circuitos de la red de distribucion de Coopelesca, el objetivoes llegar a abarcar todos los circuitos con la identificacion de fases.

Las etiquetas usadas para la identificacion de las fases del circuitoson producidas por la companıa 3M y tienen un largo de 1 pieaproximadamente poco mas de 30 cm, son reflectivas para rapidaidentificacion en horas de la noche, vienen en rollos de 30 pies y sedebio adquirir la tinta para imprimir las letras sobre las etiquetas,la tinta tambien viene en rollos y cada rollo tiene una longitud de150 pies, por lo que por cada 5 rollos de etiquetas se debe adquirirun rollo de tinta. Las etiquetas fueron ubicadas a la altura de losnumeros que identifican el poste y son colocadas a favor de la lıneacon lo que no exista posibilidad de equivocarse en el momento deleer la asignacion de fases.La tabla 2.3 presenta la lista de planospostes sobre los que se instalaron etiquetas.

Despues de que se realizo la identificacion de fase de los conductoresse procedio a realizar un levantamiento de los ramales monofasicos,con lo que se comparo la asignacion del libro de planos poste conla asignacion real, dicha informacion se le envio al Departamentode Activos de la red para realizar las correcciones de la fase dondenacen los monofasicos, el levantamiento de los ramales se presentaa continuacion en la tabla 3.4

Para balancear el circuito se trasladaron los ramal 2702 de la faseR a fase T y el ramal 2709 de la fase R a la fase S.

Efectos del balance de carga en el ramal La Palma.

Habiendo realizado los cambios propuestos es la seccion anterior,se realizaron nuevas mediciones sobre el ramal trifasico La Palma,estas mediciones fueron realizadas entre los dıas 1 de abril y el 8


Cuadro 3.3: Ubicacion de las etiquetas en el ramal trifasico La Palma.

Plano poste

778-09778-18778-35778-51778-61790-05790-10790-24790-32790-41790-492295-052729-011216-832717-01

de abril del 2014, el resumen de los resultados obtenidos de estasmediciones se presenta en las tablas 3.6 y 3.7.

Al comparar los valores del desbalance promedio de las tablas 3.1 y3.3, se tiene una disminucion en el desbalance, especıficamente enel caso de la fase A se pasa de un 43 % a un -12 %, en la fase B deun -4 % a un -11 % y en la fase C de un -39 % a un 24 %.

Si se calcula el promedio de los valores absolutos de los desvalancesse pasa de una 28.66 % a un 15.55 % con lo que se mejora en un13 %.

3.4 Seleccion de la ubicacion del banco decapacitores.

La ubicacion del banco de capacitores fue realizada tomando encuenta el posible aporte de potencia reactiva en los dos puntos demedicion realizados. En la tablas 3.8 y 3.9 se muestra la variaciondel factor de potencia en dos lugares del ramal respecto a la entradade un banco de capacitores conmutado en tres horarios diferentes.

El factor de potencia es mejorado en los dos puntos de medicioncon cualquiera de los tres horarios propuestos, en los dos casosel mayor aumento del factor de potencia se da cuando el banco

3.4. Seleccion de la ubicacion del banco de capacitores. 41

Figura 3.6: Poste 778-09 con etiquetas colocadas.

Figura 3.7: Demanda de potencia reactiva en el plano 778-09.


Cuadro 3.4: Levantamiento de ramales monofasicos.

Nombre plano poste original real

PLANO # 2735 - LA FORTUNA, INVERSIONES 778 2 T S

GAYRU DEL NORTE S.A. - EST. #900

PLANO # 2740 - LA PALMA-FORTUNA, PROY. 778 4 R T

NORMAN SALAS RODRIGUEZ - EST.#1108

PLANO # 2764 - ZETA 13 - FORTUNA PROY. 778 16 R T

# 3456 - Los Nacientes El Burio

PLANO # 774 - Z-13 DE LA FORTUNA 778 17 R T

EDGARDO ROJAS Q. EST.#582

PLANO # 779 - R.COST.SE. 778 19 S S

CEMENTERIOLA FORTUNA

PLANO # 781 - R.COST.S.CEMENTERIO 778 20 R S

LA FORTUNA, Z-13 ABAJO

PLANO # 782 - R. Z13 LA PALMA100 778 23 R S

NO.ESCUALE Z13, LA FORTUNA

PLANO # 784 - R.300 NO.ESCUELA Z13 778 24 R T

LA FORTUNA, RAMAL LA GUARIA nace del 2752

PLANO # 2752 - Z13 LA GUARIA DE LA 778 24 R T

FORTUNA - COOPELESCA - MEJORA

PLANO # 787 - R. TAJO MANOLO 778 31 T R

400 NO.PLAZA.Z13.,FORTUNA

PLANO # 791 - R.100 E. 778 51 S S

VOLCAN LOOKLA FORTUNA


Cuadro 3.5: Levantamiento de ramales monofasicos (continuacion).

Nombre plano poste original real

PLANO # 2702 - R.HNOS.RODRIGUEZ S 778 58 R R

ROJLA PALMA, ANTES DE LAGUITO

PLANO # 792 - R. LOS LAGUITOSA 778 61 T T

LA PALMA-LA FORTUN

PLANO # 2722 - INV. TURISTICAS LA FLA 790 8 R no se encontro

PALMA FORTUNA VOLCANO LODGE

PLANO # 795 - R.200 NO. 790 9 S S

PUENTE RIOLA PALMA, LA FORTUNA

PLANO # 2709 - R. MARTA KHAN, 790 10 R R

300M.O. PUENTE RIO LA PALMA,FORTUNA

PLANO # 2723 - AL LADO ARRIBA 790 12 S S

DEL RIO LA PALMA DE LA FORTUNA NOE

PLANO # 2729 - LA PALMA - FORTUNA 790 12 R Trifasico

DAVID LILE, EST.#554

PLANO # 2727 - TABACON -FORTUNA 790 44 T R

CARMEN SOLANO DELGADO,EST.#534


Cuadro 3.6: Resumen medicion en el plano 778-09 del 1 de abril al 8 de abrildel 2014.




(MVAr) (MW) (MVA)

A 65,53 0,425 0,915 0,994 0,974

Maximo B 71,13 0,361 0,982 1,024 0,961

C 93,32 0,450 1,323 1,344 0,989

A 41,25 0,204 0,556 0,594 0,935 -12,74 %

Promedio B 42,07 0,221 0,564 0,606 0,928 -11,79 %

C 59,02 0,217 0,821 0,850 0,965 24,54 %

A 24,79 0,123 0,325 0,357 0,751

Mınimo B 25,36 0,122 0,329 0,365 0,838

C 34,01 0,118 0,464 0,490 0,886


Cuadro 3.7: Resumen medicion en el plano 778-51 del 1 de abril al 8 de abrildel 2014.




(MVAr) (MW) (MVA)

A 58,01 0,330 0,798 0,835 0,964

Maximo B 45,86 0,243 0,630 0,660 0,955

C 82,05 0,393 1,164 1,182 0,989

A 35,30 0,193 0,469 0,508 0,922 -5,36 %

Promedio B 25,82 0,145 0,342 0,372 0,916 -31,39 %

C 51,21 0,184 0,713 0,737 0,966 36,75 %

A 20,79 0,121 0,271 0,299 0,801

Mınimo B 15,51 0,085 0,196 0,223 0,814

C 27,99 0,104 0,387 0,403 0,885


Figura 3.8: Demanda de potencia reactiva en el plano 778-51.

Cuadro 3.8: Factor de potencia calculado en el plano 778-51

Fase A Fase B Fase C

Original 0,922 0,916 0,966

8am a 4pm 0,945 0,942 0,978

8am a 6pm 0,945 0,948 0,981

8am a 8pm 0,955 0,954 0,983

3.5. Partes del banco de capacitores. 47

Cuadro 3.9: Factor de potencia calculado en el plano 778-09

Fase A Fase B Fase C

Original 0,935 0,928 0,965

8am a 4pm 0,953 0,947 0,976

8am a 6pm 0,958 0,951 0,978

8am a 8pm 0,961 0,955 0,980

de capacitores esta conectado a la lınea de distribucion la mayorcantidad del tiempo posible, en este caso 12 horas. Tambien seutilizo el criterio basado en el conocimiento de futuras empresasque se instalarıan en la zona, una de estas empresas en un parquetematico acuatico con una demanda de potencia de 1.5 MW, poreste motivo se eligio el plano 778-51 para la instalacion del bancode capacitores, por la ubicacion actual de comercio y por la futurainstalacion de mas locales comerciales.

3.5 Partes del banco de capacitores.

Los bancos de capacitores con lo que cuentan Coopelesca estanconformados por 3 capacitores, 3 interruptores de 200 A, una es-tructura de soporte y un control de marca ECAP. El control poseela capacidad de tomar decisiones sobre la operacion de los inte-rruptores. Al consultar a personal relacionado con mantenimientoe inclusive los tecnicos del area de ingenierıa se verifico que estoscontroles nunca fueron operados y al parecer ni siquiera se realiza-ron pruebas sobre el funcionamiento de los mismos. Por tal razonse tuvo que buscar el manual del control para comprender la opera-cion y la programacion de dicho control. La operacion del control essencilla, cuando decide que se deben cerrar los interruptores man-da a cerrar un contacto por un 10 s que permite que una senal de120 V alimente el motor del interruptor y este opera cerrando elinterruptor; cuando se tiene que dar una apertura del interruptor,se cierra otro contacto por 10 s pero que esta vez el motor opera demanera inversa con lo que el interruptor se abre. El miedo principal


Figura 3.9: Control de banco de capacitores.(Cooper Industries,2012)

de los equipos de trabajo al operar los bancos de capacitores es elarco que se forma al abrir las cuchillas portafusibles, inclusive setiene reportes de operacion de interruptores de subestacion cuandose daba un caso de esos, nadie nunca le informo que podıan abrir elinterruptor con la pertiga y evitar el arco, se tiene la idea erroneaque las cuchillas portafusibles son las que permiten la entrada y lasalida de los capacitores. El control tiene la posibilidad de ser pro-gramado desde el panel, solo presenta 2 lıneas de informacion en lapantalla, una de las principales caracterısticas es la opcion que sellama tension adaptiva, este es un valor que se puede programar oque puede ser obtenido desde las mediciones realizadas por el equi-po, si se usa la opcion de automatico el control censa la variacionde la tension secundaria cuando el banco de capacitores esta conec-tado o desconectado a la lınea de distribucion.El control se puedever en la figura 3.9,se aprecian las perillas para navegacion,la pan-talla LCD y las perillas de operacion;la figura 3.10 corresponde alinterruptor KYLE VCS-1M, en donde destaca la terminal para usodesde pertiga.

3.6 Pruebas a bancos de capacitores.

Los bancos de capacitores con lo que cuenta la Cooperativa fueronadquiridos con anterioridad, despues de que entraron en servicionunca se les realizo algun tipo de mantenimiento preventivo, solotermografıa. Ademas, los bancos de capacitores que tenıan controle interruptores para poder ser operadores de manera automatica nose les llego a utilizar estas capacidades, y por ultimo es importan-te mencionar que la ubicacion de bancos de capacitores se realizocon el fin de aumentar la tension de la lınea sin ningun estudio de

3.6. Pruebas a bancos de capacitores. 49

Figura 3.10: Interruptor para banco de capacitores.(Cooper Industries,2012)

potencia reactiva previo, por lo que fueron colocados basicamentebajo un criterio de experiencia. El estado actual de muchos de losbancos de capacitores es desconocido y es aplicable al banco que seva a instalar en el ramal trifasico, por lo que basandose en las reco-mendaciones del estandar IEEE 1036-1992 y tomando en cuenta losequipos con los que cuenta Coopelesca para realizar pruebas elec-tricas, se plantea una guıa para pruebas de bancos de capacitores,la cual es integral y toma en cuenta todos los elementos que com-ponen el banco de capacitores, ademas se consultaron los manualesdel fabricante, los cuales estan basados en los estandares estudiadospor lo aportan poca o nula informacion acerca de las pruebas. Laspruebas que fueron planteadas son las siguientes:

∗ Medicion de la capacitancia, en el caso de que el valor de lacapacitancia este por encima de un 5 % del valor nominal elcapacitor se considera como danado y debe ser sustituida launidad por otra.

∗ Para capacitores con dos bushing una prueba de aislamiento


entre la carcasa y las terminales se puede realizar debido a quela terminal del neutro del capacitor esta aislada de la carcasa,pero cuando es solo de un bushing esta prueba no es posibleque se realice porque la terminal del neutro del capacitor estaconectada a la carcasa.

∗ Revision de fugas de aceite dielectrico antes del lavado de las di-ferentes partes del banco elementos que contengan aceite comoaislante debido a que los interruptores podrıan contener aceite,cualquier mancha de aceite o posible fuga debera ser analizacon cuidado, y si efectivamente corresponde a un elemento debanco de capacitores debera ser sellada y en caso de que no sepueda realizar el sellado la unidad con dano sera removida.

La integridad de la estructura de soporte debe ser verificada con elfin de que soporte el peso de todos los equipos instalados en ella.Otra de las pruebas electricas que se realizan sobre los capacitoreses la de entrega de potencia reactiva, esta se realiza alimentandolas terminales del capacitor con 120 V y realizando una medicionde la corriente electrica, tension de entrada y potencia reactiva, lapotencia reactiva de un capacitor esta dada por la siguiente formu-la(3.1):

Q = 2V 2inπfC, (3.1)

Como se puede apreciar la potencia entregada depende del nivel detension, de la capacitancia y de la frecuencia de la red, en el casode la corriente reactiva se puede obtener mediante (3.2):

i = 2VinπfC, (3.2)

Con las ecuaciones anteriores se puede comparar la potencia reacti-va y la corriente obtenida mediante la medicion y los resultados quese esperaban, si existe una gran diferencia entre el valor esperado yel obtenido se puede considerar que la unidad se encuentra danada.Un elemento crıtico que se debe verificar es la resistencia interna dedescarga del capacitor, esta resistencia debe ser medida durante laejecucion de las pruebas el valor nominal de la resistencia de des-carga es de 20 kΩ. Las pruebas de los interruptores estan enfocadasen el funcionamiento o sea apertura y cierre, pero tambien se debeconsiderar el aislamiento entre las diferentes partes, para esto sehace uso del equipo de medicion de aislamiento, las mediciones serealizan con el interruptor abierto midiendo el aislamiento entre los

3.7. Resultados de pruebas del banco de capacitores. 51

dos terminales del interruptor, y entre cada terminal y tierra, algu-nos de estos interruptores al estar tanto tiempo sin operar algunaspiezas moviles pueden presentar inmovilidad, esto se debe reparar,ya que el interruptor debe estar en un excelente estado para poderser usado en un banco de capacitores. El elemento que hace falta deestablecer las pruebas es el control, este debe poder abrir y cerrarlos tres interruptores, cuando se realiza una apertura o un cierrelos tres interruptores deben hacerlo al mismo tiempo, finalmenteel cableado desde el control a cada interruptor se debe revisar conel fin de encontrar danos en el cable que en un futuro puedan sercausa de fallas de apertura o cierre de los interruptores. Los cablesaunque son un elemento sencillo son transcendentales en la correc-ta operacion del banco de capacitores ya que son los elementos quetransmiten las senales electricas de control y alimentacion. Todoslos datos pertinentes de cada equipo probado deben ser anotadosası como los datos de los instrumentos utilizados, esto con el fin depoder tener trazabilidad. En los anexos se encuentra la plantilla demantenimiento y pruebas de bancos de capacitores.

3.7 Resultados de pruebas del banco decapacitores.

Utilizando como referencia los estandares de las IEEE se creo undocumento base para el mantenimiento de los bancos de capacito-res, este documento sirve tanto para revisiones en campo como enel taller electrico. Esta documentacion nunca habıa sido realizadapara los bancos de capacitores, por lo que con esta guıa se tienela posibilidad de poder registrar y consultar los parametros de lasdiferentes partes que constituyen el banco de capacitores. Las prue-bas fueron realizadas en el taller electrico de Coopelesca R.L. y seadecuaron a los instrumentos con los que se cuenta, algunos de estosinstrumentos son un Fluke 43B con el cual se pueden realizar lasmediciones de capacitancia, resistencia de descarga,potencia reac-tiva,tension de entrada, corriente de entrada y el Fluke 1550B conel que se realizan pruebas de aislamiento en los interruptores. Losresultados de las pruebas se adjuntan en la figura 3.11, se puede des-tacar que ninguno de los capacitores presento fugas, abultamientoso aislamiento danado, pasando ası las pruebas visuales, en las prue-bas de capacitancia todos los equipos estuvieron dentro del rangopermitido de valores que es una variacion no mayor al 5 % del valorde la capacitancia nominal.


Desde el punto de vista de rescate del equipo, todos los elementosque componen el banco de capacitores estaban en perfectas condi-ciones, esto se comprobo mediante las pruebas realizadas, el unicoproblema que tenıan eran que el aislamiento estaba contaminadode lana, esto debido al alto ındice de humedad que se presenta enla zona.

3.7. Resultados de pruebas del banco de capacitores. 53

Figura 3.11: Resultados pruebas sobre banco de capacitor


Figura 3.12: Banco de capacitores despues de mantenimiento

4 Instalacion del banco decapacitores.

Requerimientos para la instalacion del banco decapacitores.

Antes de realizar la instalacion del banco de capacitores se debiocoordinar una suspension programada de corriente con los dife-rentes equipos de trabajo que estan involucrados en trabajos deinstalacion de equipos en la red de distribucion y el SCADA de lacooperativa, hay que tener en consideracion que el lugar donde seinstalo el banco de capacitores al ser una zona turıstica ocasionaque las suspensiones programadas de corriente deban ser cortas,conel fin de que la afectacion a los usuarios sea el menor tiempo posible.Es importante mencionar que para la realizacion de una suspensionde corriente se debe cumplir los lineamientos que indica ARESEPrespecto al tiempo con el que se avisa la suspension de corrien-te, este tiempo depende de la duracion de la suspension, es decir,cuando la suspension es mayor a las tres horas se debe avisar contres habiles de anticipacion a la fecha de la suspension y cuandola suspension sea menor a las tres horas se debe avisar con tresdıas naturales de anticipacion. Una vez programada la suspensionde corriente se realizo una visita al lugar de la instalacion para de-terminar los materiales a utilizar, la ubicacion del equipo especial yla revision de las cuchillas y reconetadores que iban a ser operadosdurante las maniobras de la suspension. Finalmente, se procedioa realizar un diseno del montaje del banco de capacitores ya quedentro de los disenos para los diferentes montajes que utiliza lacooperativa no se contaba con el diseno del montaje de un bancode capacitores, por lo que se diseno el montaje con ayuda de devisitas a campo, fotografıas de bancos instalados y disenos de losinstructivos de montaje obteniendo el siguiente diseno:

55

56 4 Instalacion del banco de capacitores.

Figura 4.1: Diseno montaje banco de capacitores.(Coopelesca,2014)

4.1. Materiales utilizados en la instalacion del banco de capacitores. 57

4.1 Materiales utilizados en la instalaciondel banco de capacitores.

Antes de la instalacion del banco de capacitores se realizo una listacon materiales a utilizar en la instalacion, el principal problema dela instalacion es que no se podıa instalar el banco de capacitores enun poste existe debido a la existencia de muchos cables de teleco-municaciones a la altura del conductor neutro, por lo delicados ycrıticos que son estos cables se decidio no usar postes existentes quetuvieran este tipo de cableado, para subsanar este hecho se decidiorealizar la instalacion del banco de capacitores en un poste nuevo,una de las ventajas de la ubicacion seleccionada fue la existencia deun transformador de distribucion cercano al punto de instalacioncon esto se ahorro el uso de un transformador exclusivo para laalimentacion del control del banco de capacitores.

Uno de los principales componentes a que se debe de disenar esel tamano del fusible que protege cada capacitor, al utilizar unaconexion estrella aterrizada del banco, no se tiene problemas conposibles sobretensiones debido a una fase fallada y se evita unasobreelevacion de tension posiblemente danina. Los capacitores de150 kV entregan una corriente de 10,41 A, pero al considerar unaposible operacion al 135 % de la potencia nominal entonces puedenentregar 14 A, entonces se puede utilizar un fusibles tipo K de 10A, el cual protege el capacitor la curva de despeje queda por debajode la curva de dano del capacitor.

4.2 Instalacion y resultados del banco decapacitores.

La instalacion del banco de capacitores fue desarrollada por dosequipos de trabajo con exito como se aprecia en la figura 4.2 ycomprendio enterrar el poste, instalar todos los accesorios necesa-rios del poste, del banco de capacitores y la puesta a tierra.

Despues de la instalacion se procedio a programar en el controllas condiciones de apertura y cierre; ademas de la instalacion deequipos de medicion con el fin de verificar el funcionamiento delcontrol y el mejoramiento del factor de potencia, en la tabla 4.1 setiene la comparacion del factor de potencia promedio antes de lainstalacion del banco con el factor de potencia promedio despues dela instalacion del banco de capacitores y en la figura 4.3 se presentala curva de demanda de potencia reactiva con el banco instalado,

58 4 Instalacion del banco de capacitores.

Figura 4.2: Banco de capacitores instalado

esta curva de demanda no es continua como las otras presentadasanteriormente, esto debido a la inyeccion de corriente reactiva por elbanco de capacitores, cuando se produce esto 150 kVAR son dejadosde suministrar desde la subestacion Penas Blancas, por lo que sepresenta un cambio abrupto en la demanda de potencia reactiva.

Despues del realizar el instalacion del banco, se realizo una lecturadel cambio de tension obtenido por la entrada de los capacitores,esta lectura arrojo un valor de 1 V.

4.2. Instalacion y resultados del banco de capacitores. 59

Figura 4.3: Curva de demanda de potencia reactiva plano 778-08

Cuadro 4.1: Comparacion del factor de potencia promedio plano 778-09

Fase Antes del banco Despues del Banco

A 0,935 0,935

B 0,928 0,962

C 0,965 0,987

5 Conclusiones yrecomendaciones

Conclusiones

Con la realizacion del proyecto se destacan las siguientes conclusio-nes.

∗ Despues de realizar el traslado de ramales monofasicos en elramal trifasico La Palma el promedio del balance del ramaltrifasico de La Palma paso de un 28.66 % a un 15.66 %, conlo que se mejoro en un 13 % el nivel de desbalance del ramaltrifasico.

∗ Se mejoro el factor de potencia promedio del ramal trifasico conla instalacion del banco de capacitores, pasando de un promediotrifasico de 0,943 a 0,962 con lo que se obtuvo una mejoradel 2.02 % en el factor de potencia y basandose en la ecuacion(2.17) se disminuyeron las perdidas electricas en la linea dedistribucion en un 3.9 %.

∗ La entrada en operacion del banco de capacitores genero unaumento de tension a nivel secundario de 1V, que traducido anivel primario fue un aumento de 120 V, esto es una confirma-cion de la disminucion de perdidas en la linea de distribucion.

∗ Se creo un documento guıa con las pruebas necesarias sobrebancos de capacitores y determinar las condiciones operacio-nales de los diferentes elementos, dicho documento se adopto alos instrumentos existentes en el taller electrico.

Recomendaciones

∗ Se recomienda la implementacion de controles para bancos decapacitores que tengan la capacidad de poder medir las poten-cias en cada fase, esto con el fin de que se pueda implementarun algoritmo basado unicamente en la demanda de la potenciareactiva para la entrada o salida del banco, en caso de imple-mentar un control de este tipo se podria comunicar al SCADAde Coopelesca R.L. con el fin de tener un monitoreo en tiemporeal de las demandas de potencia del ramal trifasico con lo cual

61

62 5 Conclusiones y recomendaciones

se tendria la capacidad de generar las tendencias temporales encaso de que existieran marcadas diferencias.

∗ Se debe de monitorear cada 4 meses como maximo el compor-tamiento de las potencias en el ramal trifasico con el fin dehacer las adaptaciones necesarias en el algoritmo de control,debido a las variaciones estacionales que se pueden presentaren la demanda de potencia de los clientes y la instalacion denuevos clientes.

∗ Existen programas especializados para la determinacion de laubicacion de bancos de capacitores en sistemas de distribuciony de transmision, por lo que se podrıa analizar la opcion deadquirir un programa de este tipo.

∗ Se deben realizar capacitaciones de refrescamiento a los equiposde trabajo sobre el uso y manipulacion del banco de capacito-res.

∗ Coopelesca R.L. deberıa de realizar una compra o adquisicionde normativas actualizadas ya que muchas de las que posee sonrelativamente viejas, esto con el fin de actualizar continuamentelas especificaciones de los materiales y de los equipos.

Bibliografıa

[IEEE] IEEE. Ieee 1036-1992 guıa para aplicacion de capaci-tores shunt de potencia.

63

A Datos

A.1 Curvas obtenidas entre el 1/3/14 yel 15/3/14

Plano 778-09

Plano 778-09

A.2 Curvas obtenidas entre el 1/4/14 yel 15/4/14

Plano 778-08

Plano 778-51

A.3 Plantilla mantenimiento banco decapacitores

65

66 A Datos

Figura A.1: Valores de factor de potencia obtenido en el plano 778-09

Figura A.2: Valores de potencia reactiva obtenidas en el plano 778-09

A.3. Plantilla mantenimiento banco de capacitores 67

Figura A.3: Valores de potencias obtenidas fase A en el plano 778-09

Figura A.4: Valores de potencias obtenidas fase B en el plano 778-09

68 A Datos

Figura A.5: Valores de potencias obtenidas fase C en el plano 778-09


70 A Datos



72 A Datos



74 A Datos



Figura A.18: Pruebas a aplicar sobre bancos de capacitores

mejoramiento del factor de potencia del ramal trifásico la palma del

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