Sistema de distribución bajo un entorno no lineal (página 2)

6. Capacitores y
filtros de armónicas

La utilización de capacitores
como medio tradicional para mejorar el factor de potencia ha sido
una practica común desde hace mucho tiempo. La
presencia de cargas no lineales y en general de armónicas
en la corriente como en el voltaje pueden ocasionar en muchos
casos condiciones de resonancia entre la red y el capacitor que
aparentemente corregirá el factor de potencia, lo cual
hace que en muchos de estos casos el factor de potencia final sea
igual o inferior al anterior.

En las tablas 12 y 13 se muestran datos de la
condición de circuito de la figura 10 colocando un
capacitor de 0.55 MVAR.

Muchas subestaciones de distribución poseen bancos de
capacitores con el objeto de compensar caídas de voltaje
y/o corregir el factor de potencia, las cuales ante corrientes o
voltajes armónicos las hace candidatas a tener condiciones
de resonancia.

Si en circuito de la figura 10 se coloca la unidad de 0.55
MVAR en la barra de la subestación (B.V.) se
tendrían los siguientes resultados.

Los datos muestran
que para una longitud de 25 Km. la distorsión
armónica del voltaje aplicado en las cargas se incrementa
y se produce además una resonancia en la armónica
17°. Para este dato la corriente en el punto (3) (trafo 1.5
MVA) se torna mas distorsionada aun cuando el THD de la corriente
como del voltaje en la subestación se reduce.

El punto de común acoplamiento (PCA) del cliente con la
red de distribución es sitio a tener muy en cuenta
al momento de suministrar el servicio, pues
el tener cargas no lineales y capacitores implica un análisis armónico en el cual deben
tomarse en cuenta entre otros parámetros los
siguientes:

• Corriente de cortocircuito en el PCA
• Tamaño de la carga (MVA)
• Tipo de carga (lineal – no lineal)
• Capacitores más cercanos
• Cargas vecinas (tipo de primario)
• Topología de la red, longitud del
  primario.
• Armónicas presentes en el voltaje
• Hora programada de conexión o
  desconexión de banco de
  capacitores de las subestaciones.

El ultimo punto se menciona pues muchas cargas no
lineales son muy sensibles a los transitorios producidos por la
energización de capacitores de las subestaciones de
distribución.

7. Reduccion de
armónicas

Filtros de armónicas
La presencia de cargas no lineales que generan principalmente
armónicas de corriente han obligado ha buscar maneras de
reducir este efecto en las redes de
distribución, la colocación de filtros L-R-C
(inductancia – resistencia –
capacitancia) para cancelación de armónicas es una
buena técnica para reducir la distorsión
armónica de la corriente y por ende del
voltaje.

En muchos países se han adoptado regulaciones
que limitan la distorsión armónica de la corriente
de los grandes clientes en el
PCA al igual que se ha emitido limites para la distorsión
armónica del voltaje para empresas
eléctricas.

El efecto global de las cargas de tipo residencial
y/o comercial es un problema a resolver por la empresa que
suministra el servicio
eléctrico. Cuando existe una presencia significativa de
corrientes armónicas en los alimentadores primarios es
practica común colocar filtros de armónicas en
distintos ramales del mismo para reducir la distorsión
armónica de la corriente, pero esta practica puede
involucrar otras frecuencias armónicas resonantes con el
sistema y en suma
el análisis del comportamiento
de la red se torna más complejo.

En el circuito de la figura 10 se ha colocado dos
filtros de armónicas para la 5° y 7° en la barra
#3. Los resultados se muestran en la tabla 16.

De los datos de la tabla 16 se aprecia nuevamente
que aun cuando existe un filtrado en la carga no lineal el efecto
de tener un primario de gran longitud hace que el voltaje que
reciben los clientes este mas
distorsionado.

8.
Transformadores

Un elemento importante en los sistemas de
distribución es indudablemente el transformador. Si bien
el estudio de las armónicas inicialmente se dio como
resultado de las corrientes de magnetización y de
energización o inrush, hoy en día que existen
cargas no lineales que generan continuamente armónicas de
corriente el estudio no esta solamente circunscrito al comportamiento
de estas corrientes en el interior del transformador sino
también abarca a los elementos más cercanos a este
equipo (impedancia de la red, capacitores
etc.)

Muchos transformadores
de distribución pueden presentar problemas
relacionados con calentamientos adicionales a los esperados
cuando el nivel del THD de la corriente (THDi) esta sobre el 8% y
el transformador esta a un 80% o más de su capacidad
nominal, particularmente si las armónicas son tripletes
(3, 9, 15, 21…) [3].

En la actualidad debido al incremento de cargas
no lineales varios parámetros nuevos se deben revisar al
adquirir transformadores
para redes de
distribución.

Factor K.

• Tipo de
  conexión

Factor K

Si bien factor K relaciona la capacidad de un
transformador para servir cargas no lineales sin exceder los
limites de temperatura
nominales, este factor no contribuye a reducir la presencia de
armónicas en los alimentadores primarios e inclusive
según [4] dado que el nivel del THDv en las cargas no
lineales es inversamente proporcional al nivel de carga del
transformador, al reemplazar un transformador de tipo
convencional por otro con un K-nominal implica un incremento en
el THDv de la carga.

Una experiencia obtenida por [4] indica que
cuando se reemplazo un transformador de distribución
convencional de 112.5 KVA (THDv obtenido indicaba 5.1% en los
terminales del secundario) luego de efectuada la
sustitución con un transformador con factor K igual a 13
(K-13) de igual capacidad e impedancia el THDv se incremento a
11.8%.

Tipo de conexión
El tipo de conexión de un transformador trifásico
casi siempre ha sido un parámetro que poco o nada se toma
en cuenta el momento de adquirir un transformador, sin embargo
debido al aparecimiento de las cargas no lineales el tipo de
conexión puede representar un factor importante para la
reducción de cierto tipo de armónicas generadas
desde cargas no lineales.
Con el fin de describir este efecto de tipo
electromagnético, considérese los fasores de
secuencia positiva como se muestra a
continuación:

h es el orden de armónica,
es el ángulo de defasamiento angular del
transformador y  el ángulo inicial. Por
ejemplo para una conexión Dy1 el ángulo
tendrá un valor de
30 y las componentes de secuencia
correspondientes serian las siguientes:

Para o igual 0 se obtiene
una relación general para el caso de un defasamiento de 30
grados entre las componentes del devanado primario y
secundario.

De tener un transformador con
conexión Dz0 se tendría:
Ahora bien, asuma que la corriente de dos cargas no lineales con
similar espectro armónico (ver tabla 5 espectro de la
figura a) y potencia se encuentran conectadas a dos
transformadores tipo Dy1 y Dz0 como se muestra en la
figura 13.
A nivel del punto 2 de la figura 13 se tendrían los valores de
THDi correspondientes a cada carga no lineal (se asume corrientes
de valor similar
para el ejemplo). Si se aplican las ecuaciones
(16) a (21) con el objeto de obtener el THDi en el punto 1 se
obtendrían los siguientes resultados (ver tabla
17).

De los cálculos realizados se puede
apreciar que este arreglo de transformadores cancelan en un 74%
la 5ta, 7ma, 17ava y 19ava armónica al igual que otras
armónicas presentes en el espectro de corriente, este
efecto se ha obtenido sin incurrir en diseño
de filtros para armónicas y análisis alguno de
resonancia. La tercera armónica se cancela debido a la
conexión delta, si se asume un sistema
relativamente balanceado.

Como se menciona al analizar los diferentes
tipos de cargas no lineales, en todo sistema de
distribución existe la quinta y séptima
armónica contenidas en diferentes niveles en el voltaje y
corriente de alimentadores primarios, ya sean estas provenientes
de clientes industriales, residenciales comerciales y de otro
tipo, si se conjugan diferentes grupos de
conexiones de transformadores de distribución desfasados
30 y 0 grados es posible una reducción de quintas y
séptimas armónicas. Esto puede ser valido para
instalaciones en edificios, industrias y
transformadores que alimentan a los clientes de tipo
residencial.

En base de la configuración mostrada
en la figura 16 y parte del circuito de la figura 10 se realizo
un flujo de carga asumiendo cargas no lineales con diferente
ángulo armónico pero de igual THDi, los resultados
se indican en la tabla 18.

Los resultados obtenidos en esta simulación
indican que:

• El ángulo armónico de cada
  carga influye mucho en la reducción armónica
  global.
• En los tramos interiores se puede
  apreciar que si existe una reducción significativa del
  THDi.
• El principio de reducción en base
  de colocar transformadores de distribución desfasados 30
  grados entre sí, efectivamente si surte efecto como se
  aprecia de los datos obtenidos en la simulación.
• El análisis matemático en
  base de las ecuaciones
  (16)-(21) es una buena referencia para mostrar el efecto de la
  reducción armónica de corriente en base de
  transformadores con grupos
  desfasados 30 grados, no obstante para un análisis a
  nivel de alimentadores primarios este principio no es muy
  exacto, ya que en este análisis intervienen otras
  variables
  las cuales pueden contribuir para que se de una
  reducción adicional en el THDi
  final.
• El hecho de obtener una reducción
  armónica en la corriente implica que las perdidas por
  efecto armónico en los cables del alimentador se
  reducen.
• La utilización de transformadores
  de distribución con cierto grupo de
  conexión abre una pauta para que se investiguen otros
  ángulos de defasaje con los cuales se pueda obtener
  iguales o mejores resultados en la reducción de
  armónicas.

9.
Discusión

Todo sistema de distribución en
este país es de tipo convencional lo que implica que se
hace necesario iniciar estudios sobre el efecto de las cargas no
lineales. Las grandes ciudades como Quito, Guayaquil y Cuenca son
las más proclives a tener una influencia de los efectos
nocivos producidos por cargas no lineales por lo que quizá
se vean en la condición de establecer medidas de carácter
correctivo, en cambio en
ciudades en crecimiento estas medidas pueden ser de carácter
preventivo las cuales involucran menores costos que las
anteriores.

Si se hace una evaluación
de las importaciones de
equipos a nuestro país se puede apreciar que en su
mayoría son cargas de tipo no lineal, pues como se
menciono al inicio de este articulo, el ahorro de
energía (energy saver) es la tendencia mundial en la
fabricación de equipos y seguirá siendo a futuro,
lo cual implica que todo aparato eléctrico poseerá
controles electrónicos.

Un escaso numero de cámaras de
transformación posee transformadores que tomen en cuenta
el factor K o el grupo de
conexión del transformador trifásico por lo que la
recomendación que se hace en este articulo sobre la
utilización de diferente tipo de grupo de conexión
entre transformadores puede ser valiosa para la reducción
armónica de la corriente en edificios nuevos e industrias de
nuestras ciudades.

La proyección de alimentadores
primarios debería ser muy bien planificada y analizada
teniendo en cuenta el tipo de cliente que se va
a alimentar, la longitud del mismo y por que no el grado de
contaminación armónica
esperada.

Luego de su construcción se debería monitorear
anualmente y mantener una estadística de su crecimiento y
variación de sus parámetros eléctricos
dentro de los cuales también se involucren las variaciones
pequeñas de voltaje (sags – swells),
armónicas en el voltaje y corriente y además de los
transitorios, todo cotejando con la época del año
en la que se hacen las tomas.

En la ecuación (3) X1rms es el
aporte de la componente fundamental, si este factor se incrementa
el THD obviamente disminuirá, es por esta razón que
al añadir cargas lineales al conjunto de cargas no
lineales se obtiene una reducción adicional en el THDi, lo
que a la postre da una reducción en la distorsión
armónica.

La calidad del
servicio no solamente implica una atención comedida al cliente sino
también en brindar un producto de
buena calidad. El
analizar el efecto de las armónicas sobre el sistema de
distribución es solamente un ítem dentro de lo que
involucra la calidad de energía por lo que es recomendable
que se capacite a los todos los profesionales de la rama
eléctrica en temas relativos a la calidad de
energía, también crear dentro de las empresas
eléctricas áreas de investigación sobre calidad de
energía, para que con criterio suficiente se pueda
contribuir a tener sistemas de
distribución confiables, seguros, libres
de disturbios eléctricos y para una apropiada
adquisición de equipos de protección, potencia y
medición compatibles con el nuevo entorno
no lineal.

10.
Referencias

1. Grady
   W. Mack, Gilleskie J. Robert Proceedings:Harmonics and how they
   relate to power factor. EPRI Power Quality Issues &
   Opportunities Conference (PQA’93),San Diego, CA, November
   1993.
2. Rice E. David Adjustable speed drive and
   power rectifier harmonics-their effect on power systems
   components. IEEE Trans. Ind. Appl, Vol IA-22, N° 1, Jan/Feb
   1986
3. Gunther W. Erich, Sabin D. Daniel, Mehta
   Harshad Proceedings: Update on EPRI distribution power quality
   monitoring project. EPRI Power Quality Issues &
   Opportunities Conference (PQA’93),San Diego, CA, November
   1993.
4. Ferguson G. N. Power quality improvement
   in a harmonic environment Power Smith Co. Power quality
   international
   1998,www.powerquality.net
5. Grady Mack PCFLO Version 5.3 loadflow and
   harmonics analysis- user manual,
   Department of Electrical & Computer Engineering, University
   of Texas at Austin, Austin TX 78712,
   May/1999.
6. Salazar José A. Influencia de las
   armónicas en las perdidas técnicas
   y sus repercusiones en la calidad del servicio IV Seminario
   nacional de control de
   perdidas de energía, Ambato-Ecuador,
   Nov/1998.
7. Emanuel A. E. Pileggi D.J. Gentile T.J
   Distribution feeders with nonlinear loads in the northeast
   U.S.A. : part I – voltaje distortion forecast IEEE.
   Trans. On Power Deliv. Vol 10, N°1, Jan/1995. Pag
   340-347.

11.
Anexo

Datos utilizados para el análisis del
circuito de la figura 10.
Potencia base 10 MVA.
Voltaje en alta subestación (A.V.): 138 KV
Voltaje en baja subestación (B.V.): 13.2 KV
Todos los datos en porcentaje a menos que se especifique la
unidad correspondiente.
Línea de transmisión

Datos del alimentador primario para 5 Km
:

Transformador 1.5 MVA
Conexión YY-aterrada
13.2/ 4.1 KV

Cargas:

Datos utilizados para el análisis del
alimentador primario con cargas no lineales ilustrado en la fig.
16.

Los datos de Línea de
transmisión y S/E son los correspondientes a los de la
figura 10.
Potencia base 10 MVA.
Transformadores de 150 KVA
Conexión DY1-aterrada, DZ0-aterrada
Grupos con ang. desfase 30 grados.

13.2 KV / 220 V

En el primario cada tramo con los siguientes
datos en %. Longitud de cada tramo 1.5
Km.

Cargas no lineales

Espectros de carga no lineal en cada
transformador

Resumen
Desde el punto de vista de la ingeniería eléctrica las cargas
eléctricas consideradas tradicionales desde hace
algún tiempo han tenido
un cambio
significativo, pues si bien inicialmente eran de tipo resistivo,
inductivo o capacitivo hoy en la actualidad se puede encontrar
cargas con un comportamiento diferente a los esperados. Si bien
con la electrónica de potencia se
estableció prácticamente la carga no lineal esta ha
contribuido a optimizar el uso de la energía, no obstante
que la misma puede generar problemas de
armónicas.
Este trabajo revisa ciertos parámetros eléctricos
que se ven afectados en una red de
Distribución típica debido al efecto de las cargas
no lineales. Se hace una análisis de los diferentes tipos
de armónicas encontradas a nivel de alimentador primario y
a nivel de barras de subestaciones de distribución y
generación, proponiendo adicionalmente ciertos métodos
matemáticos para encontrar la característica de las diferentes
armónicas. Se sugieren además ciertas
recomendaciones tendientes a mejorar la calidad de la
energía tanto en empresas de suministro eléctrico
así como en las instalaciones de clientes de la red
eléctrica, aprovechando equipos de tipo
electromagnético con el objeto de reducir costos y
condiciones peligrosas de resonancia.
Palabras claves: calidad de energía, armónicas,
transformadores, factor de potencia,
filtros.

Abstract
From the electrical engineering‘s point of view the
electrical load recognized like traditional, since many years ago
had changed significantly, because if from the first were
resistive, inductive or capacitive, today can find loads with a
diferent behavior with respect to indicated previously.
If well, with the power electronic born the nonlinear loads, this
had given its contribution for utilize the energy in better
state. Notwithstanding that the same electronic devices can cause
harmonic problems.
This article make a study of several parameters that are
influenced in a tipical utility due to non lineal loads. This
analysis include study of different harmonics in feeders,
substations and generation, moreover give some mathematic methods
order to find its characteristic. Various recomendations are
proposed to improve upon the power quality in facilities and
utilities, using electromagnetic principles for reduce cost and
dangerous conditions of resonance.

Autor:

José A. Salazar Paredes

Ingeniero eléctrico
Correspondencia a: Ing. José A. Salazar Paredes
C. O. El Dorado E.E. Quito S.A.-Yaguachi e Iquique
Zip Code 1701473 – Quito –Ecuador-
Sudamérica