Power Quality - Perdidas Tecnicas

COMISIÓN DE INTEGRACIÓN ELÉCTRICA REGIONAL – CIER I SEMINARIO INTERNACIONAL DE REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS DE ELECTRICIDAD Y USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. TEMA II: REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS TÉCNICAS MARACAIBO: OCTUBRE 1999

PROBLEMAS DE CALIDAD DE POTENCIA FUENTE DE PÉRDIDAS TÉCNICAS EN LOS SISTEMAS ENELVEN - ENELCO.

AUTORES: ING. AUGUSTO A. ABREU M., ING. JOSÉ THOMAS C. VILLALOBOS B. EMPRESA: C.A. ENERGÍA ELÉCTRICA DE VENEZUELA – ENELVEN. CARGOS:

PLANIFICADOR DE DISTRIBUCIÓN Y PLANIFICADOR DE TRANSMISIÓN.

PALABRAS CLAVES

DATOS DE LA EMPRESA

Calidad de Potencia Carga no Lineal Armónicos de Tensión Armónicos de Corriente Pérdidas Técnicas Distorsión Demanda Ajustada por Armónicos

Dirección: ENELVEN Edif. EISA Avda. 5 de Julio, entre Avdas. 10 y 11. Maracaibo. Edo. Zulia, Venezuela. Código Postal: 4001-A Apartado Postal: 146 Teléfono: 061-979977

SÍNTESIS DEL TRABAJO

el sistema de potencia, y mostrar los resultados, con base a mediciones realizadas en el sistema de ENELVEN – ENELCO, a varios clientes y en distintos niveles de tensión.

En las últimas décadas ha proliferado la utilización de cargas del tipo no lineal, principalmente en los procesos que utilizan electrónica de potencia y las que trabajan con descargas o arcos eléctricos. Estos tipos de cargas producen armónicos, interarmónicos, bajas tensiones (sags), sobretensiones (swell), variaciones bruscas de tensión (flickers), parámetros que conforman la Calidad de Potencia. Este trabajo tiene la finalidad de cuantificar las pérdidas técnicas, debido a los armónicos en corriente, planteando una alternativa inicial para la recuperación de éstas a nivel de los transformadores, la cual consiste en un sistema de medición de potencia eléctrica, donde la demanda se ajuste, de tal manera que refleje el efecto económico adverso de las corrientes armónicas en 1

1. INTRODUCCIÓN

información se realizó una cuantificación y se plantea una solución para recuperar estas pérdidas técnicas.

En los últimos años, se ha producido una explosión masiva en el uso de equipos electrónicos para el control de potencia, principalmente en aplicaciones de uso industrial, como son los vareadores estáticos de velocidad, utilizados para el control de motores AC o DC, UPS (Sistemas de Potencia Ininterrumpida), lámparas fluorescentes (Balastros Magnéticos y Electrónicos) y hornos de arco eléctrico; las cuales se conocen como cargas no lineales. Estas presentan un comportamiento diferente a las cargas tradicionales conocidas, donde la relación onda tensión-corriente no es lineal, por tanto producen corrientes cuya representación ya no es un sinusoidal pura, sino que puede ser representada en varias subcorrientes a diferentes frecuencias, que normalmente son múltiplos de la fundamental.

2. NIVELES DE ARMÓNICOS MEDIDOS La recomendación utilizada para la determinación de los niveles de distorsión armónica permitida, fue la IEEE 519-92 [2]. Esta posee la facilidad de evaluar puntos comunes de conexión, donde para nuestro caso, la mayoría de las mediciones fueron realizadas a las salidas de los circuitos de distribución. De las mediciones realizadas, se obtuvo que a nivel de distorsión de armónicos en tensión, el 13% de la muestra, no cumple con la IEEE 51992 (figura 1). Es importante destacar que altos niveles de distorsión armónica en tensión, se deben, en la mayoría de los casos, a altas impedancias de la red distribuidora y es responsabilidad de las empresas eléctricas, tener estos niveles los más bajos posibles, hasta un punto económico razonable. En lo referente a la distorsión armónica de corriente, se encontró que del 43% de la muestra (figura 1) no cumple con la norma IEEE 519-92, siendo estos niveles, responsabilidad de los clientes, los cuales poseen cargas no lineales.

Entre los problemas que ocasionan las corrientes armónicas, se incluyen: pérdidas técnicas, operaciones erráticas en equipos de protección, resonancia paralela o en serie (la cual causa sobrecarga y recalentamiento de transformadores, motores de inducción, conductores, bancos de condensadores, otros.), interferencia en equipos de radio y telecomunicaciones, entre otras. En la actualidad, las empresas eléctricas poseen mecanismos para penalizar clientes con bajos niveles de factor de potencia, por medio del cobro de un cargo por demanda. Análogamente se plantea un tratamiento similar con los armónicos en corriente. Estableciendo un cargo que refleje el impacto económico que dichas corrientes ocasiónan en la red, lo cual en la mayoría de los casos, estimulará a los clientes a buscar dispositivos que minimicen la inserción de corrientes armónicas.

MUESTRA EN 30 PUNTOS DE MEDICIÓN

ARMÓNICOS DE TENSION

Este estudio se enfoca a las pérdidas que ocasionan las corrientes armónicas y propone una alternativa inicial para su recuperación. Los análisis de este trabajo están basados en una muestra sobre la Calidad de Potencia de nuestro sistema, en treinta puntos con diferentes niveles de tensión y principalmente donde se sospechaba la existencia de carga no lineal. Partiendo de esta

13%

ARMÓNICOS DE CORRIENTE

57% 87% No Cumple.

43% Sí Cumple.

Figura 1. Muestra de Medición analizada con la recomendación IEEE 519-92.

2

3. PÉRDIDAS TÉCNICAS, A CAUSA DE ARMÓNICOS EN CORRIENTE

armónicas, con el costo de un kwh a 60 Hz (fundamental), por supuesto el causado a corrientes múltiplos de la fundamental, debería ser mayor.

Las cargas estudiadas, son en su mayoría generadoras de corrientes armónicas, las cuales causan pérdidas en los elementos presentes en la red eléctrica, principalmente en las líneas y transformadores. De estos elementos, los transformadores producen las pérdidas más importantes en los sistemas de potencia, debido a su alto contenido metálico (hierro y cobre).

En la Figura 2, se observa que las pérdidas causadas por los armónicos en corriente, representaron un 14,04% ponderado de la carga total. PROPORCIÓN DE % PÉRDIDAS POR SECTOR 51,3%

En la actualidad, estas pérdidas a nivel de transformación, no pueden ser ajustadas por los medidores, primero porque los medidores actuales no son capaces de descomponer la onda de tensión y de corriente en el espectro de frecuencia y segundo no están programados para cuantificar dichas pérdidas.

7%

Clientes Rurales (7%) Clientes Petrolero (27%) Clientes Urbanos (14,7%) Clientes Industriales (51,3%)

27%

Para efecto de la cuantificación en dinero que estas pérdidas ocasionan, hemos usado el costo de kwh según tarifa vigente y aplicable en cada punto, lo cual representa un estimado bajo, puesto que un kwh a 60 Hz no produce las mismas pérdidas que una a 180 Hz (3er armónico) o 300 Hz (5to armónicos) y sucesivamente, estos kwh en corrientes múltiplos, producen mayores pérdidas que la fundamental (60Hz), debido a que las mismas son proporcionales al cuadrado de la frecuencia.

14,7% Figura 2. Porcentaje de kW de pérdida con respecto a los tipos de clientes y el total. (Basado en la C.57-110-86)

PROPORCIÓN EN US$. DE PERDIDAS POR SECTOR 116.216,00 US$ (45%) 20.678,00 US$ (8%)

Para realizar un cálculo adecuado, es necesario la elaboración de un estudio, que determine el costo del kwh a diferentes frecuencias, además de necesitar de los medidores de energía que nos proporcione estos valores.

Clientes Rurales (8%) Clientes Petroleros (30%) Clientes Urbano (17%) Clientes Industrial (45%)

77.721,00 US$ (30%) 43.603,00 US$ (17%)

4. CUANTIFICACIÓN DE PÉRDIDAS TÉCNICAS, A CAUSA DE LOS ARMÓNICOS DE CORRIENTE

Figura 3. US Dolar de pérdida con respecto a los tipos de clientes. (Basado en la C.57-110-86) (Bs. 610/1US$)

El cálculo de pérdidas técnicas en energía (kwh) está basado en el método utilizado para el cálculo de la capacidad de transformadores, que alimentan cargas no sinusoidales ANSI/IEEE C57.110-1986[5]. Tal como se mencionó, esta cuantificación es aproximada, ya que se está penalizando a un kwh, debido a corrientes

En la figura 3, se observa la proporción de las pérdidas en miles de US$, obteniendo un total de US$ 258.218,00 a causa de armónicos de corriente.

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5. ALTERNATIVA PARA LA RECUPERACION DE PÉRDIDAS TÉCNICAS, A CAUSA DE LOS ARMÓNICOS

ponderado se utiliza para calcular la medición de los voltio-amperios, ajustados por armónicos. La función de ponderación para las corrientes y las tensiones, es seleccionada, de tal manera de aproximar el impacto económico, ocacionado por estas corrientes y tensiones multiplos de la fundamental, en el sistema de generación, transmisión y distribución del sistema eléctrico.

En Venezuela, está por aprobarse el Reglamento de Normas de Calidad del Servicio de Electricidad y sanciones donde no se plantea la penalización a los clientes, por efecto de armónicos por corriente, en el mismo solo se plantea la penalización por efecto de armónicos por tensión, cuya responsabilidad es exclusiva de las empresas de servicios, la forma como está redactado este reglamento, no ofrece protección ni mecanismo de penalización de la empresa eléctrica, ante clientes con altos contenidos de armónicos.

Suscriptor

El medidor registra la tabla de corrientes múltiplos de la fundamental. Por software se recalculan los kVA ajustados tomando en cuenta la impedancia del transformador

En la actualidad, los medidores de energía instalados a los suscriptores, son de tecnología de inducción y digitales, cuya rata de muestreo en algunos casos, solo llegan a registrar hasta el tercer armónico. Según las compañías fabricantes de medidores, en la actualidad se están realizando pruebas pilotos de medidores (Beta) con mayor rata de muestreo, capaces de disponer de información del espectro en frecuencia de la corriente. Como se mencionó anteriormente, al no disponer de una tarifa discriminada de kwh, por armónico, ni de su aprobación ante la Comisión Nacional de Energía Eléctrica, es necesario buscar otra vía, la cual pueda penalizar a los clientes que no controlen su contaminación armónica al sistema.

Medidor

La compañía eléctrica lee una demanda superior, recuperando parte de las pérdidas vía demanda contratada.

Figura 4 Esquema de recuperación de pérdidas tecnicas producidas por cargas no lineales.

6. RESULTADOS Utilizando la metodología del ajuste de la demanda por efecto de armónicos se obtiene un porcentaje ponderado de la demanda de 31.84 %, equivalente a un cargo adicional US$ 278,70 M. (Figura 5).

Una alternativa inicial para recuperar las pérdidas técnicas causadas por los armónicos en los transformadores, es el método propuesto por Alexander McEachern y W. Mack Grady [7][8] (figura 4). Esta alternativa contempla un sistema de medición de potencia eléctrica, donde la demanda se ajusta de tal manera que refleje el efecto económico adverso, de las corrientes y tensiones armónicas. Una técnica bien conocida se utiliza para la adquisición del espectro en frecuencia, que representan las corrientes y las tensiones existentes en el punto de medición. Estos valores en frecuencia, son ponderados en tal forma que las corrientes diferentes de la fundamental, son incrementadas y las tensiones no fundamentales son disminuidas. Este espectro

MUS$. 140 120 100 80 60 40 20 0

URBANO URBANO

RURAL RURAL

C57.110-86.

PETROLERO INDUSTRIAL PETROLERO INDUSTRIAL

Ajuste por demanda.

Figura 5. Comparación de US$, de recuperación utilizando el factor de corrección en la demanda con la C57.110-86. (Bs. 610/1US$)

4

7. CONCLUSIONES

2. IEEE Std. 1159-1995 “Recommended Practice for Monitoring Electrical Power Quality”.

De las mediciones realizadas, se obtuvo que a nivel de distorsión de armónicos en tensión, el 13% de la muestra no cumple con la IEEE 51992. En lo referente a la distorsión armónica de corriente se encontró que el 43% de la muestra, no cumple con la norma IEEE 519-92.

3. ANSI/IEEE C57.110-1986 “American National IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability When Suppliying Nonsinusoidal Load Currents”.

Las pérdidas causadas por los armónicos utilizando la metodología de la ANSI/IEEE C57.110-1986, representaron un 14,04% ponderado de la carga. Equivalente a un cargo adicional de US$ 258.218,00.

4. José Villalobos B - Augusto Abreu M. “Estudio de Pérdidas 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”. Trabajo publicado en el III Congreso Latino Americano de Distribución (CONLADIS), Sau Paulo - Brasil, Septiembre 1998.

En la actualidad, estas pérdidas a nivel de transformación, no pueden ser ajustadas por los medidores, primero porque no son capaces de descomponer la onda de tensión y de corriente en el espectro de frecuencia y segundo no están programados para cuantificar dichas pérdidas.

5. Augusto Abreu M. – Claudia Ochoa O. - José Villalobos B. “Cargas Industriales: Fuentes de Problemas de Calidad de Potencia en el Sistema Eléctrico de ENELVEN”. Trabajo publicado en el I Conferencia Internacional del Area Andina del IEEE (IEEEANDESCON 99), Porlamar, Isla de Margarita - Venezuela, Septiembre1999.

Las empresas eléctricas poseen mecanismos para penalizar clientes con bajos niveles de factor de potencia, por medio del cobro de un cargo por demanda. Análogamente se plantea un tratamiento similar con los armónicos en corriente, estableciendo un cargo que refleje el impacto económico que dichas corrientes ocasiónan en la red.

6. Wladyslaw Mielczarski “Quality of Electricity Suply & Management of Network Losses”. Melbourne – Australia 1997.

Utilizando la metodología del ajuste de la demanda por efecto de armónicos, se obtiene un porcentaje ponderado de la demanda de 31.84 %, equivalente a un cargo adicional US$ 278,70 M.

7. McEachern, W.M. Grady, W.A. Moncrief, G.T. Heydt, M. Mcgranaghan, “Revenue and Harmonics: An Evaluation of Some Proposed Rate Structures”, IEEE Transaction on Power Delivery , Vol. 10, No. 1, January 1995.

Se demuestra que la metodología planteada es fácil de implantar, una vez que se dispongan de los medidores especificados que no requiere de aprobación de la Comisión Nacional de Energía Eléctrica, puesto que la metodología de cálculo, está soportada técnicamente y su aplicación solo afectará a los clientes que inserten corrientes armónicas en el sistema.

8. McEachern, W.M. Grady, W.A. Moncrief, “Harmonic-Adjusted Power Factor Meter”, United State Patent, Number: 5.212.441. 9. “Non-Linear Loads on the Power Distribution System”. Febrero 1998, Orlando, Florida, Curso patrocinado por la “University of Wisconsin”.

8. REFERENCIAS 1. IEEE Std. 519-1992 “Recommended Practices and Requirements for Harmonics Control in Electrical Power Sistems”. 5