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Planteamiento de metodología e integración de soluciones para
mejora de la calidad de tensión en los sistemas eléctricos de
distribución Darwin J. Medina Ormeño
Angel Ttito Huarayo
PLANTEAMIENTO DE METODOLOGÍA
E INTEGRACIÓN DE SOLUCIONES PARA
MEJORA DE LA CALIDAD DE TENSIÓN
EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE DISTRIBUCIÓN
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Darwin J. Medina Ormeño &Angel Ttito Huarayo
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0423
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.
En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.
Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
1
“PLANTEAMIENTO DE METODOLOGÍA E INTEGRACIÓN DE SOLUCIONES PARA MEJORA DE LA CALIDAD DE TENSIÓN
EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE DISTRIBUCIÓN”
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación, se propone una metodología adecuada para el análisis de sistemas eléctricos de distribución con fines de proponer mejoras de la calidad de producto tensión, dicha metodología integra soluciones convencionales, estableciendo una secuencia lógica de procedimientos a aplicar en función de parámetros y condiciones predefinidos.
Estos parámetros y condiciones han sido obtenidos por medio de análisis del perfil de tensión y de carga de los alimentadores en media tensión (MT), empleando para ello la información de registros de medición de tensión, potencia, y energía, y los datos técnicos de los componentes del sistema eléctrico, apoyándose para los cálculos en los programas computacionales Cymdist, Small World, Access y Excel. Adicionalmente se han considerado los criterios, recomendaciones y especificaciones técnicas de fabricantes y empresas relacionadas al sector eléctrico.
PALABRAS CLAVE: Calidad de producto tensión, metodología, perfil de tensión, perfil de carga, integración de soluciones.
Autores:
Darwin J. Medina Ormeño Planeamiento Eléctrico – Proyectos y Obras [email protected] [email protected]
Angel Ttito Huarayo Jefe de la Unidad Proyectos y Obras [email protected] [email protected] Electro Dunas S.A.A., Unidad de Proyectos y Obras, Panamericana Sur km 300.5, Ica – Perú.
I. INTRODUCCIÓN
El objetivo de un sistema eléctrico de distribución es brindar un nivel satisfactorio de la prestación de los servicios eléctricos garantizando a los clientes un suministro de electricidad de manera continua, adecuada, confiable, oportuna y de calidad.
Un servicio de buena calidad implica cumplir con los estándares establecidos en la normatividad correspondiente a calidad de la energía eléctrica, los cuales garantizan el suministro eléctrico continuo, el funcionamiento seguro y adecuado de los equipos eléctricos y por ende el bienestar del cliente final.
En el Perú, se aplica la Norma Técnica de Calidad de Servicios Eléctricos (NTCSE), en la cual “se establecen los aspectos, parámetros e indicadores sobre los que se evalúa la Calidad del Servicio de la Electricidad. [�] Se fijan las tolerancias y las respectivas compensaciones y/o multas por incumplimiento.” [Ref. 1]. El control de la calidad es realizado sobre cuatro (04) aspectos:
• Calidad de Producto (Tensión, Frecuencia y Perturbaciones).
• Calidad de Suministro (Interrupciones)
• Calidad de Servicio Comercial (Trato al Cliente, Medios de Atención, Precisión de Medida), y
• Calidad de Alumbrado Público.
De estos aspectos, uno de los más importantes es la calidad producto tensión, dado que una mala calidad de tensión puede ocasionar mal funcionamiento o daño de equipos y paralizaciones de procesos productivos, generando malestar a los clientes. Siendo la subtensión el fenómeno más frecuente que produce estos problemas.
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Uno de los retos más importantes para las empresas concesionarias de distribución de energía eléctrica es superar la mala calidad de tensión, ya que además de ocasionar malestar y reclamo de los clientes, originan pérdidas técnicas de potencia y energía, compensaciones y/o penalidades, los que finalmente afectan en forma negativa los ingresos económicos de las empresas.
2
Dentro de los factores que afectan la calidad de tensión se pueden mencionar:
a. Externos,
• Perturbaciones inyectadas a las redes eléctricas por agentes del sistema eléctrico o causadas por fenómenos naturales o aquellas inyectadas por los mismos usuarios.
b. Propios,
• Infraestructura, con diseño inicial del sistema de distribución sin considerar las nuevas tendencias de evolución. Así tenemos sistemas en 10kV no preparados para cambiar de nivel de tensión.
• Inadecuada configuración de topología y equipamiento de las redes de distribución. Por ejemplo sistemas con topología radial y transformadores de distribución con relación de transformación que no permiten regular la tensión de manera adecuada.
• Sobrecarga y presencia significativa de reactivos en las redes de distribución, producto del crecimiento acelerado de la demanda.
De esta relación, las empresas pueden ejercer control sobre los factores propios, realizándose generalmente un análisis especifico e implementándose soluciones de manera independiente y aislada para la mejora de la calidad de tensión, y que no siempre resultan siendo las más adecuadas, ya que pueden resultar muy costosas o insuficientes.
III. PROPUESTA DE SOLUCIÓN
El presente trabajo propone una metodología adecuada para el análisis de la mala calidad de tensión, la cual considera una evaluación general del sistema eléctrico de distribución, y la selección e integración de soluciones aplicables, con el objetivo de obtener la
mejora de la calidad de tensión.
Descripción de los Sistemas Eléctricos de Distribución Por lo general se inician desde
subestaciones de transformación (SET)
AT/MT, y están compuestos por
alimentadores en MT cuyos niveles de
tensión generalmente son en 10kV y
22.9/13.2kV [Ref. 4], siendo el sistema
eléctrico en 10kV el más sensible a
presentar problemas de calidad de tensión.
Estos alimentadores abastecen a
subestaciones de distribución (SED)
MT/BT, las cuales atienden a clientes en
MT y/o distribuyen la energía a través de
redes de BT a clientes finales.
Soluciones Convencionales para la Mejora de la Calidad de Tensión Existen múltiples soluciones con
aplicaciones en media y baja tensión, con
costos y resultados diversos. Entre las más
utilizadas se encuentran:
• Afinamiento del despacho de tensión en
barras de MT.
• Implementación de Bancos de
Condensadores.
• Determinación de la posición adecuada
del TAP de los transformadores de
distribución.
• Implementación de reguladores de
tensión en redes de media tensión.
• Reemplazo de conductores por otros de
mayor sección y/o implementación de
nuevos circuitos en paralelo (Refuerzo
de red).
• Cambio a nivel superior de tensión.
• Reconfiguración de redes de
distribución.
• Implementación de generación
distribuida.
• Implementación de nuevos centros de
transformación y/o distribución.
Parte de estas soluciones son aplicadas
con otros objetivos (reducción de pérdidas
técnicas, mejora de la confiabilidad y
aumento de la capacidad de distribución o
transformación) pero traen en el fondo un
beneficio asociado a la mejora de la calidad
de tensión.
Metodología Propuesta para el Análisis e Integración de Soluciones
De las soluciones convencionales, se ha
seleccionado aquellas que son de
aplicación práctica y que tienen mayores
efectos en la mejora de la calidad de
tensión, y que además no implican grandes
cambios en la red de distribución:
3
• Afinamiento del Despacho de Tensión
en barras de MT.
• Implementación de Bancos de
Condensadores a nivel de MT.
• Determinación de la posición adecuada
de TAP de Transformadores de
Distribución.
• Implementación de Reguladores de
Tensión en redes de media tensión.
Para el análisis se propone que sigan la
metodología representada en la Fig. 11.
Con la finalidad de mostrar los resultados
de la aplicación de la metodología
propuesta, se tomó como ejemplo, el
estudio del alimentador IC107 en 10kV.
Los cálculos se realizaron en base a
simulaciones de flujo de carga, utilizando
en este caso, la herramienta computacional
de CYME International Cymdist, con datos
técnicos y topología de la infraestructura
eléctrica del Sistema GIS (GE Small World)
de Electro Dunas, y la información de
consumos de energía del Sistema Comercial SIGCOM. Adicionalmente se
utilizaron los registros de potencia, energía,
tensión y otros parámetros de los
medidores a nivel de barras y
alimentadores.
Descripción de la Metodología: A continuación se describe la metodología
planteada, asimismo se deberá tomar en
cuenta las siguientes premisas:
- El alimentador a estudiar presenta
problemas de calidad de tensión.
- Cada vez que se aplique una solución,
se deberá actualizar los parámetros,
tales como valores de tensiones
máximas o mínimas y de ser necesario
se deberá volver a realizar un flujo de
carga con los nuevos datos y/o equipos
ingresados.
- La evaluación de las condiciones, están
orientadas a validar todos los valores
correspondientes al parámetro referido,
1 Los gráficos y figuras se adjuntan en el Anexo
01 Parte B.
es decir, cuando se describe la
condición: ∆��� ����. �. � ≤ 0.073,
significa se validara el parámetro
∆��� �. �. �, para cada nodo “i”.
Paso 1. Análisis del Perfil de Despacho de tensión y demanda en barras MT
Consiste en evaluar el perfil de tensión y
demanda en barras de MT,
determinándose los siguientes parámetros:
����� = Tensión Máxima de despacho registrada en la barra MT.
����� = Tensión Mínima de despacho registrada en la barra MT.
∆�� = Ancho de banda de Tensión de despacho en la barra MT
∆�� = ����� − �������.........................(1)
���� = Número promedio de operaciones por día del conmutador de tensión.
Adicionalmente, en este punto se procede
a determinar los dos (02) escenarios
(máxima y mínima tensión presentada en
los extremos de la red de distribución, para
el presente trabajo se les denominara
escenarios de máxima y mínima tensión
respectivamente) que servirán para la
evaluación de las soluciones mencionadas
en la metodología propuesta.
Determinación de los escenarios de máxima y mínima tensión: Se analiza el día de máxima demanda de
un mes representativo, del cual se obtiene
el gráfico simplificado de tensión y
demanda (Fig. 3), en este gráfico se puede
apreciar el comportamiento de la demanda
y tensión en periodos determinados. Luego
de identificar los valores máximos y
mínimos de demanda y tensión por cada
periodo, se procede a evaluar cada uno de
estos para determinar los escenarios más
críticos en los cuales se presenten la
máxima y mínima tensión en los extremos
del alimentador en estudio, esto es
realizado mediante el cálculo estimado de
caída de tensión utilizando el artificio de
4
momento eléctrico (Ver Anexo 01 Parte C).
Una vez determinados los escenarios más
críticos, se procede a realizar simulaciones
de flujo de carga con los parámetros
correspondientes de tensión y potencia de
cada escenario. Ir al Paso 2.
Paso 2. Afinamiento del Despacho de Tensión en Barras de MT Consiste en determinar y configurar los
parámetros más apropiados para el
despacho de tensión en barras de MT. La
aplicación y obtención de los resultados en
la red de distribución, depende del tipo de
regulación de tensión que exista en la SET
AT/MT: Automática, Manual o Fija (Ver
Anexo 01 Parte A).
Procedimiento: Según corresponda el tipo de regulación
tenemos:
Despacho con Regulación Automática,
Se evalúan los parámetros del perfil de
tensión y el número de operaciones del
conmutador bajo carga: ����� , ����� ,∆��, ����
Según estos valores se podría presentar:
a. ��: ������. �. � ≤ 1.05, ∆���. �. � ≥0.05 ! ���� < 20 JJJJJJJJJJ.(2)
Entonces, se puede deducir que la
regulación de despacho de tensión es
inadecuada (Fig. 4), por tanto es posible
configurar los parámetros del regulador
para obtener una mejora del perfil de
tensión, es decir “afinar” estos valores de
manera que se pueda reducir el ancho de
banda de tensión de despacho (∆���.
Conforme se aprecia en el gráfico de la Fig.
6, el ancho de banda de tensión se va
incrementado aguas abajo del alimentador,
por lo que el objetivo de este paso, es tener
un ancho de banda de tensión en el
despacho, lo más “angosto” posible y con
una tensión máxima lo más cerca del 1.05
p.u. verificando de no exceder las veinte
(20) operaciones promedio por día del
conmutador.
En la Fig. 5, se muestra un ejemplo de
despacho de tensión mejorado y en la Fig.
7, se muestra los efectos del afinamiento.
b. ��: ������. �. � ≤ 1.05, ∆���. �. � ≤0.5 ! ���� < 20 JJJJJJJJJJ.(3)
Entonces, se puede definir que la regulación de despacho es adecuada, pero se plantea la posibilidad de programar la regulación en función del horario de carga (Horas Fuera de Punta y Horas Punta), con lo cual se podría obtener un mejor perfil de despacho para el sistema de distribución. c. En los otros casos se deberá realizar un análisis más detallado de la regulación de tensión y evaluar cuáles son los posibles parámetros a regular. Despacho con Regulación Manual,
Consiste básicamente en determinar los
valores máximos y mínimos de tensión de
despacho más adecuados en los horarios
en los cuales es más probable la
subtensión y/o sobretensión en la red de
distribución. Además se requiere que estos
valores sean monitoreados a determinados
intervalos de tiempo, y sean regulados
manualmente para evitar que el despacho
no sobrepase los límites definidos,
logrando así indirectamente un despacho
programado. En la Fig. 8, se muestra un
perfil de despacho con regulación manual,
en este caso es necesario realizar un
análisis por horarios del día según el
diagrama de carga del sistema en estudio.
En la Fig. 9, se puede observar que mínima
tensión se da a horas cercanas al medio
día que coinciden con uno de los picos de
del diagrama de carga, por lo cual se
podría sugerir que en este horario sea
necesario que la tensión mínima de
despacho tenga el valor de 1.02 p.u.
Despacho con Regulación Fija,
Consiste en determinar la posición más
adecuada del TAP del transformador de
potencia, caso similar a un transformador
de distribución (Ver Paso 8).
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Ventajas: Generalmente no se incurre en costos mayores, dado que en la mayoría de casos solo requiere un análisis y reprogramación de los parámetros de regulación. Desventajas: No se obtienen buenos resultados si hay limitaciones de control de tensión en la transmisión. Una vez concluida la evaluación, ir al Paso
3.
Paso 3. Análisis del Factor de Potencia Consiste en evaluar el factor de potencia
del alimentador, para conocer los niveles
de reactivos que posee la red mediante el
análisis de los registros estadísticos de las
mediciones de potencia activa, reactiva y
factor de potencia del alimentador en
estudio, y así determinar la posibilidad de
implementar bancos de condensadores.
En este caso se debe evaluar la siguiente
condición:
i. Que el factor de potencia sea mayor a
0.95.
$. %. > 0.95JJJJJJJJJJ(4)
$. %. = Factor de Potencia.
De ser (4) verdadera ir al Paso 5, caso
contrario, es factible implementar bancos
de condensadores (Ir al Paso 4).
Paso 4. Implementación de Bancos de Condensadores
Consiste en mejorar el factor de potencia,
con la selección y ubicación más adecuada
de los bancos de condensadores.
Los bancos de condensadores pueden
implementarse a nivel de media y baja
tensión, en redes y suministros y pueden
ser fijos o automáticos, o ambos (mixtos).
Para el presente estudio se ha considerado
la evaluación de implementación de bancos
de condensadores fijos en MT.
Procedimiento:
Con los datos estadísticos de mediciones
de potencia activa y reactiva y el flujo de
carga para los escenarios de Máxima y
Mínima tensión se determina la capacidad
de los bancos para el F.P. a 0.95.
Adicionalmente con la herramienta del
Cymdist “Ubicación Óptima de Banco de Condensadores”, se puede obtener la
ubicación de estos bancos.
En la Fig. 10, se muestra el efecto de la
implementación de bancos de
condensadores fijos en la redes de media
tensión.
Ventajas: Su costo es relativamente bajo cuando son bancos fijos, y además trae como beneficio asociado, la reducción las pérdidas de técnicas. Desventajas: Requiere de estudios para determinar una ubicación adecuada, y por lo general debe emplearse herramientas computacionales sofisticadas, y deben adicionarse estudios relacionados a la distorsión de armónicos. Concluida la evaluación ir al Paso 5. Paso 5. Análisis de Tensión en MT En este caso se evalúan, luego de
efectuado el flujo de carga para los
escenarios de Máxima y Mínima Tensión,
las tensiones obtenidas por cada nodo de
la red:
�(�(��� = Tensión MT en el nodo “i” en el escenario de máxima tensión.
�(����� = Tensión MT en el nodo “i” en el escenario de mínima de tensión.
∆�(� ��� = Ancho de banda de tensión en MT, para el nodo i.
Evaluando las siguientes condiciones:
i. Que la mínima de tensión en MT sea
mayor 0.95p.u.
�(������. �. � ≥ 0.95 ….JJJJ.JJ(5)
ii. Que ancho de banda de tensión en
media tensión sea menor a 0.05p.u.
∆�(� ����. �. � ≤ 0.10 ….JJJJJJ(6)
De ser (5) y (6) verdaderas, ir al Paso 7.
Caso contrario ir al Paso 6 (Implementación
de Reguladores de Tensión).
6
Paso 6. Implementación de Reguladores de Tensión en redes de MT.
Consiste en determinar la necesidad,
capacidad y ubicación más adecuada de
Reguladores de Tensión, tomando como
base los perfiles de caída de tensión a lo
largo de la red de distribución.
El Regulador de Tensión, es un
autotransformador que tiene la capacidad
de variar la tensión de salida (por lo general
en ±10%) y para dicha variación cuenta con
pasos o tomas, que son activadas
automáticamente por un conmutador bajo
carga.
Procedimiento: Del flujo de carga se determinan los perfiles
de caída de tensión en MT para los
escenarios de Máxima y Mínima Tensión,
con esta información se procede a evaluar
la ubicación más adecuada del regulador ,
la que estará definida por el nodo que tiene
el valor �(���� más cercano al 0.95 p.u. y
su capacidad estará determinada por la
potencia máxima que trascurre por dicho
nodo.
Se determinara además los parámetros
según los cuales este equipo deberá
trabajar (Similar al paso 2).
En las Fig. 10 y 11, se muestran los efectos
en las caídas de tensión, por la
implementación de reguladores en MT.
Ventajas: Es un elemento que brinda mejores resultados para solucionar problemas de subtensión a nivel de MT. Desventajas: Es una alternativa de costo relativamente alto, y además al ser un autotransformador produce pérdidas técnicas.
Concluida la evaluación ir al Paso 7.
Paso 7: Análisis Inicial de Tensión en BT
Para esto se requiere de los perfiles de
caída de tensión en MT para los escenarios
de Máxima y Mínima Tensión (Flujos de
Carga), así como, las tensiones máximas y
mínimas en MT de cada nodo i en la cual
se conecte una SED.
Con los valores de tensión MT
(�(����� ! �(�(���) y la relación de
transformación propia del transformador de
distribución de cada SED, se procede a
calcular los valores de tensión a nivel de la
BT, así se determinan:
������� = Tensión en el nodo “i” en BT en el escenario de mínima tensión.
������� = *+,-��� .��/� ���������.�(7)
���(��� = Tensión en el nodo “i” en BT en el escenario de máxima tensión.
���(��� = *+,+��� .��/� ���������..�(8)
∆��� ��� = Ancho de banda o variación de Tensión en BT en el nodo i.
∆��� ��� = ���(��� − ��������.����.(9)
01 �3� =Relacion de transformación del transformador de distribución en la posición de TAP 3.
Se evalúa:
i. Que la mínima de tensión en BT sea
mayor 0.98p.u.
��������. �. � ≥ 0.98 ….JJJJ..J.(10)
iii. Que ancho de banda de tensión en
media tensión sea menor a 0.073p.u.
∆��� ����. �. � ≤ 0.073 ….JJJJJ.(11)
De ser (10) y (11) verdaderas, se concluye
con la metodología. Caso contrario ir al
Paso 8.
Nota: para mayor detalle de los valores
considerados en las ecuaciones (10) y (11)
ir al Paso 8.
Paso 8. Determinación de la Posición Adecuada del TAP de los Transformadores de Distribución.
Consiste en determinar la posición del TAP
del transformador que sea más ventajosa
para la red de distribución en BT.
Por lo general, los transformadores de
distribución cuentan con cinco (05)
7
posiciones, cada una con tomas de 2.5%,
según se muestra en la siguiente tabla:
TAP V mt (i) V btn (*)
1 10,500 V
230 V
2 10,250 V
3 10,000 V
4 9,750 V
5 9,500 V
Tabla 1: Posiciones de TAP y Tensiones en MT y BT.
Quiere decir que cada posición del TAP, define una relación de transformación (RT) diferente, la cual se usa para elevar o reducir la tensión en BT:
01 ��� = Relación de transformación en la posición del TAP correspondiente (i=1, 2, 3, 4 o 5).
01 ��� = *�3���*43� ����������(12)
�56��� = Tensión en el lado de MT del transformador de distribución.
�768��� = Tensión nominal en BT del transformador de distribución (Generalmente esta tensión tiene el mismo valor de la tensión en TAP 3).
Para el estudio se consideraron
transformadores con tensión nominales en
BT ��768� de �761= 220V y �762 =
230VJJJJJJJJJJJJJ..J(12)
Procedimiento:
Se obtiene los perfiles de caída de tensión
en MT para los escenarios de Máxima y
Mínima Tensión (Flujos de Carga), así
como, las tensiones máximas y mínimas en
MT de cada subestación de distribución i.
�(�(��� = Tensión MT en la subestación “i” en el escenario de máxima tensión.
�(����� = Tensión MT en la subestación “i” en el escenario de mínima de tensión.
Nota: estos paramaros fueron definidos en el paso 5, para este caso solamente se están considerando los nodos que estén conectados a SED.
Con los valores de tensión MT y la relación
de transformación propia de cada
transformador, se procede a determinar la
posición más adecuada de los TAPs de los
transformadores y sus valores de tensión a
nivel de la BT, Así se determinan:
Para cada nodo “i”, conectado a SED, las
tensiones reflejas en BT de las tensiones
máximas y mínimas en MT por cada TAP
del transformador.
��������19%:� = Tensión en el nodo “i” en BT en el escenario de mínima tensión, para la posición de TAP j.
��������19%:� = *+,-��� .��;� ������(13)
���(����19%:� = Tensión en el nodo “i” en BT en el escenario de máxima tensión, para la posición de TAP j.
���(����19%:� = *+,+��� .��;� ������.(14)
∆��� ����19%:� = Ancho de banda o variación de Tensión en BT en el nodo i, para la posición de TAP j.
∆��� ����19%:� = ���(����19%:� −�<15����19%:������������(15) Se establece una (02) condición para
proceder a revisar y determinar la posición
adecuada del TAP en los transformadores
de distribución:
i. Que la variación de tensión en baja
tensión sea menor a 0.073p.u.
∆=>?�@��?ABC��. �. � ≤0.073.................(16)
ii. Que la mínima de tensión en baja
tensión sea mayor a 0.98p.u.
∆=>?�@��?ABC��. �. � ≥0.98p.u. ............(17)
De cumplirse (16) y (17) para una
determina posición del TAP (TAPj) esta
será la posición más adecuada para evitar
la mala calidad de tensión en el nodo i.
De no cumplirse las condiciones en (16) y
(17), se determinara la posición de TAP
8
con la cual se obtenga el menor ancho de
banda de tensión en BT.
���(D =Tensión máxima de despacho permisible en BT en SED,
���(D = 231� = 1.05. �. ......................(18)
����D =Tensión mínima de despacho
permisible en BT en SED,
����D = 215�=0.98p.u. JJJJJJ..(19)
Por lo tanto:
∆���D = 231 − 215� = 16� = 0.073. �., el
cual es el ancho de banda o variación de
tensión permisible en BT en SED.
Nota: estos valores son el resultado de una
simulación de carga en BT para una
subestación típica, estos valores
representan las tensiones de despacho de
la SED más adecuadas para evitar
problemas de calidad de tensión en las
redes BT.
Ventajas: Es una alternativa de costo relativamente bajo, incide de manera directa a la red de BT. Desventajas: No es muy aplicable para tramos de redes MT que suelen formar parte de transferencia de carga entre alimentadores. A menos que se revalúe la posición del TAP. Paso 9: Análisis de Comprobación de Tensión en BT
Se realiza las mismas evaluaciones que en el paso 7, con la diferencia de que en esta evaluación se considera la posición del TAP resultado del Paso 8. De cumplirse las ecuaciones (10) y (11), se habrá culminado con la aplicación de la metodología. De lo contrario, volver a evaluar el Paso 6, tomando en cuenta los resultados de los análisis anteriores. 4. Nuevas Perspectivas a tomar en cuenta para la mejora de la Calidad de Tensión.
a) Regulación de Tensión en Barras de MT
Los reguladores de tensión de los
transformadores AT/MT se han convertido
en uno de los instrumentos indispensables
para mejorar los perfiles de tensión, por lo
que se debería optar por otros instrumentos
que posean mayores funcionalidades, tales
como, configurar diferentes ajustes de
regulación: por programación de horario
(Discriminar horarios de máxima y mínima
demanda), por día de la semana, o por
demanda de potencia.
Asimismo, con la automatización de las
subestaciones de transformación AT/MT, y
la implementación de sistemas SCADA a
nivel de la distribución, se considera que es
posible modificar la funcionalidad de la
regulación del despacho de tensión, la cual
hasta hoy solo opera en base a parámetros
de medición ubicados a la salida del
alimentador o barra MT, en este caso la
perspectiva es, que la regulación del
despacho de tensión obedezca además a
parámetros de tensión medidos a nivel de
la carga sobre todo en aquella ubicada al
final de la red de distribución (ver fig. 12)
Fig. 12: Nuevo enfoque funcional de Regulación de Despacho de Tensión
b) Transformadores de Distribución
Una de las acciones que las empresas de
distribución ejecutan con el objetivo de
reducir pérdidas técnicas es la “rotación de
transformadores de distribución” tomando
como base el factor demanda/capacidad,
no obstante es importante que se tomen
en cuenta los efectos sobre la calidad de
tensión, por lo que es necesario que se
evalúen adicionalmente los parámetros de
relación de transformación y tomas de los
Fuente Carga
AT/MT MT/BT
MM
9
TAPs, para lograr una mayor eficacia en la
solución de “determinación de la posición
de TAP del transformador” con fines de
mejorar la calidad de tensión en la red de
BT.
Por otro lado, las empresas de distribución
ya han optado por preparar sus sistemas
eléctricos para posibilitar en un mediano
plazo el cambio a un nivel superior de
tensión, con el objetivo de optimizar las
pérdidas de distribución y aumentar la
capacidad de la red de distribución, en este
caso una de las acciones iniciales, es la
implementación de transformadores de
distribución con doble nivel de tensión en el
primario y secundario, ejemplo: 10-
22.9/0.398-0.23kV, las cuales tienen
mayores rangos de regulación en 10kV (ver
cuadro 2), que permiten corregir mayores
niveles de caídas de tensión en MT.
TAP V1 MT V2 MT V
BT
1 11,146 V 24,045 V
398-230 V
2 10,573 V 23,473 V
3 10,000 V 22,900 V
4 9,427 V 22,327 V
5 8,854 V 21,755 V
Salto ± 5.7% ± 2.5%
Rango Reg. ± 10.5% ± 5.0%
Tabla 2: Posiciones de TAP y Tensiones en MT y BT en transfor.
10-22.9/0.398-0.230kV.
Asimismo, conviene evaluar el diseño de
transformadores de distribución, con
tensiones primarias menores a la tensión
nominal (Ejemplo: 90%Vn), modificación
del número y/o rango de variación de las
tomas o pasos, con miras a que estos sean
instalados en los tramos finales de las
redes de distribución en MT.
c) Administración de la Demanda
Otra de las acciones para optimizar la
distribución de energía, es el modelamiento
de la demanda, la cual consiste en reducir
los picos de consumo, y trasladarlos a las
horas de bajo consumo, para ello se debe
evaluar la posibilidad de aplicar un
incentivo a los grandes clientes en MT,
para que su mayor consumo lo transfieran
a horarios de mínima demanda.
IV. CONCLUSIONES
• El ancho de banda de tensión es creciente aguas abajo de la barra de despacho de MT, por lo que las variaciones de tensión se vuelven más críticas cuando más se alejan de la barra de despacho de MT.
• Se ha determinado que para facilitar una buena calidad de tensión a nivel de la red de BT, se pueden establecer como valores de referencia de despacho en barras de BT de las Subestaciones de distribución, los valores siguientes:
Vmáx: 231V
Vmín: 215V
Estos valores fueron calculados de la simulación de flujo de carga en una subestación de distribución típica.
• De acuerdo al análisis efectuado se concluye que en los casos que ya no es posible superar la mala calidad de tensión con soluciones básicas, con la implementación de reguladores de tensión, si se lograría ese objetivo, no siendo necesariamente la solución más económica, por lo que debe evitarse en lo posible, tanto por su costo inicial, como por
el incremento de las pérdidas técnicas.
• Se comprueba que la metodología planteada permite integrar, priorizar y definir la aplicabilidad de soluciones convencionales para mejorar la calidad tensión. Dicha metodología fue puesta en práctica con el caso del alimentador IC107 en media tensión (10kV) del Sistema Eléctrico Ica, obteniendo como resultado la aplicación de las siguientes soluciones: Afinamiento del Despacho de Tensión (Regulación Manual), Implementación de Bancos de Condensadores, Implementación de Reguladores de Tensión en MT y la Determinación de la Posición Adecuada del TAP de los transformadores de distribución (incluido Plan de Rotación de Transformadores).
V. RECOMENDACIONES
• Dado que la evaluación de la calidad de tensión se realiza en periodos
10
de mediciones de siete (07) días continuos, sería más ventajoso contar con un sistema informático que simule flujos de carga, considerando mediciones de carga y tensión cada 15 minutos (perfil de carga y tensión) con lo cual se simularían la aplicación de soluciones con resultados más próximos a las mediciones de calidad de tensión a nivel de clientes de media y baja tensión.
• Para mejor análisis de la solución de “determinación de la posición más adecuada del TAP de los transformadores”, se recomienda que las empresas, mantengan actualizados sus inventarios técnicos de sus transformadores de
distribución.
• El cambio de nivel de tensión es una de las alternativas más efectivas para solucionar los problemas de caída de tensión y reducción de pérdidas técnicas, pero su ejecución implica grandes inversiones, no obstante, si aún algunas empresas no lo han considerado, se recomienda ir a un cambio paulatino, empezando por implementar en las nuevas redes, materiales y equipos preparados para una posterior operación en un nivel de tensión superior.
• Se recomienda profundizar la investigación y aplicación de las nuevas perspectivas señaladas en el presente estudio, tales como, la Implementación de reguladores de tensión con mayores funcionalidades y comunicación de estas con las subestaciones de distribución, diseño e implementación de transformadores de distribución con características mejoradas en cuanto a relación de transformación, y la modelación de la demanda con miras a reducir la demanda máxima y por ende reducir los efectos de las caídas de tensión.
VI. BIBLIOGRAFÍA
1. Ministerio de Energía y Minas, Dirección General de Electricidad. Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos, Decreto Supremo Nº020-97-EM y Modificatorias, Lima - Perú.
2. CYME INTERNATIONAL INC. Manual del Usuario y de Referencia, CYMDIST bajo entorno de Windows, Junio 1997.
3. Ministerio de Energía y Minas, Dirección General de Electricidad. Código Nacional de Electricidad (Suministro 2011), R.M. Nº 214-2011-MEM/DM, Lima – Perú, Abril 2011.
4. Ministerio de Energía y Minas, Dirección General de Electricidad. Norma DGE “Bases para el Diseño de Líneas y redes Primarias para electrificación Rural”, Lima – Perú 2003.
5. Gerencia Regional de Distribución y Servicios ENERSIS S.A. – ENDESA, Especificación Técnica: Transformador de Poder (E-SE-001), Diciembre 2008.
6. L.U. Iurinic, V. H. Iurinic, M. O. Oliveira, Ubicación Óptima de Reguladores de Tensión en Sistemas de Distribución de Energía. Universidad de Misiones, CIDEL
Argentina 2010.
7. Shanghai Huaming. Manufactura de Equipos Eléctricos S.A., Manual de Instrucciones de Operación de Conmutador de Tomas Bajo Carga Modelo CM, Shanghai.
11
ANEXO 01
Parte A.
Definición de términos
BT: Baja Tensión
MT: Media Tensión
AT: Alta Tensión
Regulación Automática: requiere
conmutador de tensión bajo carga y su
respectivo controlador programable.
Regulación Manual: requiere conmutador
de tensión bajo carga con su respectivo
controlador no necesariamente
programable.
Regulación Fija: consiste en un
conmutador de tensión con operación sin
tensión.
Valores por Unidad (p.u.): Se consideran
los valores base de tensión para MT,
10000V y para BT, 220V.
Para el caso de la nomenclatura de
variables o parámetros de tensión en MT y
BT en p.u. [Expresadas entre paréntesis
como (p.u.)], significa que el valor de la
variable o parámetro se deberá dividir por
su respectiva tensión de base, según
corresponda.
SET: Subestación de Transformación.
SED: Subestación de Distribución.
Parte B.
Figuras y Gráficos
Fig. 1, Esquema del Análisis Efectuado.
Fig. 2: Diagrama de Bloques de la
Metodología Propuesta
Factores Problema Consecuencias
•Perturbaciones inyectadas a las redes electricas.
Externos
•Infraestructura con diseño inicial sin considerar las nuevas tendencias de evolucion.
•Inadecuada configuracion de la topologia y equipamiento delas redes.
•Sobrecarga y presencia significativa de reactivos , producto del crecimiento acelerado de demanda.
Propios• Mala Calidad de
Tension.
Calidad de Tension
•Malestar, daño de equipos, procesos, reclamos.
Cliente
•Reclamos.
•Perdidas de energia y potencia.•Compensaciones y penalidades.
•Afectacion de los ingresos economicos.
Empresa Consecionaria
An
ali
sis
So
luci
on
es
Metodologia
Si
No
Si
INICIO
Paso 1: Análisis del Perfil de Despacho
de Tensión y Demanda.
Paso 2: Afinamiento del Despacho de Tension en
Barras de MT
Paso 4: Implementacion de Bancos de
Condensadores .
No
Paso 6: Implementacion de Regulador de Tensión
en MT.
No
Paso 8: Determinacion de la posicion adecuada del TAP de Transformadores
de Distribución
Si
No
Paso5: Analisis de Tension en MT.
Si
No
FIN
�F15 ����. �. � ≥ 0.95
∆�F1 ����. �. � ≤ 0.10 �<15 ����. �. � ≥ 0.98
∆�<1 ����. �. � ≤ 0.073
�<15 ����. �. � ≥ 0.98
∆�<1 ����. �. � ≤ 0.073
Paso 3: Analisis del Factor de Potencia:
F.P. ≥0.95
Paso 9: Analisis de Comprobacion de Tension en BT.
Paso 7: Analisis Inicial de Tension en BT.
Fig. 3: Gráfico simplificado de perfil de
tensión y demanda de barra 10kV de la SET Ica, se ha considerado cuatro (04) horarios definidos.
Fig. 4: Perfil de despacho de Tensión
regulación automática
Fig. 5: Perfiles de despacho de Tensión
que muestran los efectos de un afinamiento
del despacho con Regulación Automática.
Fig. 6: perfil de caída de tensión según el
recorrido del alimentador IC107.
B_SP1T1
9500
9750
10000
10250
10500
10750
HFP1 (00:00 -06:00)
HFP2 (06:00 -18:00)
HP (18:00 - 23:00) HFP3 (23:00
kW_Máx kW_Mín Vmín
kV
9900
10000
10100
10200
10300
10400
10500
10600
00:00
08/02
01:30
08/02
03:00
08/02
04:30
08/02
06:00
08/02
07:30
08/02
09:00
08/02
10:30
08/02
12:00
08/02
13:30
08/02
15:00
08/02
16:30
08/02
18:00
08/02
Vo
ltaj
e
PERFIL DE DESPACHO DE TENSIÓN EN BARRA MT
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
S_1
28
84_
…
69
46
708
47
94
115
47
94
574
14
07
713
6
14
07
719
4
14
27
914
2
71
02
139
SE4
02
96
A_
15
78
1_…
48
03
882
71
00
471
71
01
802
48
03
895
SE4
02
98
48
03
916
14
12
852
7
47
89
839
47
89
840
71
28
635
71
28
642
71
28
684
71
28
685
71
29
053
71
29
209
71
29
208
71
28
715
SE4
03
11
47
92
668
Vo
ltaj
e
Perfil de Tensión IC107, 10kV
12
ráfico simplificado de perfil de
tensión y demanda de barra 10kV de la SET Ica, se ha considerado cuatro (04)
Tensión con
Tensión
que muestran los efectos de un afinamiento
del despacho con Regulación Automática.
: perfil de caída de tensión según el
Fig. 7: Perfiles de caída de Tensión a lo
largo de un alimentador MT que muestra
los efectos de un afinamiento del despacho
con Regulación Automática.
Fig. 8: Perfil de despacho con regulación
manual, barra 10kV SET Ica.
Fig. 9: Perfil de carga del alimentador
IC107.
Fig. 10: Perfiles de Tensión que muestran
los efectos de la implementación de bancos
de condensadores.
015003000450060007500900010500120001350015000
HFP3 (23:00 -00:00)
Vmáx
kW
18:00
08/02
19:30
08/02
21:00
08/02
22:30
08/02
PERFIL DE DESPACHO DE TENSIÓN EN BARRA MTTENSION BARRA 10kV
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
47
92
668
47
89
694
14
14
369
6
SE4
03
12
14
22
094
3
14
14
357
2
13
50
191
9
SE4
08
44
SE4
08
44
-4
kW_Max_D
kW_Min_D
kV_Max_D
kV_Min_D
9000
9200
9400
9600
9800
10000
10200
10400
10600
Vo
ltaj
e
Perfil de Tensión SL143, 10kV
9600
9800
10000
10200
10400
10600
00:00 08/04 12:30 08/04
Vo
ltaj
e
TENSIÓN BARRA B_10kV - SET ICA - PARCONA
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
00:00 08/04 12:30 08/04
Vo
ltaj
e
DIAGRAMA DE CARGA
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
S_1
288
4_M
T
6946
708
4794
115
4794
574
1407
713
6
1407
719
4
1427
914
2
7102
139
SE4
029
6
A_1
5781
_MT
4803
882
7100
471
7101
802
4803
895
SE4
029
8
4803
916
1412
852
7
4789
839
4789
840
7128
635
7128
642
7128
684
7128
685
7129
053
7129
209
7129
208
7128
715
SE4
031
1
Vo
ltaj
e
Perfil de Tensión IC107, 10kV
450kVar
450kVar
ída de Tensión a lo
largo de un alimentador MT que muestra
los efectos de un afinamiento del despacho
: Perfil de despacho con regulación
: Perfil de carga del alimentador
: Perfiles de Tensión que muestran
los efectos de la implementación de bancos
kV_Max_D
kV_Min_D
kV_Max_D reg
kV_Min_D reg
775 V
660 V
TENSIÓN BARRA B_10kV -SET ICA - PARCONA
kW - SET ICA -PARCONA
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4792
668
4789
694
1414
369
6
SE4
031
2
1422
094
3
1414
357
2
1350
191
9
SE4
084
4
SE4
084
4-4
Pot. Reac. (kVAR)Pot. Reac. (kVAR) con BancokV_Max_DkV_Min_DkV_Max_D con BancokV_Min_D con Banco
13
Fig. 11: Perfiles de Tensión que muestran
los efectos por la implementación de
Reguladores de Tensión fijos.
Fig. 12: Perfiles de Tensión que muestran
los efectos por la implementación de
Reguladores de Tensión automáticos.
Parte C.
Estimación de Caída de Tensión utilizando el artificio del Momento Eléctrico
Este artificio permite estimar la caída de
tensión en un alimentador en MT, tomando
como datos la máxima demanda en kW, la
tensión de despacho en kV y la longitud del
recorrido más largo del alimentador en
estudio en km.
∆%�� = H�×J�*KL × M2 × �JJJJJJJ..(a)
Donde:
∆%�� =caida de tensión estimada (%).
%1 =Maxima Potencia activa registrada por
el alimentador (kW).
N1 =longitud del recorrido más largo del
alimentador (km).
�J =Tension de despacho del alimentador
(kV).
M2 =Factor de estimación de caída de
tensión=0.044
� =Factor de dispersión de la
demanda=0.55
Determinación del Momento Eléctrico
Ecuación de la caída de tensión
Para la caída de tensión tenemos:
∆%�/O = H×J×�.PQRP.����O��PS.*KL JJJJ..(b)
donde:
∆%�/O: Caída de Tensión porcentual
P: Potencia (kW)
L: Longitud del tramo de línea (km)
VL: Tensión entre fases (kV)
R1: Resistencia del conductor (ohm/km)
X1: Reactancia Inductiva (Ohm/km)
9007
9541
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8500
8750
9000
9250
9500
9750
10000
10250
10500
10750
11000
S_1
288
4_M
T
6946
708
4794
115
4794
574
1407
713
6
1407
719
4
1427
914
2
7102
139
SE4
029
6
A_1
5781
_MT
4803
882
7100
471
7101
802
4803
895
SE4
029
8
4803
916
1412
852
7
4789
839
4789
840
7128
635
7128
642
7128
684
7128
685
7129
053
7129
209
7129
208
7128
715
SE4
031
1
4792
668
4789
694
1414
369
6
SE4
031
2
1422
094
3
1414
357
2
1350
191
9
SE4
084
4
SE4
084
4-4
Vo
ltaj
e
Perfil de Tensión IC107, 10kVCon Regulador MT Fijo
kW_Max_D
kV_Max_D con Banco
kV_Min_D con Banco
kV_Max_D con Reg MT
kV_Min_D con Reg MT2500kW Fijo 1200kW Fijo
9007
9657
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8500
8750
9000
9250
9500
9750
10000
10250
10500
10750
11000
S_1
288
4_M
T
6946
708
4794
115
4794
574
1407
713
6
1407
719
4
1427
914
2
7102
139
SE4
029
6
A_1
5781
_MT
4803
882
7100
471
7101
802
4803
895
SE4
029
8
4803
916
1412
852
7
4789
839
4789
840
7128
635
7128
642
7128
684
7128
685
7129
053
7129
209
7129
208
7128
715
SE4
031
1
4792
668
4789
694
1414
369
6
SE4
031
2
1422
094
3
1414
357
2
1350
191
9
SE4
084
4
SE4
084
4-4
Vo
ltaj
e
Perfil de Tensión IC107, 10kVCon Regulador MT Automático
kW_Max_D
kV_Max_D con Banco
kV_Min_D con Banco
kV_Max_D con Reg MT
kV_Min_D con Reg MT2500 KW (Automático)
14
ϕ: Angulo de factor de potencia
Haciendo:
M1 = .PQRP����O�PS×*KL = M2� P
*KL�JJJJ..(c)
M2 = .PQRP����O�PS JJJJJJJJ..(d)
Reemplazando (c) en (b) tenemos:
∆%�/O = % × N × M1JJJJJJJ(e)
Asumimos que la carga total del
alimentador se comporta como una carga
uniformemente distribuida en toda su
longitud, para eso suponemos que en el
alimentador existen "n" cargas igualmente
distribuidas y de la misma magnitud.
n: 1,2,3,4,J
PT: Potencia total del alimentador (kW).
LT: Longitud total del alimentador (km).
n: Número en el cual se va distribuir
uniformemente la carga.
L=LT/n JJJJJJJJJJJJJJ.(f)
P=PT/n JJJJJJJJJJJJJJ.(g)
Aplicando la ecuación (e) a los puntos
tenemos:
∆%�STP = % × N1 × M1 = % × �N × 1� × M1
∆%�STU = % × N2 × M1 = % × �N × 2� × M1
∆%�ST/ = % × N3 × M1 = % × �N × 3� × M1
⋮
∆%�ST� = % × N8 × M1 = % × �N × 8� ×M1JJJJJJJJJJJJJJJ.(h)
Aplicando criterio de superposición, se han
calculado la caídas de tensión de manera
individual para cada carga, ahora para
calcular la caída de tensión total, se
deberán "superponer" los efectos de caída
de tensión en cada punto, demanera que
tendremos al final una sumatoria de caídas
de tensión desde el punto 1 hasta el punto
n:
∆%�� = ∆%�STP + ∆%�STU + ∆%�ST/ + ⋯+ ∆%�ST�
Reemplazando las equivalencias hallada
en (h):
∆%�� = % × �N × 1� × M1 + % × �N × 2�× M1 + % × �N × 3� × M1+ ⋯ + % × �N × 8� × M1
∆%�� = % × N × M1 × �1 + 2 + 3 + ⋯ + 8�
Aplicando las ecuaciones de sumatoria de
números:
1 + 2 + 3 + ⋯ + 8 = ���QP�U JJJJJ.(i)
Obtenemos:
∆%�� = % × N × M1 × Y8�8 + 1�2 Z
Pero sabemos que: % = H�� , N = J�
�
∆%�� = %1 × N1 × M1 × 18 × 1
8 × 8�8 + 1�2 ,
Simplificando, reduciendo y haciendo
� = ��QP�U� JJJJJJJJJJJJ.J(j)
finalmente tenemos:
∆%�� = %1 × N1 × M1 × �JJJJJJ(k)
Aplicando la equivalencia de la ecuación
(c), finalmente:
∆%�� = H�×J�*KL × M2 × �JJJJJJJ.(l)
1 2 3 n
L1
L2
L3
Ln
P P P P
L L L
