Interacción Generación Distribuida – Calidad de Potencia, específicamente referida a Huecos de Tensión J. C. Gómez, Senior Member IEEE, J. C. Amatti Resumen—El artículo presenta el efecto ventajoso y desventajoso que introduce la utilización de la Generación Distribuida sobre la Calidad de Potencia, dedicado específicamente a la problemática en los equipos sensibles debida a los denominados huecos de tensión. Se presenta primeramente la diferencia de intereses entre el usuario y la empresa eléctrica en el funcionamiento “en isla”. Se analizan en detalle cuatro problemas conflictivos específicos, que son: alimentación a la falla durante los recierres, extensión de la duración de la falla para reducir zona afectada, posibilidad de reconexión en contra-fase, y conexión semi-rígida de la cogeneración. Concluyendo con que es posible lograr una considerable mejora en el aprovechamiento de la generación distribuida, tanto por parte del usuario-dueño del equipo, como por la empresa eléctrica, desde el punto de vista de los huecos de tensión, si se siguen los lineamientos descriptos en el presente artículo. Palabras clave— Calidad de potencia, equipo sensible, funcionamiento en isla, generación distribuida, hueco de tensión, reconexión. I. INTRODUCCIÓN El siempre presente riesgo de carencia de energía eléctrica ha incrementado en gran medida el interés de los usuarios por instalar equipos de generación con el objeto de satisfacer sus propias necesidades. Las necesidades de los usuarios, muchas veces colisionan con los requerimientos de las empresas eléctricas, que ven afectada su operación por la existencia de estas fuentes fuera de su control [1]. Inicialmente las empresas eléctricas ofrecían una oposición férrea a la instalación de generación distribuida, aún en el caso de que solo se tratara de autogeneración, o sea generación que se emplea exclusivamente dentro de las instalaciones del usuario. No obstante la presencia de apagones, especialmente la serie de contingencias que se produjeron en Estados Unidos de Norteamérica, Italia e Inglaterra para fines del 2003, con sus consiguientes pérdidas económicas en ese momento más los costos legales posteriores, ha cambiado en gran medida la forma de pensar de las empresas eléctricas [2]. La instalación de generación distribuida afecta de varias formas a la Calidad de Potencia. J. C. Gomez y J. C. Amatti son Profesores del IPSEP – Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Río Cuarto, Río Cuarto – Argentina, (E-mail: [email protected] [email protected]) Por ejemplo: generando armónicas en el caso de emplear interfases con inversores, complicando la operación de los dispositivos reguladores de voltaje, incrementando el riesgo de presencia de ferroresonancia, introduciendo flicker desde la generación, modificando la operación de las protecciones contra sobrecorrientes, etc. Uno de los mayores impactos de la generación distribuida sobre la Calidad de Potencia, es el efecto en el funcionamiento del esquema de protecciones contra sobrecorrientes, entre cuyos eventos relacionados más importantes se encuentra el hueco de tensión [3, 4]. El hueco de tensión, que es la reducción transitoria de la tensión entre un 10 y 90 % de su valor eficaz nominal, con duración entre ½ ciclo y un minuto, representa en la actualidad la mayor causa de reclamos de los usuarios ante las empresas eléctricas por apartamientos transitorias de la Calidad de Potencia, alcanzando del 75 al 85 % del total de los reclamos [5]. Es importante definir que se entiende por equipo sensible a los huecos de tensión, siendo aquel equipo cuyo funcionamiento es afectado por variaciones transitorias de amplitud de tensión. El grado de la sensibilidad varía desde solamente modificación de su comportamiento característico, pasando por salida de servicio, hasta causarle daño en el otro extremo [6]. El menor grado corresponde por ejemplo a una lámpara que entrega menor nivel de iluminación o un motor cuya potencia de salida se reduce, ambos en forma transitoria. El segundo puede representarse por el caso clásico de la computadora que se re-enciende o el variador de velocidad que se detiene quedando a la espera de órdenes de reinicio. El caso extremo, o sea daño al equipo sensible, es bastante improbable si el equipo es alimentado y empleado en forma correcta, habiendo muy pocos reportes serios de este grado de afectación [7]. El grado de sensibilidad o de inmunidad de los equipos sensibles, se suministra normalmente en forma gráfica, como puede verse en la Figura 1. En ella se han trazado las curvas propuestas por Computer Business Equipment Manufacturer Association (CBEMA), que posteriormente cambió su nombre por Information Technology Industry Council (ITIC), y por último la propuesta realizada por fabricantes de semiconductores de potencia conjuntamente con el Electrical Power Research Institute (EPRI), denominada SEMI F47 [8]. II. CONFLICTOS TÉCNICOS A fin de conciliar los requerimientos de ambos sectores, usuario y empresa eléctrica, frente a esta problemática, deben analizarse varios aspectos técnicos determinando sus soluciones. Se analizarán aquí los cuatro problemas más importantes, que son: alimentación a la falla durante los recierres, extensión de la duración de la falla para reducir zona afectada, posibilidad de reconexión en contra-fase, y conexión semi-rígida de la cogeneración. A- Alimentación a la falla durante los recierres Los dispositivos que efectúan recierres ya sean interruptores o reconectadores, basan su éxito en la eliminación de la falla durante el tiempo de recierre o “tiempo muerto”, lapso sin circulación de corriente que permite que la falla no permanente se desionize. En los sistemas de distribución de media tensión, del 85 al 90 % de las fallas son no permanentes, por lo que esos números representan aproximadamente la cifra de éxito del dispositivo. El proceso de desionización o apagado de un arco eléctrico, puede analizarse como un proceso casi puramente térmico. Existe una interacción o balance entre la cantidad de calor generada por la energía 5 2 3 0 1 -2 -1 -4 -3 0 0,2 0,4 0,6 -6 Tiempo (segundos) Corriente Voltaje Fig. 2, Corriente y voltaje con desionización de la falla. Voltaje (pu) Los usuarios que poseen generación distribuida, tienen la posibilidad de mejorar el comportamiento de sus equipos sensibles frente a la existencia de huecos de tensión cuyo origen se encuentra fuera de sus instalaciones. Su interés radica en volcar la energía de su generación hacia sus equipos sensibles, llegando incluso a beneficiarse en el caso extremo del hueco de tensión, que es la interrupción de corta duración, comúnmente denominada micro-corte. Para aprovechar tal posibilidad, el usuario debe contar con un esquema de emergencias, contando incluso con desconexión de cargas no esenciales (shedding). Por otra parte, para eventos de profundidad importante, próxima a interrupción, la empresa eléctrica requiere que la generación distribuida sea desconectada inmediatamente para evitar la formación de las peligrosas “islas”. Queda por determinar el punto de equilibrio entre estos dos requerimientos [9, 10]. Corriente (A x 10) Fig. 1, Curvas de inmunidad de equipos sensibles. eléctrica entregada al arco y la cantidad de calor perdida por radiación, conducción y disipación. Si se reduce o elimina la entrega de calor, el arco se enfría, aumenta su resistencia eléctrica, se apaga antes y se reenciende después del pasaje por cero de la corriente, conduciendo a su extinción. Desde su inicio de aplicación en los sistemas eléctricos en la década del 1960, el tiempo de recierre se regula en el orden de los 2 segundos, fundamentalmente debido a la poca velocidad de los dispositivos disponibles en el momento, con la seguridad de desionización para tensiones de distribución (hasta 36 kV). Posteriormente, debido a exigencias de calidad de potencia, los tiempos de recierre comenzaron a reducirse hasta ½ segundo, que es el tiempo que soportan los relojes digitales sin la pérdida de control y el consecuente molesto pestañeo. Esta reducción se basó en estudios que permitieron determinar que el tiempo máximo que se necesita para desionizar un arco en esos niveles de tensión, no supera a los 300 ms. Al emplear generación distribuida en un sistema radial, la operación de recierre “aguas arriba” de la falla reduce la circulación de corriente, sin eliminarla completamente ya que el generador adicional alimenta la falla, pudiendo perder la posibilidad de desionización de la misma. La pregunta que debe responderse, es ¿Cuál es el máximo valor de corriente que puede aportar el generador adicional durante el tiempo de recierre a fin de asegurar la desionización de la falla?. La respuesta debe hallarse en forma experimental, ya que las teorías disponibles sobre arco eléctrico son bastante específicas y bajo condiciones diferentes de las aquí planteadas. En la bibliografía específica no se encontró publicación alguna, salvo la presentación de resultados preliminares efectuada por los autores de este artículo [11]. Los ensayos se llevaron a cabo en un sistema de 13,2 kV con corrientes adicionales de 10 A y arcos de longitudes desde 90 mm hasta 205 mm. Las Figuras 2 y 3 muestran a nivel de ejemplo registros experimentales con y sin desionización de falla respectivamente. Del estudio, en forma preliminar se concluye que la posibilidad de desionización se reduce a medida que la relación entre la potencia del sistema y generador aumenta, resultando imposible el apagado para fallas de longitud menor a 90 mm, resultando independiente de la duración del aporte de corriente por parte del generador. 0.1 0.2 0.3 0.4 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 0.5 -6 Voltage (pu) Current (A x 10) 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 0 aceitera que posee equipamiento altamente automatizado, con alimentación en media tensión, que sufría anualmente un promedio de dos detenciones completas de planta debidas a huecos de tensión. Bruscamente, la planta pasó a sufrir de once detenciones completas de proceso en solo seis meses, debida a huecos de tensión sin ninguna causa aparente. Afortunadamente la industria tenía instalado un equipo de monitoreo de calidad de potencia en su acometida, lo que permitió conocer la profundidad y duración de los huecos de tensión. Los mismos, se muestran en la Figura 4 conjuntamente con la curva CBEMA con fines comparativos. Time (seconds) Voltage Fig. 3, Corriente y voltaje sin desionización de la falla. B. Extensión de la duración de la falla para reducir zona afectada Hasta la fecha, los esquemas de protección se diseñaban con el objeto de cumplir dos requerimientos fundamentales, primeramente proteger los equipos involucrados y en segundo lugar actuar en forma coordinada con otros dispositivos protectores [7, 12]. Con la introducción de las exigencias de calidad de potencia, los dos requerimientos del párrafo anterior resultan ligeramente modificados con el objetivo de reducir o limitar las multas a ser pagadas por las empresas eléctricas por no cumplir con los límites impuestos por la calidad de potencia. Por esta razón, las áreas de protección de las empresas eléctricas modificaron sus esquemas de protección con los objetivos de reducir el número de interrupciones penalizables y aminorar la extensión de las áreas afectadas, disminuyendo así el número de usuarios afectados por las interrupciones. El medio al que se recurrió para cumplir con este objetivo fue el incremento del retardo de las protecciones hasta el máximo posible en los casos en los que se cuenta con dispositivos con recierres ubicados aguas abajo, incrementando además el número de recierres, aumentando de esta manera la posibilidad de que las fallas se auto-extingan o desionizen. La consecuencia inmediata de esta política, es que los tiempos de operación o retardo se van incrementando a medida que se desplaza aguas arriba, debido a las exigencias de la coordinación. Debido a ello, las fallas que tienen lugar en el límite entre el sistema de distribución y de transmisión, que producen corrientes de fallas elevadas y por ende huecos de tensión profundos, ahora son empeoradas por extensión de su duración hasta tiempos del orden del segundo y a veces aún más largas. En la Figura 1, puede verse que las perturbaciones correspondientes a estas duraciones de hueco de tensión se encuentran por debajo de las curvas de inmunidad, por lo que un elevado número de equipos sensibles saldrán fuera de servicio. Esta solución obviamente que colisiona con las exigencias de calidad de potencia, que requiere de perturbaciones de corta duración, fomentando por ello la aplicación de dispositivos protectores de alta velocidad, aún llegando al extremo de demandar el empleo de dispositivos limitadores. Como ejemplo se puede citar el caso de una industria 100 Voltaje (%) Current 80 60 40 20 0 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Tiempo (ciclos) CBEMA Medidos Fig. 4, Curva CBEMA y puntos correspondientes a los huecos de tensión registrados. La causa de este cambio en el número de salidas de servicio, radica en que la empresa eléctrica realizó un reacomodamiento a su esquema de protecciones para reducir las multas por calidad de servicio, pero empeoró la calidad de producto. Del análisis de la Figura 4 pueden extraerse las siguientes consecuencias: - La planta industrial, en forma global, representa una carga altamente sensible - Los tres huecos de tensión de magnitud 88 %, 77 % y 66 %, con duraciones menores a 100 ms, que se encuentran por encima de la curva se deben a cortocircuitos que ocurrieron dentro de la planta, ya que su duración y profundidad son características de fallas en baja tensión. - Los restantes huecos de tensión poseen duración mayor que 300 ms y en un caso mayor a un segundo. Por sus características se encuentran aguas arriba de la industria, pudiendo reducir en gran medida la posibilidad de salida de servicios si se reduce el tiempo de operación de las protecciones. C. Posibilidad de reconexión en contra-fase Este es uno de las objeciones mas empleadas contra el uso del generador distribuido funcionando en isla. Se teme que al retornar la alimentación del sistema, se encuentre al generador independiente con una fase o posición angular de la terna de tensiones muy diferente a la del sistema que está retornando, causando solicitaciones eléctricas y mecánicas muy elevadas, que podrían dañar tanto al generador como a los restantes elementos a él conectados en isla [13]. En primer lugar no debe pensarse en la reconexión fuera de fase como Tensión (V) algo altamente perjudicial y que nunca ocurre en los sistemas eléctricos. Un ejemplo que normalmente se ignora de esta reconexión fuera de fase es en los motores de inducción que emplean algún tipo de arrancador. El motor durante el período de conmutación, o sea mientras está desconectado de la fuente, pasando de la tensión reducida a la plena, actúa como generador excitado por magnetismo remanente. Dependiendo del tiempo tardado por la conmutación y el estado de carga mecánica, puede encontrar la fase en posición favorable o no, sufriendo transitorios tanto eléctricos como mecánicos. Las normas que especifican las características constructivas de los motores, indican los límites permisibles de tensión en el recierre, aconsejando el uso de elementos amortiguadores cuando la diferencia de tensiones transitorias supera al 166 % de la nominal. La Figura 5 y 6 muestran dos casos determinados experimentalmente, donde se aprecian las diferencias de fase entre el generador independiente y el sistema luego de un período de reconexión de 5 ¼ ciclos, donde puede verse que en el primer caso la diferencia de tensión fue de solo el 37 % alcanzando el 135 % en el segundo. La diferencia en el comportamiento radica solamente en el estado de carga del generador independiente, estando prácticamente en vacío en el primero y a plena carga en el restante caso. Obviamente que estos gráficos deben ser tomados solo como ejemplos, ya que intervienen muchas otras variables, tales como la inercia, el amortiguamiento y la respuesta de los reguladores de velocidad y tensión de los generadores. Tiempo (segundos) Tensión (V) Fig. 5, Diferencias de tensión en la reconexión para baja carga Tiempo (segundos) Fig. 6, Diferencias de tensión en la reconexión para carga del orden de la nominal La propuesta de conexión semi-rígida que se presenta en el siguiente apartado representa una de las posibles soluciones al problema, ya que la impedancia intercalada controla el impulso de corriente y amortigua el proceso de sincronización. D. Conexión semi-rígida de la cogeneración. El concepto seguido en el empleo de puntos sobre la curva CBEMA que representan profundidad, duración y localización de la perturbación, es aplicable solamente en aquellos casos en que la profundidad del hueco de tensión es constante durante su duración, o sea se trata de perturbaciones “rectangulares”. La principal causa de los huecos de tensión es la falla del tipo de cortocircuito, sin que sea esta la única, ya que pueden ser generados además por arranques de motores, tomas de carga, conexión de transformadores, etc. Las características del hueco de tensión, en el caso de ser originado por fallas, dependen en profundidad de la intensidad de falla e impedancia intercalada y en duración es función de la velocidad de actuación de la protección. Cuando el sistema posee más de una fuente de alimentación, caso que se presenta al tener generación distribuida, la intensidad de falla y por ello el hueco de tensión es variable a medida que operan las protecciones de cada fuente. Esto significa que no se puede trabajar para la determinación de la inmunidad solo con las gráficas como la que se muestra en la Figura 4, recurriéndose a emplear el concepto de energía específica en tensión [7]. El concepto mencionado, fue inicialmente propuesto solo para ser aplicado a la determinación de la inmunidad de equipos sensibles, pero su utilización puede ser extendida a plantas completas, líneas de producción, alimentadores, edificios, etc., todos ellos poseyendo equipos sensibles [14]. O sea que simplemente se determina la salida de servicio o no de la “unidad de proceso” por la comparación de la energía almacenada según las condiciones de pre-falla con el déficit energético durante el período de duración del hueco de tensión. En base a la explicación del párrafo anterior, la posibilidad de que el equipo sensible soporte el hueco de tensión se verá incrementada si la profundidad del hueco de tensión puede ser reducida durante parte de la duración de la perturbación. Si se aplica esta idea a un sistema con generación distribuida ubicada dentro de la instalación industrial, frente a una falla externa, el dejar conectado al generador adicional, éste alimentará a los equipos sensibles, reduciendo la posibilidad de sus salidas de servicio. Esto es válido siempre y cuando se controle de alguna manera el suministro de corriente de falla desde el generador de la industria. Las condiciones citadas pueden lograrse mediante el empleo de una conexión de rigidez variable, entre el sistema y la industria. Cuando el sistema se encuentra en estado de régimen, la conexión debe ser rígida o sea de baja impedancia, pero frente a la presencia de una falla externa, la conexión debe transformarse en no-rígida o sea con impedancia intercalada importante para controlar el aporte de corriente a la falla y respaldar al equipamiento sensible. La Figura 7 muestra un sistema de distribución simple, contando de un generador distribuido y un conjunto interruptor de by-pass / impedancia limitadora, denominado Zv & CB. Al estar cerrado el interruptor, la conexión es rígida, pasando a no-rígida cuando éste se abre. Gs Zs DG Falla fault Zf ZDG Zv & CB Load (SE) Carga (ES) Voltaje (pu) Fig. 7, Sistema de distribución simplificado con un generador distribuido. 1,5 1 0,5 0 -0,5 0 -1 -1,5 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Tiempo (s) Fig. 8, Aplicación de la conexión semi-rígida de la generación para reducir efecto del hueco de tensión. La Figura 8 muestra la tensión aplicada a un equipo sensible en una situación de alimentación como la mostrada en la Figura 7. Suponiendo que se presenta una falla, que da por resultado un hueco de tensión al 30 %, que aumenta al 80 % al abrir el interruptor e intercalar la impedancia, siendo seguida la perturbación por un aumento pasajero de tensión al 110 % por liberación de carga. Considerando además, que el interruptor requiere de 40 ms para detectar y transferir la corriente de falla, siendo esta perturbación eliminada 160 ms después del comienzo de la misma. Por otra parte, para este estudio simplificado se considera que la potencia del sistema es al menos veinte veces mayor que la correspondiente del generador, a fin de dejar de lado el cambio de velocidad de la protección por la modificación de la corriente de falla. Al ser hueco de profundidad variable, no se pueden aplicar directamente las curvas de inmunidad, siendo necesario el uso del criterio de energía específica. El déficit energético sufrido por los equipos sensibles del usuario, sin usar conexión no rígida, es de: DEr = (87 % – 30 %)2 x 0,16 s = 520 %2 s Para el caso de la conexión no rígida, el déficit energético es: DEnr = (87 % – 30 %)2 x 0.04 s + (87 % – 80 %)2 x 0.12 s = 136 %2 s A pesar del empleo de unidades no convencionales, como es %2 s, puede verse claramente que el déficit en energético se redujo de 520 a 136. En otras palabras, el efecto del hueco de tensión es reducido al 26 % por medio del empleo de la conexión no rígida, por lo tanto la posibilidad de que el equipo sensible soporte la perturbación, se ha incrementado en gran medida. Con el objeto de mostrar la aplicación de la metodología mencionada, se modeló empleando MATLAB, un sistema con un usuario poseyendo su propia fuente generadora o generación distribuida. Los datos del sistema son: tensión nominal 13,2 kV, potencia nominal del sistema 30 MVA, potencia nominal del generador distribuido 3 MVA. Se supone que la falla tiene lugar 10 km aguas abajo de la ubicación del generador. Se realizaron cálculos para distintos valores de impedancia limitadora, manteniendo en todos los casos el tiempo de detección y conmutación del interruptor en 40 ms. Se realiza la comparación entre los valores de déficit de energía sobre el equipo sensible del usuario cuando se usa conexión rígida y no rígida. La Tabla I muestra los resultados analíticos, para distintas impedancias limitadoras y valores de corriente de falla, expresada esta última en porciento del valor de la falla trifásica localizada en el punto indicado previamente. En la Tabla puede verse el efecto remarcable sobre la reducción del déficit energético al aplicarse la conexión no rígida. TABLA I – DÉFICIT DE ENERGÍA ESPECÍFICA DEPENDIENDO DE ZV Y DE LA CORRIENTE DE FALLA Impedancia Ifalla ohm j 15.7 j 15.7 j 15.7 j 15.7 j 6.28 j 3.14 j 31.4 % s-c 3 6 6 10 50 100 100 Déficit de energía específica con generación distribuida e impedancia limitadora %2 s 19.22 30.60 26.04 33.31 47.87 60.83 64.80 Déficit de energía específica sin generación distribuida e impedancia limitadora %2 s 438.9 276.4 388.7 757.1 1062.6 955.5 952.2 III. CONCLUSIONES Se concluye que es posible lograr una considerable mejora en el aprovechamiento de la generación distribuida, tanto por parte del usuario-dueño del equipo, como por la empresa eléctrica, desde el punto de vista de la Calidad de Potencia y específicamente considerando los huecos de tensión, si se siguen los lineamientos descriptos en el presente artículo. Si bien es cierto que los dispositivos interruptores con reconexión no fueron pensados para ser empleados en sistemas con generación distribuida, los estudios experimentales en forma preliminar muestran que pueden funcionar en conjunto siempre y cuando la relación potencia sistema / potencia generador sea del orden de 10 a 20 y se controle el aporte de corriente del generador a no más de 10 A. El retardo excesivo de las protecciones contra sobrecorrientes a fin de reducir las penalizaciones (mejora la calidad de servicio técnico), perjudica seriamente a los equipos sensibles frente a huecos de tensión de duración extendida (empeora la calidad de producto técnico) La aplicación de la conexión semi-rígida resulta una herramienta idónea para respaldar los equipos sensibles del usuario frente a los huecos de tensión, actuando también como limitadora de las solicitaciones eléctricas y mecánicas de los transitorios de reconexión o de salida de funcionamiento en isla. IV. BIBLIOGRAFÍA [1] A. 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