ESTUDIO DE PERDIDAS DE ENERGA NO FACTURADA PRODUCIDAS POR EL USO DE

CONVERTIDORES ESTTICOS DE POTENCIA INSTALADAS EN LAS SS/EE LOS CLAROS Y

ZULIA 9 EN 23,9 KV ASOCIADOS A LA RED DE DISTRIBUCIN

DE ENELVEN

Por: Ing. Jos Villalobos B. Ing. Augusto Abreu M.

Junio 1998

2

TABLA DE CONTENIDOS

INTRODUCCION ................................................................................................................ .................. 2.

1.- RESUMEN .......................................................................................................................... ............. 3.

2.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................................................... ...... 3.

3.- EFECTOS DE LOS ARMONICOS EN LOS SISTEMAS ELECTRICOS .......................................... 5.

4.- NIVELES DE DISTORSION EN EL SISTEMA DE MEDIA TENSION ( 23,9 Kv ) DE ENELVEN ..... 6.

5.- CALCULO DE PERDIDAS PRODUCIDOS POR LOS ARMONICOS ............................................. 10.

6.- NIVELES DE DISTORSION EN FUNCION DE LA DEMANDA ....................................................... 12.

7.- BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................ 13.

3

INTRODUCCIN

La alimentacin y puesta a tierra de equipos sensitivos para aplicaciones comerciales e

industriales se ha convertido en un dolor de cabeza para los diseadores y planificadores. Estos

problemas se reflejan frecuentemente al momento de energizar cargas basadas en electrnica de

potencia. Grandes esfuerzos se han dedicado en solventar estas dificultades, instalando costosos

equipos acondicionadores de potencia y aplicando tcnicas de puesta a tierra de equipos no

convencionales, que en la prctica violan las normas establecidas en el C.E.N. (Cdigo Elctrico

Nacional), sin que esto resuelva el problema. Este trabajo contempla la realizacin de mediciones en

las SS/EE asociadas a campos de explotacin petrolera, para verificar las condiciones de distorsin en

nuestro sistema y justificar la utilizacin de normas en Venezuela como la IEEE 519-92

Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems como

una gua inicial para la incorporacin de cargas no lineales en nuestro sistema, sin deterioro de la

calidad de la potencia suministrada ni la introduccin de problemas no deseados.

El concepto de compatibilidad de carga fuente no es un concepto nuevo, el propsito bsico de

una empresa elctrica es suministrar potencia con frecuencia y tensin constante, sin embargo la

definicin constante ha cambiado a lo largo del tiempo, estando ste susceptible a la amplia utilizacin

en los ltimos aos de equipos electrnicos sofisticados, con requerimiento de condiciones estables

ms estrictas.

Algunos de los aspectos nuevos son los Flickers (pestaeos) de los bombillos, debido a

variaciones en la tensin, sobrecalentamiento de cargas electromagnticas o interferencias en equipos

de comunicacin, debido a distorsin en la onda de tensin, frentes de tensin (Surge), distorsin de

ondas ocasionados por corrientes armnicas, alguna de estas perturbaciones son generadas por

equipos conectados en la red, prcticas inadecuadas de cableado y puestas a tierra.

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La deteccin de estos problemas ha llevado al desarrollo de nuevas normativas que contribuyen

significativamente a la reduccin de estos efectos.

1.- RESUMEN

En la ultima dcada se ha producido una explosin masiva en el uso de equipos electrnicos de

control de potencia, tanto en aplicaciones de uso industrial como domstico, por ejemplo: balastros

electrnicos, equipos de computacin, control de luminarias, variadores estticos de velocidad, etc.

Estas cargas presentan un comportamiento diferente a las cargas tradicionales conocidas, produciendo

grandes corrientes armnicas. Debido a que las mismas han proliferado rpidamente en el sistema, los

armnicos se han convertido en un punto de inters para pequeas y grandes empresas elctricas.

Los problemas que ocasionan los armnicos incluyen: operaciones errticas en equipos de proteccin;

sobrecarga y recalentamiento en equipos como transformadores, motores de induccin, conductores,

bancos de condensadores, etc.; interferencia en equipos de radio y telecomunicaciones; entre otros.

Este trabajo tiene como finalidad mostrar los resultados obtenidos en el estudio de presencia de

armnicos en la red y clculo de perdidas a nivel de transformacin, realizado en subestaciones (Los

Claros y Zulia 9) asociados a campos de produccin petrolera ubicados en el estado Zulia, en los

cuales se utilizan bombas Electrosumergibles (B.E.S.) para la extraccin del crudo.

2.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las mediciones preliminares hechas en el sistema de media tensin de ENELVEN muestran

que existen reas aisladas donde la distorsin de armnicos sobrepasa las recomendadas por la norma

IEEE 519-92, no obstante lo que refiere a la distorsin por tensin se sobrepasa en valores pequeos.

El hecho de no existir reportes de problemas, no indica necesariamente que no existan en el

sistema problemas importantes por efectos de distorsin de armnicos. Por ejemplo, se puede dar un

5

incremento en las prdidas y recalentamiento en los equipos y conductores sin ser reconocido, que en

el futuro pueden ser causa de fallas o errores en la medicin de energa que no sean detectados.

El estado ideal de un sistema de potencia implica la no existencia o establecimiento de limites

en distorsin de armnicos tanto en corriente como en tensin, para as evitar o disminuir los

problemas asociados con este aspecto atravs de aplicaciones de tcnicas como es la utilizacin de

filtros (compensacin protegida). No obstante por no existir un marco regulatorio en nuestro pais que

controle estos aspectos, en principio las empresas de suministro elctrico deben ser capaces de

detectar los clientes que posean cargas no lineales dentro de su sistema, asi proceder a la instalacin

de medicin especial a dichas cargas, y de esta manera poder facturar las prdidas que estas

producen, asi minimizar el cargo anual asociado a prdidas tcnicas de energia.

Este estudio ha demostrado que la medicin y el anlisis de distorsin de armnicos es factible

y til; obteniendo los datos necesarios para modelar el sistema de una manera ms exacta, que

permitirn evitar los problemas mencionados asociados a la existencia de distorsin de armnicos, y

poder efectuar una mejor planificacin en lo que respecta a la compensacin reactiva de los circuitos,

adems de impulsar la implantacin de la norma IEEE 519-92 en Venezuela, creando un marco

regulatorio que demande de los suscriptores la instalacin de equipos, con insercin mnima de

armnicos o establecer un mecanismo de penalizacin similar al factor de potencia, a nivel de tarifa,

donde los beneficiados a la final, son los mismos suscriptores.

6

3.- EFECTOS DE LOS ARMNICOS EN LOS SISTEMAS ELCTRICOS

Las cargas no lineales, tales como hornos de fundicin, convertidores estticos de potencia,

equipos de computacin, generan corrientes armnicas, que pueden producir distorsiones excesivas en

el sistema de distribucin. stas pueden producir efectos dainos en el sistema elctrico, entre las

cuales destacan:

Incremento de las prdidas.

Sobrecalentamiento en equipos y conductores.

Interferencia telefnica.

Falla de equipos electrnicos.

Operacin errada de equipos de proteccin.

Errores de medicin de energa.

Envejecimiento prematuro de bancos de Condensadores y resonancia.

Para el mejoramiento del factor de potencia se utiliza ampliamente los condensadores, estos de

por s, no son fuentes de armnicos, pero pueden en ocasiones traer problemas de resonancia que

pueden maximizar los niveles de armnicos. Para atacar ste y los problemas antes mencionados el

Departamento de Planificacin del Sistema de ENELVEN ha comenzado un programa de mediciones

de armnicos en diferentes niveles de tensin a lo largo de su sistema, especialmente en aquellas

SS/EE que sirven cargas petroleras e industriales. Nuestro sistema contempla principalmente de SS/EE

de transmisin anilladas en 138 kV con transformadores de 138/24 kV 2x 25/33/42 MVA., con

capacidad de servir 60 MVA. de acuerdo con nuestros criterios de cargabilidad.

7

4.- NIVELES DE DISTORSIN EN EL SISTEMA DE MEDIA TENSIN DE ENELVEN

Existe un inters importante por parte de ENELVEN en el suministro de potencia de calidad en

el sistema de distribucin, el cual se est viendo afectado con la incorporacin de cargas no lineales,

bsicamente Bombas Electrosumergibles (B.E.S.), de amplia utilizacin por la industria petrolera en el

estado Zulia para su proceso de extraccin de crudo.

Los niveles de distorsin en corriente y tensin en algunos circuitos sobrepasan los

recomendados por la norma IEEE 529-92, donde se establece una distorsin total de armnicos (THD)

en tensin del orden de 5 % ( hasta 69 kV ), cuya expresin matemtica corresponde a la raz cuadrada

de la suma de los cuadrados de las componentes en frecuencia de los armnicos dividido por la

componente fundamental (1).

2n

2

Vf

VnTHD (1)

Donde se establece que las componentes en frecuencia de los armnicos no sobrepase al 3 %

para el caso de las tensiones. Las tensiones armnicas ocurren como consecuencia del flujo de

corrientes armnicas a travs de cargas conectadas en paralelo, teniendo generalmente la fuente la

impedancia menor.

Para verificar si los limites de distorsin en corriente ( THD-I ) estn dentro de los

permitidos por la IEEE 519-92, primero se calcula un cociente entre la corriente de cortocircuito (Isc) de

la S/E y la mxima corriente de lnea (IL) medido en el circuito. Con este cociente (Isc/IL) nos dirigimos

a las tablas 10.3, 10.4, 10.5 de la IEEE 519-92 segn el nivel de tensin al cual se est midiendo y se

obtiene un TDD que es el nivel mximo de distorsin por corriente permitido para ese caso.

Donde, THD: Distorsin total de Armnico. Vn: Componente en frecuencia de la Tensin. Vf: Componente fundamental de la corriente.

8

Para este estudio se utilizo un registrador de Calidad de Potencia conocido como Reliable

Power Meter equipo capaz de medir hasta el armnico 63, niveles de Flikers, y todos los parmetros

de Potencia.

4.A.-CARACTERISTICAS DE LAS SS/EE ESTUDIADAS.

Las SS/EE Los Claros y Zulia 9 fueron escogidas debido a que ellas alimentan a dos campos

petroleros de mucho auge en la regin y con un buen porcentaje de la demanda del Sistema de

ENELVEN.

La S/E Los Claros se caracteriza por tener una alimentacin en 138 kV, doble terna, 312Kcmil, a

una distancia de 40 KM. y posee dos transformadores de 20 MVA. La carga de esta es alimentada

atravs de seis circuitos de Distribucin. Los circuito Lagoven I, Lagoven II, Potreritos y Los Claros

distribuyen en 23,9 kV, Lagoven III y IV transmiten en 138 kV. En la figura 1 Puede observarse la

configuracin de la S/E Los Claros.

Figura 1. S/E Los Claros.

9

La S/E Zulia 9, posee alimentacin en 138 Kv. y distribuye en 23,9 kV. Posee dos

transformadores de 25/30/42 MVA, est compuesta por cuatro circuitos de distribucin: Boscan I, II, III y

IV. Estos circuitos alimentan exclusivamente instalaciones petroleras. En la figura 2 puede observarse

las caractersticas de la S/E Zulia 9 ( concesin de Petrleos de Venezuela a CHEVRON ).

Figura 2. S/E Zulia 9.

4.B.- Mediciones de Niveles de Distorsin.

Las mediciones se realizaron durante una semana para cada circuito. El nivel de Distorsin de

Armnicos por Tensin se pudo verificar que solo el circuito Lagoven I sobrepas los limites de la

norma IEEE 519-92, que indican un nivel mximo de 5% en 23,9kV, para el caso de Lagoven IV esta

dando justo con la norma que seala un maximo de 2.5% para tensiones de 138 kV. En la figura 3 se

puede observar un resumen de los niveles de distorsin en funcin de la demanda de cada circuito.

10

Figura 3. Relacin de Distorsin por Tensin y Demanda ( MVA ).

En la figura 4 se puede observar el resumen de la distorsin por corriente en funcin de la

demanda. Los limites de distorsin ( THD-I ) fueron calculados para cada circuito ( anteriormente

descrito ). De la S/E Zulia 9 el nico que sobrepas los limites mximos recomendados fue el circuito

Boscan III. De la S/E Los Claros, el nico que cumple con la IEEE 519-92 es el circuito Potreritos.

Figura 4. Relacin de Distorsin por Corriente y Demanda ( MVA ).

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

Lago

ven

I

Lago

ven

II

Lago

ven

III

Lago

ven

IV

Pot

rerit

os

Los Claro

s

Bos

can

I

Bos

can

II

Bos

can

III

Bos

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IV

( %

)

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

( M

VA

)

THD-I

THD-I Limite

MVA

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Lago

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I

Lago

ven

II

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ven

III

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ven

IV

Pot

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os

Los Claro

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I

Bos

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II

Bos

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III

Bos

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IV

( %

)

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00(

MV

A )

THD-V

THD-V Limite

MVA

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De estas mediciones de distorsin por corriente en la S/E Los Claros los armnicos

predominantes fueron el 5to y 7mo, en cambio en Zulia 9 los predominantes fueron el 11vo y el 13vo

armnico. De esto se puede inferir que la mayora de los variadores estticos de velocidad asociados a

la S/E Los Claros son de 6 pulsos en cambio en S/E Zulia 9 el predominante es el variador de 12

pulsos.

5.- CALCULO DE PERDIDAS PRODUCIDAS POR LOS ARMNICOS

Luego de verificar la existencia de corrientes y tensiones armnicas en los circuitos, donde en

algunos casos se sobrepasa los limites tanto en corriente como en tensin de armnico establecidos en

la norma IEEE 519-92, es conveniente verificar cual es el efecto de los mismos desde el punto de vista

de prdidas y de energia no facturada, trmino utilizado debido a que los medidores instalados en

nuestro sistema solo consideran el efecto de las ondas tanto en corriente como en tension a 60 Hz, es

decir de la componente fundamental. Con la incorporacion de carga no lineal, especificamente BES (

Bonbas Electro Sumergibles ), las cuales exigen al sistema corrientes armonicas en algunos casos de

gran magnitud, la cuales como se mension no son facturadas ni son penalizadas al cliente. A

continuacin se calculan las prdidas a nivel de transformacin. Dicho mtodo de clculo se basa en la

ANSI/IEEE C57.110-1986 [4].

Aplicado el mtodo para el clculo de prdidas se procedi a cuantificarla en dinero, para esto

se utiliz una tarifa de 30 USmils$ ( 16 Bs./KwH, factor combinado de cargo de energia mas cargo por

demanda promedio ). Podemos resumir que las perdidas en dlares de los circuitos de distribucin en

23,9kV de la S/E Los Claros son 7833 US$/MES y la demanda promedio es 839000 US$/MES lo que

representa que se est dejando de facturar el 0,93% carga mensual.

Totalizado la perdidas producidas por los circuitos de 23,9 y 138kV se obtuvo que la S/E Los

Claros se esta dejando de facturar 116959 US$/AO. Para el caso de la S/E Zulia 9 se esta dejando de

12

facturar 220024 US$/AO lo que representa un 4.5% de su facturacion total que es de 4.8

MMUS$/AO.

En las figuras 5 y 6 se pueden observar las relaciones entre el nivel de distorsin de corriente y

consumo relacionados con perdidas en dlares.

Figura 5. Relacin de Distorsin por Corriente y Miles de Dlares en Perdidas.

Figura 6. Relacin de Demanda consumida ( MVA ) y Miles de Dlares en Perdida.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Lago

ven

I

Lago

ven

II

Lago

ven

III

Lago

ven

IV

Potre

ritos

Los

Claro

s

Bos

can

I

Bos

can

II

Bos

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III

Bos

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IV

( M

US

$ )

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

( %

)

PERD. MUS$/AO

THD-I

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Lago

ven

I

Lago

ven

II

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III

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IV

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Bos

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I

Bos

can

II

Bos

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III

Bos

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IV

( M

US

$ )

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

( M

VA

)

PERD. MUS$/AO

MVA

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6.- NIVEL DE DISTORCION EN FUNCION DE LA DEMANDA

Establecer una relacin entre la distorcin total de armnicos en corriente y la demanda de un

circuito o del sistema, depende de la relacion carga lineal o tradicional y la carga no lineal para el caso

que se muestra en la Figura 7, la carga lineal supera a la no lineal obteniendose una relacion inversa

entre la distorsin total de armnicos en corriente y la demanda, para el caso contrario donde la carga

predominante es de carcter no lineal la relacin entre la distorcion total de armnicos en corriente y la

demanda es lineal.

Figura 7. Relacin de demanda y distorsin del circuito Potrerito ( S/E Los Claros ).

0.0000

0.5000

1.0000

1.5000

2.0000

2.5000

3.0000

3.5000

4.0000

4.5000

5.0000

MVA

THD-I

3.50%

3.00%

2.50%

2.00%

1.00%

0.50%

1.50%

24-2-98 3-3-98

14

7.- BIBLIOGRAFA

[1] IEEE Std. 1100-1992 Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic

Equipment Esmeral Book.

[2] IEEE Std. 519-1992 Recommended Practices and Requirements for Harmonics Control in

Electrical Power Sistems.

[3] IEEE Std. 1159-1995 Recommended Practice for Monitoring Electrical Power Quality.

[4] ANSI/IEEE C57.110-1986 American National IEEE Recommended Practice for Establishing

Transformer Capability When Suppliying Nonsinusoidal Load Currents.