curso calidad de potencia-definiciones de terminos

CALIDAD DE POTENCIAEQUIPO DE MEDICIÓN FLUKE 434 II ENERGY ANALYZER

CARACASMARZO 2013

OBJETIVOS.

• Presentar el alcance del Proyecto de Compensación Reactiva.

• Presentar los criterios de selección de las subestaciones a Compensar.

• Describir los conceptos y definiciones básicas referentes a la calidad de energía.

• Mostrar las características y funcionalidad del equipo de medición de calidad de energía, Fluke 434 II Energy Analyzer.

• Realizar demostraciones del equipo. Prueba del equipo.

OBJETO DEL PROYECTO:

– Instalación de compensación capacitiva (900 MVAR) en 13,8 kV.

– Supervisión y Control Local y Remota (COD).

– Dotación de equipos para registro y pruebas para 20 grupos de trabajo.

– Transferencia tecnológica y adiestramiento del personal de Corpoelec.

ALCANCE DEL PROYECTO:

– Suministro, Instalación, Conexionado, Pruebas y Puesta en Servicio de:

• 150 Bancos de Condensadores de 6 MVAr (Aprox. 75 Subestaciones 115/13,8 kV).

• Unidades Terminales Remotas de SCADA para 86 subestaciones (56 a 115/13,8 kV y 30 a 34,5/13,8 kV), IHM local en las subestaciones atendidas (115/13,8 kV) .

• Equipos para un Centro de Control General y 19 C.O.D. regionales esclavos .

– Equipamiento de registro, pruebas y mantenimiento para 20 grupos regionales.

– Entrenamiento y transferencia tecnológica.

RESUMEN DEL PROYECTO DE COMPENSACIÓN REACTIVA

DIAGRAMAS TRIFILARES

Banco de 6 MVAR una etapa Banco de 6 MVAR, dos etapas

(4 + 2 MVAR)

PLANTA Y CORTE DE UN BANCO DE UNA ETAPA

PLANTA Y CORTE DE UN BANCO DE DOS ETAPAS

CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE SUBESTACIONES A SER INTERVENIDAS EN EL PROYECTO

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE SUBESTACIONES

Los criterios a considerar para seleccionar las subestaciones a compensar:

1. Subestaciones a 115/13,8 kV.

2. Mayor capacidad de transformación instalada.

3. Mayor factor de utilización de las unidades de transformación.

4. Bajo FP durante lapsos prolongados en la mayoría de los días (presencia de cargas industriales, comerciales y/o residenciales de alto consumo).

5. Bajo nivel del voltaje, CTBC al tope superior.

6. Sección de barra que consuma 6 MVAR o más de manera continua o durante lapsos prolongados.

7. Bajo nivel de distorsión de armónicas.

8. Disponibilidad de espacio físico.

9. Facilidades para ejecución de los trabajos (capacidad firme o de transferencia, planos actualizados, etc).

10. Plan de sustitución de transformadores, ampliación de SSEE, compensación en redes y SSEE.


1. Se realizó una propuesta inicial de subestaciones a 115/13,8 kV en 19 de los 23 estados, con una distribución similar por estado. Se consideraron los siguientes criterios generales:

a. Centros de carga.

b. Mayor capacidad de transformación instalada.

c. Mayor factor de utilización de las unidades de transformación.

d. Bajo FP durante lapsos prolongados en la mayoría de los días (presencia de cargas industriales, comerciales y/o residenciales de alto consumo).

e. Bajo nivel del voltaje, CTBC al tope superior.

f. Plan de sustitución de transformadores, ampliación de SSEE, compensación en redes y SSEE.

2. En una segunda etapa (actualmente en ejecución) se toman mediciones de carga en los circuitos de 13,8 kV (lado de media tensión de los transformadores de potencia 115/13,8 kV), para establecer prioridades y selección de los bancos a instalar.

ARAGUALa Morita*.Aragua*.San Ignacio*.San Vicente*.Villa de Cura I*.Cagua*.

CARABOBOSanta Clara*.Carabobo*.Bejuma.Flor Amarillo.Valle Seco.Bárbula.

MIRANDAOcumare*Charallave II*Alvarenga

FALCONJudibana.Punto Fijo.Coro I.

ANZOATEGUIBarcelona.Cuartel.Guaraguao.El Tigre II.El Tigre III.El Roble.

YARACUYChivacoa.Yaritagua.

SUCRETres Picos.Manzanares.Cumaná II.Carupano.

MONAGASMaturín.La Paz.Muscar.Travieso

DELTA AMACUROTucupita*.

BOLÍVARLos Olivos.San Félix.Oeste Aeropuerto.

APURESan Fernando.Guasdualito.

BARINASSanta Bárbara*.Barinas II*.Barinas III*.

TÁCHIRALa Fria.Concordia.San Cristobal I.San Cristobal II.

MERIDAMérida I.El Vigia.

PORTUGUESAAcarigua I.Araure.Guanare.

TRUJILLOValera I.Valera II.

COJEDESTinaquillo.San Carlos.

AMAZONASPuerto Ayacucho.*

GUARICOSan Juan.Calabozo I.Valle de la Pascua I.

* Se encuentran definidas según las mediciones y se encuentran en fase de ejecución.


CALIDAD DE POTENCIA

MEDIDAS PARA GARANTIZAR LA CONTINUIDAD DEL SERVICIO.-

1. Minimizar los índices de falla mediante:

• Diseño apropiado de las instalaciones.

• Instalación, Montaje y Conexionado adecuado de equipos y sistemas.

• Equipos y sistemas que cumplan con las características requeridas y la normativa técnica y de calidad.

• Operación dentro de los límites establecidos por normas y el fabricante (evitar exceder las sobre-solicitaciones).

• Cumplir con los programas de mantenimiento adecuados, así como disponer de los repuestos adecuados para los equipos y sistemas.

2. Reducir los tiempos de reposición.

3. Disminuir los efectos de los mantenimientos (predictivo, correctivo).

CALIDAD DE SERVICIO.

MEDIDAS PARA REDUCIR LOS EFECTOS DEL MANTENIMIENTO Y CONTINGENCIAS.-

1.Redundancia en equipos y sistemas clave y/o capacidad firme.

2.Flexibilidad operativa (esquemas o arreglos que permitan la transferencia de cargas).

3.Equipamiento con bajos niveles de mantenibilidad.

4.Procesos adecuados, sencillos y estructurados.

5.Supervisión del estado operativo de los equipos.

6.Uso de sistemas de supervisión de la instalación y automatización.

7.Reducir los tiempos de reposición.

8.Dotación de herramientas y repuestos.

9.Adiestramiento del personal.

CALIDAD DE SERVICIO.

CALIDAD DE POTENCIA (POWER QUALITY).

Calidad de potencia (Power Quality) está relacionada con la calidad del voltaje en un circuito.

NORMATIVA APLICABLE.-

• IEC 61000-2-2 (Media tensión y distribución pública).

• IEC 61000-2-4 (Media tensión y industria).

• IEC 61000-4-30

• IEEE 519

• EN 51160 (Media Tensión y Distribución).

• COVENIN 1107:11

La norma IEC61000-4-30 define la medición de la calidad de potencia y los instrumentos de medida de la calidad de potencia.

Para los métodos de medida se definen tres clases:

a) Clase A: usado cuando se requiere de instrumentos de gran precisión (para efectos contractuales) define métodos de medición y técnicas detallasdas como precisión de reloj, métodos de cálculos de valores RMS, así como métodos de procesamiento de datos.

b) Clase S: usado para muestras cualitativas, aplicaciones de detección de problemas y aquellas aplicaciones en las que no se requiere una baja incertidumbre.

c) Clase B: Usado para muestras estadísticas y aplicaciones contractuales.

La norma se limita a los fenómenos extendidos en el sistema de alimentación (frecuencia, amplitud del voltaje de alimentación (RMS), flickers, dip/swell/interrupción del suministro de tensión, sobretensión transitoria, desbalance del voltaje de fuente, fluctuación rápida de voltaje, armónicos de voltaje).

CALIDAD DE POTENCIA (POWER QUALITY).

DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOS

Las definiciones clásicas de los parámetros eléctricos se efectuaron considerando ondas sinusoidales puras, es decir a la frecuencia fundamental (50 o 60 Hz).

Los medidores de calidad de servicio, como mínimo, estarán en capacidad de medir:

•Valores eficaces de voltaje y corriente (Promedios, Máximos y Mínimos).

•Potencia Activa, Reactiva y Aparente (por fase y total).

•Factor de potencia (por fase y promedio).

•Distorsión Armónica total.

•Captura de variaciones en la onda de corriente y voltaje.


Potencia Activa (P): Magnitud asociada a la pérdida por efecto Joule y/o ejecución de trabajo útil.

Potencia Reactiva (Q): Magnitud asociada al campo magnético generado por la circulación de corriente en un conductor. Intrínseca en las líneas de transmisión e imprescindible en el caso de las máquinas eléctricas. También es la resultante del campo eléctrico producido por la aplicación de un voltaje en líneas, condensadores y/o cualquier elemento aislado.

Potencia Aparente (S): Efecto combinado de ambas potencias.

Factor de potencia (fp): Equivalente a la tangente del ángulo formado por las potencias Activa y Reactiva, para una misma frecuencia.

PARÁMETROS EN LA RED ELÉCTRICA OPERANDO A LA FRECUENCIA INDUSTRIALOPERANDO A LA FRECUENCIA INDUSTRIAL

• La Potencia Activa circula desde las barras con voltaje “adelantado”.

• La Potencia Reactiva circula desde las barras con mayor voltaje hacia las barras de menor voltaje.

• La potencia Reactiva asociada a campos magnéticos tiende a contrarrestarse con la asociada a la potencia asociada al campo eléctrico (ángulo de desfasaje).

P

QEn atraso

En adelanto

EntregaGeneración/Venta

ConsumoCompra


DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOSMEDICIÓN DE PARÁMETROS EN LA RED ELÉCTRICA

• La fuente de potencia son los generadores que incrementan su potencia mecánica para aumentar su controlador (gobernador).

• Se consume como perdidas en las líneas y como trabajo útil. en las cargas En los generadores y transformadores ( perdidas despreciables)

Potencia Activa

• Puede ser producida por el generador (excitatriz), por las líneas y cables en vacío, bancos de condensadores (Shunt y Serie) y por Compensadores estáticos de VARes (SVC).

• Se consume en las líneas, cables transformadores, motores, reactores, bancos de condensadores y SVC.

Potencia Reactiva

DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOSMEDICIÓN DE PARÁMETROS EN LA RED ELÉCTRICA ONDA TOTAL

La modificación que sufren los parámetros por efecto de la distorsión armónica (Valor eficaz).

Voltaje y corriente: varía el factor de cresta, pudiendo resultar mayor o menor que √2 asociado a una onda senoidal del mismo RMS (Valor Medio Cuadrático).

Potencia Activa: Para una misma carga útil, se incrementa por la circulación de las armónicas que generan pérdidas en los elementos de la red.

Potencia Reactiva: Este concepto solo aplica a la frecuencia fundamental, por lo que no se ve afectado por la distorsión armónica.

Potencia Aparente: Para una misma carga útil, se incrementa en la medida que se incrementa la potencia activa (único factor que contribuye al aumento).

Potencia Activa

Potencia Reactiva

Potencia Aparente

Factor de Potencia

Cos


DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOSINDICADORES ESENCIALES DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA

Medidas en condiciones reales de operación:

Potencia activa medida: Pat = P1 + P2 + P3 + P4 + … + Pn

Potencia reactiva medida: Solo aplica para la componente fundamental.

Potencia aparente: S = Pf + Qf + D (Efecto de la distorsión armónica)

En sistemas desbalanceados :

Potencia activa medida: Pf = Pcarga + Ppérdidas

Esta puede ser desglosada en Pf = P sec.pos + P sec.neg + P sec.cero

En la medida que los valores de secuencia negativa y secuencia cero son mayores, se evidencia una mayor diferencia con respecto al óptimo de minimizar pérdidas en circuitos de distribución o transmisión.

INDICADORES ESENCIALES DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICARELACIÓN ENTRE FACTOR DE POTENCIA Y THD

Cuando el voltaje es sinusoidal (solo componente fundamental).

P = Pf = Vf . If . Cos ø1

Fp f = Cos ø1 = Pf / Sf

Cuando el voltaje en ondas distorsionadas.

Fp = P / S = (V1. I1 . Cos ø1) / V1 . I RMS = Cos ø1 / √(1 + THDf2)

DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOSINDICADORES ESENCIALES DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA

Medidas en condiciones reales de operación:

•Potencia activa : Pat = P1 + Parmónica

•Potencia activa : P1 = V1 sec.pos . I1 sec.pos. Cos ø1

•Potencia armónica: Parm = ∑Vn sec.pos . In sec.pos. Cos øn

•Potencia desequilibrio: Pdesequilibrio = P sec.neg. + Psec.cero

En general en la norma IEC 61000-4-30 se recomienda el uso de la ventana de 10/12 ciclos para frecuencias de 50/60 Hz respectivamente.

GRÁFICO DE POTENCIAS

DISTORSIONES DE VOLTAJE

1. Sobretensiones transitorias o impulsos: Producidas por descargas atmosféricas y/o maniobras de equipos de alta tensión.

2. Swells y Sobretensiones: Momentáneos incrementos de voltaje hasta 110% de valor nominal durando entre 0,5 ciclos y 60 ciclos. Cuando un incremento de voltaje dura más de 1 minuto se denomina sobretensión.

3. Dips/Sags: Descensos momentáneos en el voltaje. Este descenso es típicamente 10 a 90% del voltaje nominal con duración entre 0,5 ciclos y 60 ciclos.

4. Cuando un SAG dura más de un minuto se denomina subtensión y una pérdida completa de potencia se identifica con interrupción.

5. Flicker: Fluctuación de voltaje repetida periodicamente.

DISTORSIONES DE VOLTAJE

1. Fluctuación de frecuencia: La fluctuación ocurre debido a un cambio de balance de la potencia efectiva entre la fuente y la carga, o un incremento o decremento excesivo de la carga.

2. Armónicos: son aquellas formas de onda de corriente y/o voltaje múltiplos de la frecuencia fundamental (50/60 Hz), que se generan por fenómenos asociados a conmutación de equipos.

3. Distorsión Armónica: corresponde a formas de onda distorsionadas de corriente y/o voltaje.

DISTORSIONES DE LA FRECUENCIA

DISTORSIÓN ARMÓNICADEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOS

Cargas no lineales.

Saturación de los transformadores

Corrientes de Inrush y de Outrush

Causas

Variadores de velocidad.Hornos eléctricos.Convertidores.

Transformadores.Bancos de Condensadores.

En general, la distorsión armónica se produce a nivel de las corrientes de carga, que afectan en mayor o menor grado al voltaje en el punto dependiendo de la inercia de la red en la región.

Cargas lineales:

DISTORSIÓN ARMÓNICA

• Presentan una impedancia constante cualquiera sea el voltaje AC aplicado (motores AC , lámparas incandescentes, etc.).

• La forma de onda de corriente medida sobre estas cargas es la misma que presenta el voltaje, y toda la energía provista por la fuente AC es consumida y la forma de onda de la carga es igual a la forma de onda del voltaje, casi en su totalidad la sinusoidal de 60Hz.

• Las cargas no lineales no presentan una distorsión visible en corriente y tensión.

Cargas No lineales:

• Se conmutan a una frecuencia mayor que la frecuencia fundamental suplida por la fuente.

• La distorsión de la forma de onda de corriente está asociada al funcionamiento de la carga y su efecto sobre la onda se observa en la forma de onda del voltaje en la medida que el punto sea más sensible.

• El impacto sobre el sistema eléctrico depende de la cantidad total de distorsión presente, tamaño del sistema de distribución y la impedancia de los cables conectados y tramos. En general, los armónicos de baja frecuencia son más serios que los de alta frecuencia, porque tienen más energía. Sin embargo, los armónicos de alta frecuencia pueden causar problemas con la comunicación y los equipos de control.

Cuando la onda de corriente o voltaje presenta otros componentes además de la fundamental, se produce una distorsión de la forma de onda sinusoidal (fundamental).

La unidad de medida de la distorsión se denomina Distorsión Armónica Total (THD), la cual es un valor calculado, adimensional (porcentual).

Según la Norma IEC 61000-2-2, se definen:

•La Distorsión Armónica Total respecto a la fundamental (THDF).

•La Distorsión Armónica Total respecto a l valor RMS(THDR).

Ik : Valor RMS de cada armónica.I1: Valor RMS equivalente de la componente fundamental.


La existencia de dos definiciones de distorsión armónica total puede causar ambiguedad y malinterpretación de los datos medidos.

•La Distorsión Armónica Total THDF está definida en comparación con la fundamental, y debe ser adoptada en evaluación de sistemas de potencia.

•La Distorsión Armónica Total THDR está definida respecto a la relación media cuadrática de la señal y es usada principalmente en amplificadores de audio para medición de la linealidad del sistema y su valor numérico el cual es siempre menor que 1.

DISTORSIÓN ARMÓNICAINDICADORES ESENCIALES

La distorsión impar es causada por las cargas no lineales está organizada en tres grupos:

1.Armónicos de secuencia positiva: Proveen una secuencia rotacional en la misma dirección de la fundamental. Corresponden principalmente a las armónicas 7, 13 , 19, etc.

2.Armónicos de secuencia negativa: Proveen una secuencia rotacional en dirección opuesta de la fundamental. Corresponden principalmente a las armónicas 5, 11 , 17, etc.

3.Armónicos de secuencia cero: Aquellos armónicos que no están en fase con ninguno. Corresponden a los múltiplos de la tercera armónica 3, 9, 15, etc.


• Sobrecarga en conductores por incremento de la IRMS

• Sobrecarga en conductores de neutro por circulación de corriente de 3ra armónica.

• Pérdida de vida útil de condensadores por calentamiento.

• Distorsión del voltaje que afecta a cargas sensibles conectadas a un mismo punto.

• Disturbios en redes de comunicaciones cercanas.

• Resonancia con fallas de aislamiento.

Efectos

En general, las armónicas que se producen con mayor frecuencia y con mayor intensidad corresponden a la 3, 5, 7 11 y 13.


Corriente de Inrush.Es una alta corriente instantánea al momento de energización de un equipo.

Desbalance El desbalance es generado por el incremento/reducción de la carga conectada a cada fase, operación parcial de un equipo, distorsión de la forma de onda de corriente/tensión, caída de voltaje, etc.

Inter-armónicosSon generados por una distorsión en la forma de onda de voltaje/corriente y consiste de armónicos de ordenes no enteros.

DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOSMÉTODOS CLÁSICO Y UNIFICADO

Método Unificado (Desarrollado por la Universidad Politécnica de Valencia y usado por Fluke).

• Considera la descomposición de la frecuencia fundamental, potencia activa y reactiva de secuencia positiva, así como las corrientes en dos cantidades (una debida la las cargas activas y reactivas y la otra causada por desbalances). La descomposición de las potencias activas y reactivas y corrientes dan información adicional.

• Considera que los desbalances pueden originar potencias activas y reactivas y corrientes adicionales (que pueden tener el mismo signo), pudiendo entonces incrementar o disminuir las potencias activas y reactivas totales y la corriente.

• Expresa las mediciones de potencia y energía que cuantifican directamente la energía pérdida en un sistema eléctrico (usan una combinación de métodos clásicos IEEE 1459-2010, y cálculos matemáticos de la Universidad Politécnica de Valencia).

Método Clásico.

• Sistema de medición de potencia basado en los métodos de cálculos tradicionales (Steinmetz), considera la potencia activa y reactiva de un sistema cuya forma de onda es senoidal.

MEDIDAS EN CONDICIONES REALES DE OPERACIÓN

• En el sistema de 13,8 kV de CORPOELEC (CADAFE), la distribución es de tres hilos con cargas conectadas entre fases, por lo que el desbalance será, prácticamente, en su totalidad de secuencia negativa.

• En sistemas de media tensión con neutro corrido y cargas conectadas entre fase y tierra, la componente de secuencia cero se hará más significativa con el desbalance.

• En el sistema de tres hilos de 34,5 kV de CORPOELEC (CADAFE) se presenta una combinación de ambos tipos de desbalance. Esto se debe a la conexión de los transformadores tipo “Unicornio”, en cargas intermedias, mientras que los transformadores de las subestaciones rurales 34,5/13,8 kV por su conexión Delta-Estrella puesta a tierra solo incorporará secuencia negativa en los desbalances.

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