Power Quality - Armonicos Y Convertidores Ac - Ac Sector Petrolero

III CONLADIS – 1998 Brasil

ESTUDIO DE PERDIDAS DE ENERGÍA NO FACTURADA PRODUCIDAS POR EL USO DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS DE POTENCIA INSTALADAS EN LAS SS/EE LOS CLAROS 138/23,9 KV Y ZULIA 9 23,9 KV ASOCIADOS A LA RED DE DISTRIBUCIÓN DE ENELVEN José Villalobos B. Augusto Abreu M. Energía Eléctrica de Venezuela C.A. Av. 5 de Julio con Av. 10, 5861-903901, Maracaibo, Estado Zulia, Venezuela [email protected]

Not Billed Energy Losses Study Caused by Power Static Converter Installed in LOS CLAROS 138/23,9 kV and ZULIA 9 23,9 kV Substations Fed by ENELVEN Distribution Network Abstract – The scope of this paper is to show the results got in Substations with Harmonics distorsions problems and Energy Losses Calculation in power transformer focus to evaluate the impact of NOT Billed Energy to the customer. This study was done in Los Claros and Zulia 9 substations that supply electrical power to nonlinear loads, especifically Electrosubmergible Pumps used for oil extraction in Zulia state, Venezuela. Resumen– En la ultima década se ha producido una explosión masiva en el uso de equipos electrónicos de control de potencia, tanto en aplicaciones de uso industrial como doméstico, por ejemplo: balastros electrónicos, equipos de computación, control de luminarias, variadores estáticos de velocidad, etc. Estas cargas presentan un comportamiento diferente a las cargas tradicionales conocidas, produciendo grandes corrientes armónicas. Debido a que las mismas han proliferado rápidamente en el sistema, los armónicos se han convertido en un punto de interés para pequeñas y grandes empresas eléctricas. Los problemas que ocasionan los armónicos incluyen: operaciones erráticas en equipos de protección; sobrecarga y recalentamiento en equipos como transformadores, motores de inducción, 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 armónicos en la red y cálculo de perdidas a nivel de transformación, realizado en subestaciones (Los Claros y Zulia 9) asociados a campos de producción petrolera ubicados en el estado Zulia, en los cuales se utilizan bombas Electrosumergibles (B.E.S.) para la extracción del crudo. I.

INTRODUCCIÓN

La alimentación y puesta a tierra de equipos sensibles, para aplicaciones comerciales e industriales se ha

convertido en un dolor de cabeza para los diseñadores y planificadores. Estos problemas se reflejan frecuentemente al momento de energizar cargas basadas en electrónica de potencia. Grandes esfuerzos se han dedicado en solventar estas dificultades, instalando costosos equipos acondicionadores de potencia y aplicando técnicas de puesta a tierra de equipos no convencionales, que en la práctica violan las normas establecidas en el C.E.N. (Código Eléctrico Nacional), sin que esto resuelva el problema. Este trabajo contempla la realización de mediciones en las SS/EE asociadas a campos de explotación petrolera, para verificar las condiciones de distorsión en nuestro sistema y justificar la utilización de normas en Venezuela como la IEEE 51992 “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems” como una guía inicial para la incorporación de cargas no lineales en nuestro sistema, sin deterioro de la calidad de la potencia suministrada ni la introducción de problemas no deseados. El concepto de compatibilidad de carga fuente no es un concepto nuevo, el propósito básico de una empresa eléctrica es suministrar potencia con frecuencia y tensión constante, sin embargo la definición constante ha cambiado a lo largo del tiempo, estando éste susceptible a la amplia utilización en los últimos años de equipos electrónicos sofisticados, con requerimiento de condiciones estables más estrictas. Algunos de los aspectos nuevos son los “Flickers” (pestañeos) de los bombillos, debido a variaciones en la tensión, sobrecalentamiento de cargas electromagnéticas o interferencias en equipos de comunicación, debido a distorsión en la onda de tensión, frentes de tensión (Surge), distorsión de ondas ocasionados por corrientes armónicas, alguna de estas perturbaciones son generadas por equipos conectados en la red, prácticas inadecuadas de cableado y puestas a tierra. La detección de estos problemas ha llevado al desarrollo de nuevas normativas que contribuyen significativamente a la reducción de estos efectos.

II.

EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS

Las cargas no lineales, tales como hornos de fundición, convertidores estáticos de potencia, equipos de computación, generan corrientes armónicas, que pueden producir distorsiones excesivas en el sistema de distribución. Éstas pueden producir efectos dañinos en el sistema eléctrico, entre las cuales destacan: • Incremento de las pérdidas. • Sobrecalentamiento en equipos y conductores. • Interferencia telefónica. • Falla de equipos electrónicos. • Operación errada de equipos de protección. • Errores de medición de energía. • Envejecimiento prematuro de bancos de Condensadores y resonancia. Para el mejoramiento del factor de potencia se utiliza ampliamente los condensadores, estos de por sí, no son fuentes de armónicos, pero pueden en ocasiones traer problemas de resonancia que pueden maximizar los niveles de armónicos. Para atacar éste y los problemas antes mencionados el Departamento de Planificación del Sistema de ENELVEN ha comenzado un programa de mediciones de armónicos en diferentes niveles de tensión 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 transmisión 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. III.

Donde se establece que las componentes en frecuencia de los armónicos no sobrepase al 3 % para el caso de las tensiones. Las tensiones armónicas ocurren como consecuencia del flujo de corrientes armónicas a través de cargas conectadas en paralelo, teniendo generalmente la fuente la impedancia menor. Para verificar si los limites de distorsión en corriente ( THD-I ) están 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 máxima corriente de línea (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 según el nivel de tensión al cual se esté midiendo y se obtiene un TDD que es el nivel máximo de distorsión por corriente permitido para ese caso. Para este estudio se utilizo un registrador de Calidad de Potencia conocido como “Reliable Power Meter” equipo capaz de medir hasta el armónico 63, niveles de Flikers, y todos los parámetros de Potencia. A.

Características 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 región y con un buen porcentaje de la demanda del Sistema de ENELVEN. La S/E Los Claros se caracteriza por tener una alimentación en 138 kV, doble terna, 312MCM-AL, a una distancia de 40 KM. y posee dos transformadores de 20 MVA. La carga de esta es alimentada através de seis circuitos de Distribución. Los circuitos Lagoven 1, Lagoven 2, Potreritos y Los Claros distribuyen en 23,9 kV, Lagoven 3 y 4 transmiten en 138 kV. En la figura 1 Puede observarse la configuración de la S/E Los Claros.

NIVELES DE DISTORSIÓN EN EL SISTEMA DE MEDIA TENSIÓN DE ENELVEN

Existe un interés importante por parte de ENELVEN en el suministro de potencia de calidad en el sistema de distribución, el cual se está viendo afectado con la incorporación de cargas no lineales, básicamente Bombas Electrosumergibles (B.E.S.), de amplia utilización por la industria petrolera en el estado Zulia para su proceso de extracción de crudo . Los niveles de distorsión en corriente y tensión en algunos circuitos sobrepasan los recomendados por la norma IEEE 529-92, donde se establece una distorsión total de armónicos (THD) en tensión del orden de 5 % ( hasta 69 kV ) y 2.5%, cuya expresión matemática corresponde a la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las componentes en frecuencia de los armónicos dividido por la componente fundamental (1). ∞

THD = ∑ n = 2 Donde,

Vn 2 Vf

THD: Distorsión total de Armónico. Vn: Componente en frecuencia de la Tensión. Vf: Componente fundamental de la corriente.

(1)

Figura 1. S/E Los Claros.

La S/E Zulia 9, posee alimentación en 138 Kv. y distribuye en 23,9 kV. Posee dos transformadores de 25/33/42 MVA, está compuesta por cuatro circuitos de distribución: Boscan I, II, III y IV. Estos circuitos alimentan exclusivamente instalaciones petroleras. En la

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

16.00

S/E Zulia 9

14.00 12.00

14.00 12.00 10.00 8.00 6.00

(%)

10.00 8.00 6.00 4.00

4.00 2.00 0.00

2.00

I

II en

en

La

ov

La g

go v

go ve n La go III ve n IV Po tre rit os Lo s C la ro s Bo sc an Bo I sc an Bo II sc an Bo III sc an IV

0.00

La

20.00 18.00 16.00 ( MVA )

figura 2 puede observarse las características de la S/E Zulia 9 ( concesión de Petróleos de Venezuela a CHEVRON ).

THD-I THD-I Limite MVA

Figura 4. Relación de Distorsión por Corriente y Demanda ( MVA ).

De estas mediciones de distorsión por corriente en la S/E Los Claros los armónicos predominantes fueron el 5to y 7mo, en cambio en Zulia 9 los predominantes fueron el 11vo y el 13vo armónico. De esto se puede inferir que la mayoría de los variadores estáticos 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.

Figura 2. S/E Zulia 9. B.

Mediciones de Niveles de Distorsión.

Las mediciones se realizaron durante una semana para cada circuito. El nivel de Distorsión de Armónicos por Tensión se pudo verificar que solo el circuito Lagoven I sobrepasó los limites de la norma IEEE 519-92, que indican un nivel máximo de 5% en 23,9kV, para el caso de Lagoven IV esta dando justo con la norma que señala un maximo de 2.5% para tensiones de 138 kV. En la figura 3 se puede observar un resumen de los niveles de distorsión en función de la demanda de cada circuito. 20.00 18.00

5.00 S/E Los Claros

S/E Zulia 9

(%)

4.00

16.00 14.00 12.00 10.00 8.00

3.00 2.00

( MVA )

6.00

6.00 4.00

1.00

2.00 0.00 IV

Bo s

ca n

II

III

Bo s

ca n

I ca n

ca n

Bo s

C la ro s

s Lo

Bo s

IV

os re rit

Po t

en

La go v

La go

ve n

II

I en

en

La go v

La go v

III

0.00

THD-V THD-V Limite MVA

Figura 3. Relación de Distorsión por Tensión y Demanda ( MVA ). En la figura 4 se puede observar el resumen de la distorsión por corriente en función de la demanda. Los limites de distorsión ( THD-I ) fueron calculados para cada circuito ( anteriormente descrito ). De la S/E Zulia 9 el único que sobrepasó los limites máximos

IV.

CALCULO DE PERDIDAS PRODUCIDAS POR LOS ARMÓNICOS

Luego de verificar la existencia de corrientes y tensiones armónicas en los circuitos, donde en algunos casos se sobrepasa los limites tanto en corriente como en tensión de armónico establecidos en la norma IEEE 51992, es conveniente verificar cual es el efecto de los mismos desde el punto de vista de pérdidas y de energia no facturada, término 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 ( Bombas Electro Sumergibles ), las cuales exigen al sistema corrientes armonicas en algunos casos de gran magnitud, las cuales no son facturadas ni son penalizadas al cliente. A continuación se calculan las pérdidas a nivel de transformación. Dicho método de cálculo se basa en la ANSI/IEEE C57.110-1986 [4]. Aplicado el método para el cálculo de pérdidas se procedió a cuantificarla en dinero, para esto se utilizó una tarifa de 30 milsUS$/KwH ( 16 Bs./KwH, factor combinado de cargo de energia mas cargo por demanda promedio ). Podemos resumir que las perdidas en dólares de los circuitos de distribución en 23,9kV de la S/E Los Claros son 7.833 US$/MES y la facturación promedio es 839.000 US$/MES lo que representa que se está dejando de facturar el 0,93% de la carga mensual.

Totalizado la perdidas producidas por los circuitos de 23,9 y 138kV se obtuvo que la S/E Los Claros se están dejando de facturar 116.959 US$/AÑO. Para el caso de la S/E Zulia 9 se están dejando de facturar 220.024 US$/AÑO lo que representa un 4.5% de su facturacion anual que es de 4.8 MMUS$/AÑO. En las figuras 5 y 6 se pueden observar las relaciones entre el nivel de distorsión de corriente y consumo relacionados con perdidas en dólares.

5.0000 4.5000 4.0000 3.5000 3.0000 2.5000 2.0000 1.5000 1.0000 0.5000 0.0000 24-2-98

S/E Los Claros

S/E Zulia 9

14.00

70

12.00

60 ( MUS$ )

16.00

80

2.00% 1.50% 1.00% 0.50%

MVA THD-I

3-3-98

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

10.00

50

8.00

40

6.00

30

4.00

10

2.00

0

0.00

VI.

La go ve n La I go ve n La II go ve n La III go ve n I V Po tre rit os Lo s C la ro s Bo sc an Bo I sc an Bo II sc an III Bo sc an IV

20

PERD. MUS$/AÑO THD-I

Figura 5. Relación de Distorsión por Corriente y Miles de Dólares en Perdidas. S/E Zulia 9

90

20.00

80

18.00

70

16.00 14.00

60

12.00

50

10.00

40

8.00

30

( MVA )

S/E Los Claros

( MUS$ )

2.50%

(%)

90

3.50% 3.00%

6.00 4.00

10

2.00

0

0.00

La go ve n La I go ve n II La go ve n III La go ve n IV Po tre rit o s Lo s C la ro s Bo sc an I Bo sc an II Bo sc an III Bo sc an IV

20

PERD. MUS$/AÑO MVA

Figura 6. Relación de Demanda consumida ( MVA ) y Miles de Dólares en Perdida. V. NIVEL DE DISTORSION EN FUNCION DE LA DEMANDA Establecer una relación entre la distorsión total de armónicos 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 obteniéndose una relación inversa entre la distorsión total de armónicos en corriente y la demanda, para el caso contrario donde la carga predominante es de carácter no lineal la relación entre la distorsión total de armónicos en corriente y la demanda es lineal.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las mediciones preliminares hechas en el sistema de media tensión de ENELVEN muestran que existen áreas aisladas donde la distorsión de armónicos sobrepasa las recomendadas por la norma IEEE 519-92, no obstante en lo que se refiere a la distorsión por tensión se sobrepasa en valores pequeños. El hecho de no existir reportes de problemas, no indica necesariamente que no existan en el sistema problemas importantes por efectos de distorsión de armónicos. Por ejemplo, se puede dar un incremento en las pérdidas y recalentamiento en los equipos y conductores sin ser reconocido, que en el futuro pueden ser causa de fallas o errores en la medición de energía que no sean detectados. El estado ideal de un sistema de potencia implica la no existencia o establecimiento de limites en distorsión de armónicos tanto en corriente como en tensión, para así evitar o disminuir los problemas asociados con este aspecto a través de aplicaciones de técnicas como es la utilización de filtros (compensación protegida). No obstante por no existir un marco regulatorio en nuestro pais que controle estos aspectos, en principio las empresas de suministro eléctrico deben ser capaces de detectar los clientes que posean cargas no lineales dentro de su sistema, asi proceder a la instalación de medición especial a dichas cargas, y de esta manera poder facturar las pérdidas que estas producen, asi minimizar el cargo anual asociado a pérdidas técnicas de energía. Este estudio ha demostrado que la medición y el análisis de distorsión de armónicos es factible y útil; obteniendo los datos necesarios para modelar el sistema de una manera más exacta, que permitirán evitar los problemas mencionados asociados a la existencia de distorsión de armónicos, y poder efectuar una mejor planificación en lo que respecta a la compensación reactiva de los circuitos, además de impulsar la implantación de la norma IEEE 519-92 en Venezuela, creando un marco regulatorio que demande de los suscriptores la instalación de equipos, con inserción mínima de armónicos o establecer un mecanismo de penalización similar al factor de potencia, a nivel de tarifa, donde los beneficiados a la final, son los mismos suscriptores.

BIBLIOGRAFÍA [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”.

AUTORES

Ing. Jose Villallobos B. Planificación del Sistema. Unidad de Transmisión. Solicitudes Mayores.

Ing. Augusto Abreu M. Planificación del Sistema. Unidad de Distribución. Solicitudes Mayores.