UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA MERIDA - VENEZUELA PROPUESTA PARA LA DETECCION DE LAS CAUSAS DE FALLAS A TRAVÉS DEL DIAGNÓSTICO Y EVALUACIÓN, DEL SISTEMA DE COMPENSACIÓN REACTIVA DE LA PLANTA DE ALIMENTOS BALANCEADOS PARA ANIMALES “PROCRIA” Trabajo presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Tutor Industrial: Ing. Juana Lucinda González Tutor Académico: Ing. Ricardo Stephens Realizado por: Daniel A. Pernia Márquez Mérida, Marzo de 2003 DEDICATORIA Dedico este trabajo a mis padres Elsy y Daniel, a Daniela, Elizabeth y a Sashi iii AGRADECIMIENTO Deseo expresar mi más sincero agradecimiento a las siguientes personas: A la ilustre Universidad de Los Andes, y a la Facultad de Ingeniería Eléctrica por haberme brindado la oportunidad de estudiar y de poder obtener de esta manera, el título de Ingeniero Electricista. A las empresas REMAVENCA y PROCRIA quienes me brindaron la oportunidad de realizar este proyecto de grado. Al profesor Ricardo Stephens, por su valiosa colaboración durante la realización de este proyecto. A la Ing. Juana Lucinda González, por toda la colaboración, material bibliográfico, y asistencia prestada durante el periodo de realización. Al T.S.U. Felix Camacaro por su valiosa colaboración, y orientación técnica prestada durante la realización de este proyecto A todos mis compañeros de la sección de Instrumentación de REMAVENCA, por su gran colaboración y ayuda durante la realización de mis pasantías así como durante la realización de mi tesis de grado. A toda mi familia por creer en mi y brindarme siempre su apoyo incondicional en todos los buenos y malos momentos de mi carrera. A todos mis compañeros y amigos quienes siempre estuvieron a mi disposición para ayudarme. iv RESUMEN “PROPUESTA PARA LA DETECCIÓN DE LAS CAUSAS DE FALLAS A TRAVES DEL DIAGNOSTICO Y EVUALUACION, DEL SISTEMA DE COMPENSACIÓN REACTIVA DE LA PLANTA DE ALIMENTOS BALANCEADOS PARA ANIMALES PROCRIA” Br.: Daniel A. Pernia M. Tutor: Prof. Ricardo Stephens El presente trabajo constituye una aplicación de la teoría relacionada con los sistemas de compensación reactiva de baja tensión para instalaciones industriales, con la finalidad de aplicar métodos de observación y medición para diagnosticar las causas de fallas en el sistema formado por el banco de condensadores de la Planta. Mediante la observación del estado actual del sistema, y de las condiciones de trabajo, así como la realización de mediciones mediante equipos electrónicos, y la comprobación de las normas internacionales para el funcionamiento de los sistemas de compensación y sus equipos componentes, se procede a descartar las posibles causas de fallas en los condensadores trifásicos, escalonados, que componen el sistema de compensación reactiva de la Planta. Finalmente, se hace una propuesta de mejoras y un estudio de costo-beneficio para determinar la factibilidad de aplicación de las correcciones necesarias para minimizar la ocurrencia en las fallas del sistema. Descriptores Condensadores Cota * Compensación Reactiva TK 2805 Mejoramiento del Factor de Potencia P47 Fallas en Bancos de Condensadores v LISTA DE TABLAS Tabla Nº 1-1. Coeficiente multiplicador de la sección del conductor en...................13 Tabla Nº 1-2. Causa y efectos de los armónicos .....................................................31 Tabla Nº 1-3. IEEE 519 Límites en la Distorsión de la Corriente .............................47 Tabla Nº 1-4. Niveles máximos de Armónicos en Tensión ......................................48 Tabla Nº 2-1. Datos nominales de los condensadores trifásicos ................. 56 Tabla Nº 2-2. Valores registrados por el Regulador Electrónico .................. 58 Tabla Nº 2-3. Datos de Configuración del Regulador RVT .......................... 61 Tabla Nº 3-1. Mediciones realizadas a los condensadores.......................................65 Tabla Nº 3-2. Capacidades de corriente permisibles para los conductores aislados tensión nominal de 0-2000 V, 60 ºC a 90 ºC ............................................................71 Tabla Nº 3-3. Valores nominales de las corrientes de régimen permanente ...........73 Tabla Nº 3-4. Cálculo de las corrientes sobretransitorias durante la conexión ........74 Tabla Nº 3-5. Frecuencias de Resonancia del Sistema ...........................................76 Tabla Nº 3-6. Valores promedio de corrientes por fase ...........................................80 Tabla Nº 3-7. Factores de Distorsión Armónica de Voltaje por fase ........................83 Tabla Nº 3-8. Factores de Distorsión Armónica de Corriente por fase ....................83 Tabla Nº 3-9. Valores Promedio de Amplitud del 5to , 7mo y 9no.................................90 Tabla Nº 3-10. Reglas de Ventilación para bancos de Condensadores ..................94 Tabla Nº 4-1. Datos para el Cálculo de la Capacidad Liberada en kVA .................103 Tabla Nº 4-2. Calculo Estimado de los Costos de la Propuesta .............................105 Tabla Nº 4-3. Análisis Costo-Beneficio de la Propuesta .........................................106 vi LISTA DE FIGURAS Figura Nº 1-1. Flujo de Energía en una instalación.....................................................6 Figura Nº 1-2. El cos . como representación del rendimiento eléctrico de una instalación....................................................................................................................6 Figura Nº 1-3. Condensador considerado como: a) Elemento pasivo de circuito que toma corriente en adelanto, b) generador que suministra corriente en atraso............9 Figura Nº 1-4. Mejoramiento del Factor de Potencia mediante la adición de Potencia Reactiva Capacitiva.....................................................................................................9 Figura Nº 1-5. Conexión paralelo de condensadores con cargas inductivas ...........10 Figura Nº 1-6. Compensación Reactiva Individual ...................................................15 Figura Nº 1-7. Compensación por Etapas.................................................................16 Figura Nº 1-8. Compensación Reactiva Centralizada ..............................................17 Figura Nº 1-9. Banco de Condensadores Automático...............................................19 Figura Nº 1-10. Conexiones Delta y Estrella de los Condensadores Monofásicos...20 Figura Nº 1-11. Ejemplo de conexión del Transformador de Corriente.....................22 Figura Nº 1-12. Curvas de Sobreintensidad por cierre del contactor .......................23 Figura Nº 1-13. Contactor con resistencia de precarga ............................................25 Figura Nº 1-14. Contactor con inductancias limitadoras ...........................................26 Figura Nº 1-15. Distorsión de la Señal Fundamental por Armónicos .......................30 Figura Nº 1-16. Circuito RLC equivalente de la instalación eléctrica .......................37 Figura Nº 1-17. (a) Variación de la Impedancia inductiva en función de la frecuencia, (b) Variación de la Impedancia capacitiva en función de la frecuencia.....................38 Figura Nº 1-18. Resonancia Paralelo y Factor de Amplificación...............................41 Figura Nº 2-1. Transformador Principal de Alimentación .........................................51 Figura Nº 2-2. Seccionador Principal de la Subestación..........................................52 Figura Nº 2-3. Condensadores Trifásicos ABB CLMB 63 ........................................54 Figura Nº 2-4. Condensadores Trifasicos ABB CLMB 63 y CLMB 53 .....................54 Figura Nº 2-5. Conexión interna en delta de los condensadores monofásicos........55 vii Figura Nº 2-6. Vista frontal del Banco de Condensadores.......................................56 Figura Nº 2-7. Equipo regulador Electrónico de Compensación reactiva ................57 Figura Nº 3-1. Condensador Trifásico ABB - Modelo CLMB....................................66 Figura Nº 3-2. Fusible de Protección del Banco de Condensadores .......................67 Figura Nº 3-3. Circuito para el cálculo de la corriente de falla .................................68 Figura Nº 3-4. Curvas de fusion t-I de los fusibles NH .............................................69 Figura Nº 3-5. Equipo Registrador HT Italia .............................................................78 Figura Nº 3-6. Sobretensiones producidas en los condensadores ..........................84 Figura Nº 3-7. Sobrecorrientes producidas en los condensadores ..........................85 Figura Nº 3-8. Valores máximos obtenidos para la Distorsión .................................88 Figura Nº 3-9. Porcentajes de Amplitud obtenidos para el........................................89 Figura Nº 3-10. Porcentajes de Amplitud obtenidos para el 7mo armónico de corriente.....................................................................................................................90 Figura Nº 3-11. Porcentajes de Amplitud obtenidos para el 5to armónico de tensión91 Figura Nº 3-12. Porcentajes de Amplitud obtenidos para el 5to armónico de tensión92 Figura Nº 3-13. Gráfico de Temperaturas obtenidas en el Banco de Condensadores ...................................................................................................................................93 Figura Nº 3-14. Esquemas de ventilación forzada para ...........................................95 Figura Nº 3-15. Representación del valor C/k ..........................................................97 Figura Nº 4-1. Representación vectorial del efecto de los condensadores sobre la capacidad térmica .................................................................................................. 102 viii INDICE APROBACION .................................................................................................................... ii DEDICATORIA ................................................................................................................... iii AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... iv RESUMEN .......................................................................................................................... v LISTA DE TABLAS ............................................................................................................. vi LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... vii INTRODUCCION ................................................................................................................. 1 CAPÍTULO I ......................................................................................................................... 5 COMPENSACIÓN DE LA ENERGÍA REACTIVA................................................................. 5 1.1. NATURALEZA DE LA ENERGÍA REACTIVA................................................................ 5 1.2. EL FACTOR DE POTENCIA.......................................................................................... 6 1.3. LOS CONDENSADORES COMO COMPENSADORES DE ENERGÍA REACTIVA...... 8 1.4. COMPENSACIÓN DE ENERGÍA REACTIVA .............................................................. 10 1.5. DETERMINACIÓN DEL NIVEL DE COMPENSACIÓN DE ENERGÍA REACTIVA ...... 10 1.6. VENTAJAS DE LA COMPENSACIÓN REACTIVA........................................................ 11 1.6.1. REDUCCIÓN DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE................................................................. 12 1.6.2. DISMINUCIÓN DE LA CAÍDA DE TENSIÓN EN LOS CONDUCTORES......................................... 13 1.6.3. REDUCCIÓN DE LAS PÉRDIDAS EN LOS CONDUCTORES ..................................................... 13 1.6.4. AHORRO EN LA FACTURACIÓN DE ELECTRICIDAD ............................................................. 14 1.7. MÉTODOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA ............................................................. 14 1.7.1. COMPENSACIÓN INDIVIDUAL EN MOTORES ELÉCTRICOS .................................................... 15 1.7.2. COMPENSACIÓN POR ETAPAS ......................................................................................... 16 1.7.3. COMPENSACIÓN CENTRALIZADA ..................................................................................... 17 1.8. DESCRIPCIÓN DE LOS BANCOS DE CONDENSADORES AUTOMÁTICOS............. 18 1.8.1. ELEMENTOS DE UN BANCO DE CONDENSADORES AUTOMÁTICO........................................ 19 1.8.1.1. El Sensor ................................................................................................................. 19 1.8.1.2. Los Contactores ....................................................................................................... 19 1.8.1.3. Los Condensadores ................................................................................................. 20 1.8.1.4. El Transformador de Corriente.................................................................................. 20 1.8.2. LA LECTURA DE TENSIÓN ............................................................................................... 22 ix 1.9. FENÓMENOS ASOCIADOS A LAS BATERÍAS DE CONDENSADORES.................... 23 1.9.1. CONTACTORES ESPECIALES PARA CONDENSADORES ....................................................... 24 1.9.2. CONTACTORES STANDARD.............................................................................................. 25 1.10. CÁLCULO DE LAS CORRIENTES DE CONEXIÓN DE CONDENSADORES DE POTENC 26 1.10.1. CONEXIÓN DE UN SOLO CONDENSADOR......................................................................... 26 1.10.2. CONEXIÓN DE UN CONDENSADOR EN PARALELO CON OTROS YA CONECTADOS ................ 27 1.11. PROTECCIÓN DE CONDENSADORES CONTRA CORTOCIRCUITOS ................... 28 1.12. EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS SOBRE LOS CONDENSADORES DE POTENCIA 28 1.12.1. SOBRETENSIONES EN BANCOS DE CONDENSADORES .................................................... 31 1.12.2. CORRIENTE NOMINAL DE OPERACIÓN ........................................................................... 32 1.12.3. AMPLIFICACIÓN DE CORRIENTE Y TENSIÓN EN UN CONDENSADOR ................................... 34 1.12.4. EFECTOS DE RESONANCIA ........................................................................................... 36 1.13. FACTOR DE AMPLIFICACIÓN ................................................................................... 40 1.14. FACTORES DE DISTORSIÓN..................................................................................... 42 1.14.1. FACTOR DE DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL DE VOLTAJE ................................................ 43 1.14.2. FACTOR DE DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL DE CORRIENTE ........................................... 44 1.15. LA NORMA IEEE 519-1992.......................................................................................... 45 1.15.1. LINEAMIENTOS PARA CLIENTES INDIVIDUALES................................................................ 46 1.16. LA NORMA UNE-EN 6100,2-4 (1997).......................................................................... 48 CAPÍTULO II ......................................................................................................................... 49 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA PLANTA EN ESTUDIO...................... 49 2.1. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ..................................................................................... 49 2.1.1. BANCADA TRIFÁSICA ..................................................................................................... 49 2.1.2. TRANSFORMADOR PRINCIPAL ........................................................................................ 50 2.1.3. TRANSFORMADOR DE ALUMBRADO ................................................................................ 51 2.1.4. SECCIONADOR PRINCIPAL ............................................................................................. 52 2.1.5. CELDA DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN ................................................................... 53 2.2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE COMPENSACIÓN REACTIVA ............................. 53 2.3. DESCRIPCIÓN DEL REGULADOR ELECTRÓNICO RVT “POWER FACTOR CONTROLLER” .................................................................................................................... 57 2.3.1. CONFIGURACIÓN DEL REGULADOR RVT.......................................................................... 59 2.3.1.1. Configuración del Banco........................................................................................... 59 x 2.3.1.2. Configuración de Instalación.................................................................................... 60 2.3.1.3. Configuración del Usuario........................................................................................ 60 2.3.1.4. Configuración actual del RVT .................................................................................. 61 2.3.2. REGULACIÓN ELÉCTRICA Y FÍSICA .................................................................................. 62 2.3.2.1. Regulación Física..................................................................................................... 62 2.3.2.2. Regulación Eléctrica ................................................................................................ 63 CAPÍTULO III ........................................................................................................................ 64 ESTUDIO DE LAS CAUSAS DE FALLA EN LA.................................................................... 64 COMPENSACIÓN REACTIVA ............................................................................................. 64 3.1. MEDICIONES DE TENSIÓN Y CORRIENTE EN LOS CONDENSADORES................ 64 3.2. PUESTA A TIERRA ....................................................................................................... 66 3.3. FUSIBLES DE PROTECCIÓN........................................................................................ 67 3.3.1. CÁLCULO DE LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO.............................................................. 68 3.4. VERIFICACIÓN DE LOS CONDUCTORES................................................................... 70 3.5. CONTACTORES DE CIERRE........................................................................................ 72 3.5.1. CÁLCULO DE LAS CORRIENTES TRANSITORIAS DE INSERCIÓN............................................. 73 3.6. CÁLCULO DE LAS FRECUENCIAS DE RESONANCIA DEL SISTEMA ...................... 74 3.7. CALCULO DEL FACTOR DE AMPLIFICACIÓN ............................................................ 77 3.8. ESTUDIO DE CONTENIDO ARMÓNICO EN LAS BARRAS DEL SISTEMA................. 78 3.9. ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS REGISTRADOS..................................................... 79 3.9.1. Tensiones de Fase (V1-V2-V3).................................................................................... 79 3.9.2. Corrientes de Fase (1-2-3) .......................................................................................... 80 3.9.3. Corriente en el conductor Neutro ................................................................................ 80 3.9.4. Consumo de Potencia Activa ...................................................................................... 81 3.9.5. Consumo de Potencia Reactiva .................................................................................. 81 3.9.6. Consumo de Potencia Aparente ................................................................................. 81 3.9.7. Factor de Potencia por Fase........................................................................................ 81 3.9.8. Amplitud de las componentes Armónicas de Voltaje................................................... 82 3.9.9. Amplitud de las componentes Armónicas de Corriente. ............................................. 82 3.9.10. Distorsión Armónica total de Voltaje THDV .............................................................. 82 3.9.11. Distorsión Armónica Total de Corriente THDI........................................................... 83 3.10. CÁLCULO DE SOBRECORRIENTE Y SOBRETENSIÓN POR EFECTO DE ARMÓNICOS EN LOS CONDENSADORES ........................................................................ 83 3.10.1. CÁLCULO DE SOBRECORRIENTES................................................................................... 85 3.11. CALCULO DE LA DISTORSIÓN TOTAL DE LA DEMANDA TDD .............................. 86 xi 3.11.1. CÁLCULO DE LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO ........................................................ 87 3.11.2. ARMÓNICOS DE CORRIENTE ...................................................................................... 89 3.11.3. ARMÓNICOS DE TENSIÓN .......................................................................................... 91 3.12. MEDICIONES DE TEMPERATURA EN EL BANCO DE CONDENSADORES ........ 93 3.12.1. REGLAS DE VENTILACIÓN........................................................................................... 94 3.13. PROGRAMACIÓN DEL REGULADOR...................................................................... 96 3.14. VALOR CT ................................................................................................................. 96 3.15. VALOR C/K ................................................................................................................ 97 3.16. OBSERVACIONES EN LA CONFIGURACIÓN.......................................................... 99 CAPITULO IV...................................................................................................................... 100 ANÁLISIS COSTO - BENEFICIO DE LA APLICACIÓN DE LAS MEJORAS EN EL SISTEMA DE COMPENSACIÓN REACTIVA ..................................................................................... 100 4.1. COSTOS Y BENEFICIOS PRODUCIDOS POR LA MEJORA DEL SISTEMA DE COMPENSACIÓN............................................................................................................... 101 3.1.1. CÁLCULO DE LA CAPACIDAD TÉRMICA LIBERADA............................................................. 101 3.1.2. COSTOS DE LA PROPUESTA.......................................................................................... 105 ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO .......................................................................................... 105 CAPÍTULO V........................................................................................................................ 107 CONCLUSIONES DEL ESTUDIO ....................................................................................... 107 3.1.1. ARMÓNICOS DE CORRIENTE ......................................................................................... 107 3.1.2. ARMÓNICOS DE TENSIÓN.............................................................................................. 108 3.1.3. RANGO DE TEMPERATURAS.......................................................................................... 109 3.1.4. CONDUCTORES DE CONEXIÓN ...................................................................................... 110 3.1.5. EQUIPOS DE MANIOBRA................................................................................................ 110 3.1.6. PROGRAMACIÓN DEL REGULADOR................................................................................. 111 3.1.7. CONDENSADORES TRIFÁSICOS ..................................................................................... 112 3.1.8. MANTENIMIENTO DE LOS CONDENSADORES................................................................... 113 3.1.9. ESTUDIO COSTO-BENEFICIO......................................................................................... 114 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................... 115 TABLAS ANEXAS ............................................................................................................... 117 xii INTRODUCCION El costo de la energía eléctrica se ha venido incrementando paulatinamente en los últimos años en Venezuela. El proceso inflacionario, las nuevas inversiones con tecnología de punta y en general el costo energético a nivel mundial, están obligando a esta condición. Esto conlleva a reflexionar y buscar alternativas que permitan disminuir el costo del servicio eléctrico, ya sea por la vía de la autogeneración parcial ó total, o a través de la optimización de las instalaciones existentes. El transporte de potencia reactiva a través de cables de los generadores, líneas de transmisión, transformadores, interruptores, y los cables que alimentan al motor, así como sus propios devanados, encarecen el suministro de potencia a la máquina, provocando una reducción del voltaje aplicado, lo cual incrementa las pérdidas en todos los circuitos indicados y aumenta la potencia reactiva en las propias líneas de conducción del sistema de potencia, disminuyendo de esta manera el factor de potencia en el sistema de transmisión. Por tal motivo, las empresas de distribución de energía eléctrica penalizan a los usuarios que tienen su factor de potencia por debajo del indicado para su demanda. Debido a esto, se hace necesaria la instalación de sistemas eléctricos que permitan la compensación de potencia reactiva en el lugar de consumo para lograr el mejoramiento del factor de potencia. Estos sistemas están formados por bancos de condensadores de potencia, denominados sistemas de compensación reactiva, los cuales pueden proporcionar potencia reactiva a las cargas de tipo inductivo existentes en la mayoría de las instalaciones industriales como los motores de inducción, transformadores, equipos de iluminación etc. xiii Los bancos de condensadores permiten un ahorro energético al disminuir el consumo de potencia aparente en kVA de la planta industrial, y a la vez, una disminución de la potencia Joule en los conductores de la misma, así como evitan también, la penalización por bajo factor de potencia. Como cualquier sistema eléctrico, estos sistemas requieren operaciones de mantenimiento tanto preventivo como correctivo para garantizar su funcionamiento óptimo. El presente trabajo esta orientado a la búsqueda de las causas de fallas a través de diferentes procesos de evaluación y observación, y elaborar una propuesta que mejora el sistema de compensación reactiva de la planta de alimentos balanceados para animales “Procria”, en la cual han existido problemas con el mismo desde hace algún tiempo. El trabajo ha sido dividido en cuatro capítulos para lograr una mejor orientación en la lectura del mismo. Los capítulos son los siguientes: • Capitulo I: En este capítulo se hace una descripción de los sistemas de compensación reactiva, abarcando sus principios de funcionamiento y los diferentes tipos de compensación reactiva que existen, así como los diferentes elementos que componen a estos sistemas y sus ventajas. También se describen las diferentes causas que pueden conllevar a una eventual falla de un banco de condensadores, tales como los problemas de operación por armónicos, por exceso de temperatura, equipos de maniobra incorrectos, etc. También se describe la norma IEEE 5191992, la cual establece el límite de inyección de armónicos para una instalación de tipo industrial. • Capitulo II: En este capítulo se realiza una descripción del sistema de compensación reactiva de la planta con el fin de obtener todos los datos necesarios para iniciar los xiv procesos de observación y las mediciones necesarias para determinar las causas de fallas del sistema de compensación reactiva. • Capitulo III: En este capítulo se describen todos los procesos de medición y observación concernientes a la investigación para determinar las causas de fallas en el sistema. Se verifican todos los parámetros de funcionamiento del banco de condensadores y las condiciones de trabajo del mismo. • Capitulo IV: En este capítulo se realiza un análisis costo-beneficio con la finalidad de mostrar las ventajas y el tiempo de recuperación de la inversión en el caso de aplicar los correctivos necesarios para evitar que sigan presentándose las fallas en el sistema de compensación. xv ALCANCES DEL PROYECTO • Realizar un aporte al estudio de los sistemas de compensación reactiva de baja tensión para instalaciones eléctricas de tipo industrial. • Realizar un estudio sobre los armónicos y los diferentes efectos negativos que pueden tener sobre los bancos de condensadores. • Estudiar las recomendaciones dadas por las diferentes normas sobre inyección de armónicos en instalaciones eléctricas de tipo industrial. • Investigar sobre las diferentes condiciones de trabajo que pueden conllevar a una eventual falla en un banco de condensadores. • Realizar una propuesta para mejorar las condiciones de trabajo del banco de condensadores y un estudio de factibilidad económica de la misma. xvi CAPÍTULO I Compensación de la Energía Reactiva 1.1. Naturaleza de la Energía Reactiva Debido a las particularidades de la tensión alterna, cuando entran en funcionamiento máquinas que tengan circuitos magnéticos, tales como: motores, transformadores de distribución, maquinas de soldar, bobinas de reactancias, etc.; estos circuitos magnéticos exigen de la red de alimentación dos tipos de energía: 1) La energía activa, correspondiente a la potencia activa P medida en KW (KiloWatt), que se transforma integralmente en energía mecánica (trabajo) y calor (pérdidas). 2) La energía reactiva correspondiente a la potencia reactiva Q medida en KVAR (Kilovolt-amper reactivo), que sirve para alimentar los circuitos magnéticos, y que es necesario para su funcionamiento. Este tipo de cargas (denominadas inductivas) absorben energía de la red durante la creación de los campos magnéticos que necesitan para su funcionamiento y la entregan durante la destrucción de los mismos. Este flujo de energía entre los receptores y la fuente (figura Nº 1-1), provoca perdidas en los conductores, caídas de tensión en los mismos, y un consumo suplementario de energía que no es aprovechable directamente por las cargas conectadas. xvii S=P+jQ (kVA) Q (kVAr) P (kW ) M M Carga Inductiva Carga Inductiva Carga Resistiva Figura N° 1-1. Flujo de Energía en una instalación. La compensación vectorial de la energía activa P y la energía reactiva Q componen un vector llamado energía aparente S correspondiente a la potencia Aparente S medida en kVA (Kilovolt-amper) (figura Nº 1-2). 1.2. El factor de Potencia Se conoce como factor de potencia al cociente entre la potencia activa (kW) consumida por la instalación y la potencia aparente (kVA) suministrada a la instalación, que es coincidente con el coseno del ángulo entre la tensión y la corriente cuando la forma de onda es senoidal pura. El factor de potencia expresa en términos generales, el desfasamiento o no, de la corriente con relación al voltaje y es utilizado como indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica, el cual puede tomar valores entre 0 y 1 siendo la unidad (1) el valor máximo de FP y por tanto el mejor aprovechamiento de energía. co s φ = P / S S Q ϕ P Figura Nº 1-2. El cos ϕ como representación del rendimiento eléctrico de una instalación xviii Se acostumbra a hablar indistintamente de FP (factor de potencia) y cos ϕ como dos magnitudes análogas; en la actualidad con la aparición de elementos en la red que producen distorsiones armónicas no se puede considerar que el FP y el cos ϕ sean iguales sin un análisis de sus correspondientes magnitudes, pero con frecuencia, el cos ϕ tiene el mismo valor que el FP en instalaciones donde no existan mayores problemas de operación por armónicos. El cos ϕ no toma en cuenta la potencia transformada por los armónicos. En la práctica, se tiende a hablar de cos ϕ. La potencia activa debe ser inevitablemente suministrada por la red, pero no sucede lo mismo con la potencia reactiva, la cual puede ser aportada por dos tipos de aparatos que pueden producir la energía reactiva necesaria: 1- Los compensadores o motores sincrónicos. 2- Los compensadores estáticos o capacitares. El empleo de los compensadores sincrónicos es interesante para grandes redes de transporte de energía o industria con un motor principal de alto consumo, pero en todos los otros casos, se utilizan condensadores para compensar el factor de potencia; los condensadores estáticos presentan grandes ventajas a saber: simplicidad en la instalación, facilidad de regulación de la potencia reactiva, pérdidas muy reducidas, bajo contenido de fallas y principalmente la reducción de costos, ya sea en su instalación como en su mantenimiento. Al usuario mismo le interesa que el factor de potencia sea alto, próximo a 1, porque un bajo factor de potencia limita la capacidad de potencia de una instalación eléctrica, transformador, tablero de interruptores y cables, e incrementa las pérdidas internas. xix 1.3. Los Condensadores como compensadores de energía reactiva Al conectarse un circuito capacitivo (RC) en paralelo con un circuito inductivo (RL), la potencia reactiva instantánea para el circuito RL esta 180º fuera de fase con respecto a la potencia reactiva instantánea del circuito RC. La potencia reactiva total es la diferencia entre la potencia reactiva (Q) para el circuito RL y la Q para el circuito RC. Se le asigna un valor positivo a la Q consumida por una carga inductiva y un signo negativo a la Q consumida por una carga capacitiva. Generalmente se piensa en el condensador como en términos de un generador de potencia reactiva positiva, en lugar de considerarse como una carga que requiere potencia reactiva negativa. Este concepto resulta lógico en el caso de un condensador que consume una Q negativa y que está en paralelo con una carga inductiva; esta condición reduce la Q que de otra forma tendría que ser suministrada a la carga inductiva por el sistema. En otras palabras, el condensador suministra la Q requerida por la carga inductiva. Esto es lo mismo que considerar, como se muestra en la figura N° 1-3, el condensador como un dispositivo que entrega una corriente en atraso, en lugar de entregarla en adelanto. Por ejemplo, un banco de condensadores variable que está en paralelo con una carga inductiva puede ajustarse de tal modo que la corriente en adelanto que lleva, sea exactamente igual en magnitud a la componente de corriente de la carga, la cual atrasa en 90º el voltaje. Así la corriente resultante está en fase con el voltaje. Aunque el circuito inductivo requiere de potencia reactiva positiva, la potencia reactiva total es cero. xx i i + i + V i C V C - L - Figura Nº 1-3. Condensador considerado como: a) Elemento pasivo de circuito que toma corriente en adelanto, b) generador que suministra corriente en atraso. Qc P [kW] P ϕ2 ϕ1 QL- Qc S1 QL S2 Q [kVAr] Figura Nº 1-4. Mejoramiento del Factor de Potencia mediante la adición de Potencia Reactiva Capacitiva xxi 1.4. Compensación de Energía Reactiva Se denomina compensación de energía reactiva o mejoramiento del factor de potencia al procedimiento dirigido a aumentar hasta ciertos límites, el factor de potencia de un sistema con cargas inductivas en un punto dado de la red eléctrica, mediante el aporte de la energía reactiva necesaria para el funcionamiento de dichas cargas a través de condensadores de compensación. Los condensadores se deben instalar en paralelo con la carga que se debe corregir, de modo que mientras la carga original produce la circulación de una corriente de carácter inductivo, los condensadores compensan dicha corriente con otra de similar magnitud pero de carácter capacitivo, cancelando el efecto de la corriente inductiva. P+jQL M 3φ P+j(QL-QC) -jQC I V C Figura Nº 1-5. Conexión paralelo de condensadores con cargas inductivas 1.5. Determinación del nivel de compensación de energía reactiva El valor de potencia reactiva necesaria para realizar la compensación se determina a través del triángulo de potencias de la figura Nº 1-4, en el cual se tienen los valores ϕ1 y ϕ2, los cuales representan los ángulos de desfase entre la potencia activa y reactiva antes y después de la compensación. xxii Para aplicar este método es necesario conocer la potencia activa P, el cos ϕ medio de la instalación y el cos ϕ deseado de la instalación eléctrica, a partir de los datos suministrados por los fabricantes de las diferentes cargas existentes en la instalación: De la figura Nº 1-4 se obtienen las siguientes expresiones: tanϕ1 = QL P (1-1) tanϕ 2 = QL − QC P (1-2) tanϕ 2 = tanϕ1 − QC P (1-3) despejando Qc se obtiene Qc = P * [tanϕ1 − tanϕ 2 ] (1-4) La expresión (1-4) permite calcular el valor de potencia reactiva necesaria para aumentar el factor de potencia desde un valor cos ϕ1 hasta el cos ϕ2 final conociendo el valor de la potencia activa P de la instalación. 1.6. Ventajas de la Compensación Reactiva Existen diversas razones por las cuales es necesario compensar reactivamente una instalación eléctrica, especialmente aquellas que tienen altas cargas inductivas como motores, transformadores de potencia, etc., entre las cuales están el factor económico, ya que se reducen las penalizaciones por bajo factor de potencia que aplican las empresas distribuidoras de energía eléctrica, así como obtener mejoras dentro de la instalación como aumento de potencia disponible, disminución de las pérdidas por efecto joule, reducción de la sección de los conductores etc. xxiii A continuación se explican detalladamente las ventajas de la compensación reactiva. 1.6.1 Reducción de la intensidad de corriente Un factor de potencia elevado optimiza los componentes de una instalación eléctrica, mejorando su rendimiento eléctrico. Entre estas ventajas está la de reducir la corriente eficaz circulante por los conductores de la instalación. La cual trae otras ventajas adicionales como reducción de las pérdidas por efecto joule, aumento de la potencia disponible en el secundario del transformador etc. Esta afirmación se puede demostrar mediante las siguientes ecuaciones: La corriente por fase de una instalación se puede calcular mediante la siguiente ecuación: I= kVA (1-5) 3 * kV pero kVA = ∴I= kW cos ϕ kW 3 * kV (1-6) * 1 cos ϕ (1-7) La ecuación (1-7) demuestra la disminución de la corriente eficaz circulante por los conductores de la instalación al aumentar el cos ϕ a valores cercanos a la unidad. La disminución de la corriente permite reducir la sección de los conductores en cálculos de proyecto, ya que para una misma potencia activa, la intensidad resultante de la instalación compensada es menor. A través de la ecuación (1-7) se puede obtener un coeficiente multiplicador de la sección del conductor en función del cos ϕ de la instalación, el cual se resume en la tabla Nº 1-1. xxiv Tabla N° 1-1. Coeficiente multiplicador de la sección del conductor en función del cos ϕ de la instalación Cos ϕ 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 Factor multiplicador de la sección del cable 1,00 1,11 1,25 1,43 1,67 2,00 1.6.2 Disminución de la caída de tensión en los conductores El mejoramiento del factor de potencia permite la reducción de las caídas de tensión, aguas arriba del punto de conexión del equipo de compensación, al disminuir consumo de corriente eficaz de la instalación. Mediante la ecuación (1-8) se puede demostrar la variación en la caída de tensión: kW * Z ∆V = I * Z = 3 * kV * cos ϕ (1-8) 1.6.3 Reducción de las pérdidas en los conductores El aumento del cos ϕ o Factor de Potencia permite reducir las pérdidas de potencia activa en los conductores o transformadores. Tal variación en la potencia activa se puede demostrar mediante la siguiente ecuación: La Potencia activa es: P = I2 * R kW 2 * R 1 * ∴ ∆P = 2 3 * kV cos 2 ϕ (1-9) (1-10) La expresión (1-10) demuestra la variación de la potencia activa con respecto al cos ϕ xxv 1.6.4 Ahorro en la facturación de electricidad Debido a las ventajas que presenta mantener una instalación eléctrica con un alto factor de potencia, las empresas distribuidoras de energía eléctrica penalizan a los consumidores cuyo factor de potencia es bajo (por ejemplo menor a 0,90), con el fin de incentivar su corrección a valores lo más cercanos posible a 1. Esto es debido al incremento de energía reactiva que tienen que suministrar desde la planta de generación y al incremento de las pérdidas por Efecto Joule en los conductores de distribución, lo cual trae como consecuencia el tener que utilizar conductores de mayor calibre y un mal aprovechamiento de la energía eléctrica. 1.7 Métodos de Compensación Reactiva La forma más correcta de realizar la corrección del factor de potencia es compensando carga por carga o equipo por equipo. De este modo, cada vez que se conecta un equipo a la red, éste ingresa con su potencia reactiva compensada y cada vez que se desconecta se retira con sus condensadores, sin afectar al funcionamiento del conjunto. La compensación individual presenta las siguientes ventajas: • Los condensadores son instalados cerca de la carga inductiva, la potencia reactiva es confinada al segmento más pequeño posible de la red. • El arrancador para el motor puede también servir como un interruptor para el condensador, eliminando así el costo de un dispositivo de control del condensador solo. • El uso de un arrancador proporciona control semiautomático para los condensadores, por lo que no son necesarios controles complementarios. • Los condensadores son puestos en servicio sólo cuando el motor está trabajando. • Todas las líneas quedan descargadas de la potencia reactiva. xxvi C ∼ ∼ C ∼ C ∼ C Figura N° 1-6. Compensación Reactiva Individual 1.7.1Compensación individual en motores eléctricos Como se ha mencionado, el método de compensación individual es el tipo de compensación más efectivo ya que el condensador se instala en cada una de las cargas inductivas a corregir, de manera que la potencia reactiva circule únicamente por los conductores cortos entre el motor y el condensador. No obstante, este método presenta las siguientes desventajas: • El costo de varios condensadores por separado es mayor que el de un condensador individual de valor equivalente. • Existe subutilización para aquellos condensadores que no son usados con frecuencia. Es importante mencionar que para no incurrir en una sobre compensación de la potencia inductiva, que provoque alteraciones en el voltaje que puedan dañar la instalación eléctrica, la potencia del banco de condensadores deberá limitarse al 90% de la potencia reactiva del motor en vacío. Tamaño del condensador La potencia del condensador a conectar directamente con el motor puede ser determinado de acuerdo a uno de los siguientes métodos: • Multiplicar por 1/3 el valor del motor expresado en hp 1 xxvii • El 40% de la potencia del motor en kW 2 • Utilizar tablas con valores recomendados por NEMA (National Electrical Manufacturers Association) (Sección de Anexos ). 1.7.2 Compensación por etapas En la compensación por etapas, el equipamiento de compensación se asigna a un grupo de cargas. Estas cargas pueden ser motores o bien lámparas fluorescentes que se conectan a la red en conjunto por medio de un contactor o interruptor automático. (figura N° 1-7). En este caso, como todo componente eléctrico que se conecta a una red de alimentación, los condensadores se deben instalar a través de elementos de protección adecuados. ∼ ∼ ∼ ∼ C Figura N° 1-7. Compensación por Etapas 1 y 2.- Fuente: Comisión Nacional Mexicana para el Ahorro de Energía. Dirección de Demanda Eléctrica. 1.7.3 Compensación Centralizada Para la compensación centralizada se emplean, unidades automáticas de regulación de energía reactiva, que se conectan directamente a un cuadro o tablero principal o secundario de distribución. Este tipo de compensación es conveniente xxviii cuando se trata de instalaciones, donde se tiene conectado a la red un gran número de cargas, con diferentes potencias y tiempos de conexión variables. Una compensación centralizada tiene además, otras ventajas como por ejemplo: • El equipo de compensación es fácilmente controlable debido a su posición central. • La potencia reactiva suministrada por los condensadores se ajusta por pasos al requerimiento de potencia reactiva de los consumidores. • Con frecuencia, en función del factor de simultaneidad, la potencia reactiva capacitiva a instalar es menor que en el caso de una compensación individual. Regulador ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ Figura N° 1-8. Compensación Reactiva Centralizada Lo más aconsejable es conectarlos a través de una llave seccionadora bajo carga, que admita una corriente de conexión bajo carga o de cortocircuito suficientemente alta como para soportar la corriente de inserción de los condensadores y fusibles de corte lento. Cabe recordar que un condensador descargado que se conecta a una fuente de tensión, presenta una impedancia baja, generándose un transitorio de corriente muy elevado que puede llegar a valores del orden de 100 a 150 veces la corriente nominal, durante un corto lapso. xxix 1.8 Descripción de los Bancos de Condensadores Automáticos En instalaciones donde permanentemente se conectan y desconectan diferentes cargas durante el servicio, el cos ϕ se modifica continuamente. Para este tipo de instalaciones se emplean equipos de compensación centralizados tales como bancos de condensadores automáticos, los cuales conectan y desconectan condensadores de acuerdo con los estados instantáneos de la red. Los bancos de condensadores automáticos son sistemas de compensación de energía reactiva de salida variable que hacen uso de equipos de regulación electrónicos para adaptar la potencia reactiva necesaria en instalaciones eléctricas donde el consumo de esta potencia presenta fluctuaciones continuas. Para su funcionamiento, el sensor electrónico detecta las variaciones en la demanda reactiva, y en función de estas fluctuaciones, actúa sobre los contactores permitiendo la entrada o salida de los condensadores necesarios. Figura Nº 1-9. Banco de Condensadores Automático La instalación de un equipo de compensación automática debe asegurar que la variación del factor de potencia en la instalación no sea mayor de un ±10% del valor medio obtenido en un prolongado periodo de funcionamiento. xxx 1.8.1 Elementos de un Banco de Condensadores Automático Un equipo de compensación automático está constituido por tres elementos principales: 1.8.1.1. El Sensor Este dispositivo, mide permanentemente el valor de factor de potencia y por intermedio de contactores especiales incorporan o retiran condensadores a demanda de la carga. Estos dispositivos permiten obtener una corrección del factor de potencia para amplias variaciones de la carga, en cuanto a potencia y a factor de potencia. Dependiendo del grado de sofisticación del sensor, se pueden visualizar otros parámetros eléctricos de información del sistema tales como Potencia Aparente, Potencia Activa, Frecuencia de Trabajo, Distorsión armónica de Voltaje (THDV), Distorsión Armónica de Corriente (THDI), etc. 1.8.1.2 Los Contactores Son los elementos encargados de conectar los distintos condensadores que configuran la batería, los cuales conforman un conjunto de escalones de potencia reactiva. El número de escalones que es posible disponer en un sistema de compensación automático depende de la cantidad de salidas que tenga el sensor. 1.8.1.3 Los Condensadores Son los elementos que aportan la energía reactiva a la instalación. Por lo general se emplean condensadores trifásicos, formados por cajas moldeadas que contienen en su interior, condensadores monofásicos conectados en estrella o en delta. En la figura N° 1-10 se puede observar estas conexiones de condensadores. xxxi Conexion Delta Conexion Estrella Figura N° 1-10. Conexiones Delta y Estrella de los Condensadores Monofásicos Cuando se construyen equipos de compensación es conveniente prever siempre una buena instalación de ventilación, con el fin de permitir el funcionamiento de todos los escalones conectados a la temperatura más baja posible. Además de estos elementos, existen otros elementos externos que son necesarios para que el sensor pueda hacer las mediciones del cos ϕ y los demás parámetros. Estos elementos son los siguientes: 1.8.1.4 El Transformador de Corriente El transformador de corriente es necesario para que el sensor pueda realizar la lectura de corriente en la totalidad de la instalación. Con esta medición de corriente y con la de voltaje, el sensor electrónico puede realizar los cálculos de potencia activa, reactiva y Aparente del sistema Dimensionamiento del Transformador de Corriente Para una correcta lectura de intensidad, el dimensionamiento del transformador de Corriente o Transformador Amperimétrico debe tomar en cuenta las siguientes recomendaciones: xxxii 1. Por lo general se debe utilizar un Transformador de Corriente (TC) con secundario de 5 A y corriente primaria superior a la máxima absorbida por la carga. Conviene escoger la relación de Transformación del TC de manera que se pueda garantizar constantemente una señal amperimétrica al secundario comprendido en el intervalo de 0,5 a 5 A, intervalo de valor óptimo para una correcta medida del sensor. 2. Se debe conectar el TC sobre la fase de la red con mayor carga inductiva y conectada sobre el borne del seccionador que no alimenta el circuito voltimétrico (ver figura Nº 1-11). 3. Es necesario, colocar el transformador de corriente sobre la línea de la instalación a compensar, exactamente agua arriba de las cargas de la red, como del punto de derivación de la alimentación del cuadro de compensación. El TC instalado debe así poder medir la corriente absorbida de toda la instalación, sea la inductiva como la capacitiva. 4. En el caso en el cual se deba compensar dos o mas transformadores en paralelo, se deben utilizar dos o mas TC cuyos secundarios alimentaran un transformador sumador con salida de 5 A. xxxiii Banco de Compensación Automático Figura Nº 1-11. Ejemplo de conexión del Transformador de Corriente 1.8.2. La Lectura de Tensión Normalmente se incorpora en la propia batería de manera que al efectuar la conexión de potencia, de la misma ya se obtiene este valor. Esta información de la instalación (tensión e intensidad) le permite al sensor efectuar el cálculo del cos ϕ existente en la instalación en todo momento y le capacita para tomar la decisión de introducir o sacar escalones de potencia reactiva. Además también calcula valores instantáneos de Potencia Activa, reactiva y Aparente. En algunos modelos también se incorpora la medición de factores de distorsión por efecto de armónicos en las líneas del sistema. xxxiv 1.9. Fenómenos asociados a las baterías de condensadores La conexión de una batería de condensadores da lugar a un régimen transitorio de corriente y de tensión en la línea y en el equipo, debido a la baja impedancia que presenta el condensador durante el instante de la conexión. Figura Nº 1-12. Curvas de Sobreintensidad por cierre del contactor Si no se la limitan estas corrientes transitorias en equipos de 100 KVAr o más, se puede causar el deterioro rápido del banco y de los equipos de protección y maniobra. La aparición de una elevada corriente en el momento de la conexión de un condensador es un fenómeno que se produce debido a una característica inherente al mismo, la de tratar de mantener su tensión constante. Antes de la conexión, el condensador se encuentra descargado (tiempo t=0-), por lo tanto la diferencia de tensión al conectarse (tiempo t=0+) genera una gran corriente transitoria de elevada intensidad hasta que el condensador entra en el régimen permanente y su corriente se estabiliza de acuerdo a la tensión de red aplicada. xxxv La conexión de un condensador descargado a la red es un cortocircuito momentáneo para la misma, y la intensidad de la corriente depende de la potencia del condensador que se conecta, de la potencia de los condensadores que estaban conectados anteriormente, los cuales tienden a descargarse sobre el que está entrando, y de la potencia de cortocircuito en el punto de conexión (ya que también se comporta como un cortocircuito para el transformador que está proveyendo energía). Por lo tanto la corriente de inserción aumentará cuanto mayor sea la potencia del condensador que entra, de los condensadores que ya estaban conectados y del transformador. Esta corriente puede llegar a ser hasta 100 veces la nominal del condensador que se conecta y obviamente, ningún condensador está diseñado para soportarla sin sufrir disminución de su vida útil. La norma CEI 831 establece que el valor de cresta de la sobrecorriente de conexión debe ser inferior a 100*Ic . Es necesario, por tanto, tomar medidas para reducir las elevadas sobreintensidades que aparecen en las maniobras de las baterías de condensadores. Comúnmente se emplean dos alternativas: contactores especialmente diseñados para conexión de condensadores, o bien contactores standard incluyendo en el circuito elementos inductivos que reduzcan las sobrecorrientes. 1.9.1 Contactores especiales para condensadores Estos contactores se caracterizan por disponer de unos contactos auxiliares equipados con resistencias de pre-carga. Estos contactos se cierran antes que los de potencia y la cresta de conexión es fuertemente limitada por el efecto de las resistencias. A continuación se cierran los contactos de potencia, dejando de actuar las resistencias durante el funcionamiento normal del condensador. El empleo de estos contactores es altamente recomendable pues limitan notablemente las sobrecorrientes. xxxvi Figura Nº 1-13. Contactor con resistencia de precarga 1.9.2 Contactores standard En el caso de emplear contactores standard es imprescindible reducir la cresta de la corriente de conexión. Como la duración y resistencia de los contactos de los contactores varía según modelo y fabricante del contactor, el procedimiento a seguir es el siguiente: • en primer lugar calcular el valor de la corriente de conexión • comprobar, con la información del fabricante de contactores, que el contactor a emplear puede soportar dicha corriente. En caso contrario hay que calcular, por medio de las mismas ecuaciones, que inductancia hay que añadir en serie con el condensador para que la corriente se reduzca a un valor admisible para el contactor. xxxvii Figura Nº 1-14. Contactor con inductancias limitadoras 1.10. Cálculo de las corrientes de conexión de condensadores de potencia 1.10.1. Conexión de un solo condensador En el caso de conexión de un único condensador, el valor de pico de la corriente de conexión puede calcular, mediante la siguiente ecuación: Ie = Ic * 2 * h0 (1-11) pero h0 = Pcc Q ∴ Ie = Ic * (1-12) 2 * Pcc Q (1-13) xxxviii donde: • Ie: valor pico de la corriente transitoria de conexión (A) • Ic: Valor eficaz de la corriente nominal del condensador (A) • Pcc: Potencia de cortocircuito en el punto de conexión del condensador (MVA) • Q: Potencia nominal del condensador (MVAr) 1.10.2. Conexión de un condensador en paralelo con otros ya conectados Cuando se conecta un condensador descargado a un conjunto de condensadores ya energizados, el valor de la corriente de inserción se ve aumentado, debido a que los condensadores tienden a descargarse sobre el condensador entrante. Es aquí donde la corriente puede tener valores superiores a 100*Ic, lo cual es un inconveniente para la operación de los condensadores. La corriente de inserción puede calcularse mediante la siguiente ecuación: Ie = U* 2 XC * XL (1-14) siendo 1 1 * 10 −6 + X C = 3 * U 2 * Q Q 2 1 y la frecuencia de la corriente de conexión fs = fn * XC XL (1-15) (1-16) donde: • Ie = valor de cresta de la corriente transitoria de conexión (A) S • U = valor eficaz de la tensión simple (fase-neutro) (V) • XC = reactancia capacitiva serie por fase (S) C • XL = reactancia inductiva por fase entre condensadores (S) L • Q1 = potencia del condensador a conectar (MVAr) 1 • Q2 = suma de potencias de los condensadores ya conectados (MVAr) 2 • fn = frecuencia nominal de la red (Hz) N xxxix • fs = frecuencia de la corriente transitaria de conexión (Hz) S 1.11. Protección de Condensadores contra cortocircuitos La norma DIN EN 60831-1 (VDE 560, Parte 46) señala que los condensadores deben ser aptos para prestar servicio permanente con una corriente, cuyo valor eficaz no sobrepase 1,3 veces la corriente que circularía con la tensión senoidal nominal y la frecuencia nominal. Para proteger contra cortocircuitos las unidades de condensadores se emplean, por lo general, fusibles NH de la clase de servicio gL / gG. La corriente asignada de los fusibles se selecciona en 1,6 a 1,7 veces la corriente asignada del condensador para evitar que los fusibles reaccionen cuando se conectan los condensadores. 1.12. Efectos de los Armónicos sobre los condensadores de Potencia En un sistema de potencia ideal, el voltaje que abastece a los equipos de los clientes, y la corriente de carga resultante son perfectas ondas senoidales. En la práctica, sin embargo, las condiciones nunca son ideales, tan así que estas formas de onda se encuentran frecuentemente muy deformadas. Esta deformación de la onda senoidal se ve agravada con el creciente aumento en el uso de cargas no lineales (procedentes de la electrónica de potencia), debido a esto, se han empezado a tener algunos problemas en las instalaciones eléctricas debido a los efectos de las componentes armónicas de corrientes y voltajes en el sistema eléctrico que no se contemplaban anteriormente. Se llama carga no lineal a aquella carga cuya característica V-I no es una línea recta la cual corresponde a una carga resistiva, o bien, una elipse que corresponde a una carga inductiva-resistiva o capacitiva. Este tipo de cargas son xl alimentadas con voltajes casi senoidales, pero la corriente que extraen no es senoidal y de ahí que la característica V-I no sea lineal. A continuación se muestra una lista de ejemplos comunes de fuentes de armónicos en sistemas de potencia, entre las que se citan algunas cuyos efectos se pueden despreciar de manera segura en sistemas de distribución: a. Saturación de transformadores b. Corrientes de energización de transformadores c. Hornos de arco eléctrico d. Lamparas Fluorescentes e. Fuentes reguladas por conmutación f. Cargadores de Baterías g. Compensadores estáticos de VAr´s h. Variadores de frecuencia para motores (“drives”), inversores i. Convertidores de estado sólido La diferencia con la perfecta onda senoidal se expresa comúnmente desde el punto de vista de la distorsión armónica de las formas de onda del voltaje y de la corriente. La distorsión armónica en los sistemas de potencia no es un fenómeno nuevo, esfuerzos por limitarlo a proporciones aceptables ha sido el interés de ingenieros de potencia desde los primeros días de los sistemas de distribución especialmente, ha surgido un gran interés en el estudio de los efectos de los armónicos sobre motores sincrónicos y de inducción, interferencia telefónica, y fallas en condensadores de potencia. La distorsión de la onda senoidal a la frecuencia fundamental, se puede descomponer por serie de Fourier, en ondas múltiplos de la frecuencia fundamental. Así sobre un sistema de potencia de 60 Hz, la onda armónica tiene una frecuencia expresada por: farmónicos = h x 60 Hz (1-17) donde h es un número entero. xli Figura Nº 1-15. Distorsión de la Señal Fundamental por Armónicos En la tabla Nº 1-2 se muestra un resumen de la causa de armónicos sobre conductores y equipos de potencia, y su consecuencia. Tabla N° 1-2. Causa y efectos de los armónicos Efectos de los Causa Consecuencia Armónicos Sobre los conductores Las Intensidades armónicas provocan el Disparos intempestivos de las aumento de la IRMS protecciones El efecto pelicular (efecto skin) reduce la Sobrecalentamiento de los conductores sección efectiva de los conductores a medida que aumenta la frecuencia Sobre el Conductor de Cuando existe una carga trifásica + Cierre de los armónicos homopolares neutro neutro equilibrada que genera sobre el neutro que provoca armónicos impares de múltiplos 3 calentamientos y sobre intensidades Sobre los Transformadores Aumento de la IRMS Aumento de los calentamientos por efecto Joule en los devanados Sobre los motores Las pérdidas por Foucault son proporcionales al cuadrado de la frecuencia, las pérdidas por histéresis son proporcionales a la frecuencia. Análogas a las de los transformadores y Aumento de las pérdidas en el hierro Análogas a las de los transformadores xlii generación de un campo adicional al más perdidas de rendimiento principal Sobre los condensadores Disminución de la impedancia del Envejecimiento prematuro, amplificación condensadores con el aumento de la de los armónicos existentes frecuencia 1.12.1. Sobretensiones en Bancos de Condensadores Los condensadores de potencia fabricados bajo normas Europeas, se diseñan para operar a una frecuencia nominal de 50 Hz. Sin embargo, no existe ningún inconveniente técnico para que estos puedan operar a frecuencias más altas, como por ejemplo en el sistema americano (60 Hz). Esto implica un aumento de la potencia reactiva suministrada, proporcional al aumento de frecuencia. kVAr suministrados = ( frec.Aplicada ) * kVAr nom 50 (1-18) En operación normal, la frecuencia aplicada nunca debe exceder a los 60 Hz nominales. Análogamente cuando los condensadores se operan a un voltaje superior a su voltaje nominal, aumenta la potencia reactiva proporcionalmente al cuadrado de la relación de voltajes: kVAr suministrados Vaplic = Vnom 2 * kVAr nom (1-19) Los condensadores de potencia para baja tensión, pueden operar a sobrevoltajes que no superen el 10% la tensión nominal especificada por el fabricante, sin que aparezcan problemas de aislamiento, estabilidad térmica, etc. Sin embargo, en operación normal debe tratarse de que el voltaje aplicado no exceda el valor de su voltaje nominal, ya que el deterioro que produce el sobrevoltaje sobre los xliii dieléctricos es análogo al deterioro mencionado anteriormente producido por el sobrecalentamiento. Las relaciones (1-18) y (1-19) son consecuencia de la expresión: kVAr = 2 * π * f * C * kV 2 * 10 −3 (1-20) donde: kVAr : Potencia reactiva del condensador, en kVAr f: frecuencia de operación en ciclos por segundo C: Capacidad del condensador en µF kV: Voltaje aplicado entre bornes, en kV 1.12.2. Corriente Nominal de Operación La corriente nominal de un condensador monofásico puede calcularse por medio de la expresión: In = kVAr kV (1-21) donde: kVAr : Potencia reactiva nominal del condensador en kVAr kV: Voltaje nominal entre bornes en kV La corriente nominal por fase, de un banco de condensadores viene dada por la expresión: Ifn = kVAr (1-22) 3 * kV donde: kVAr : Potencia reactiva nominal del condensador en kVAr kV: Voltaje nominal entre bornes en kV xliv Esta expresión es independiente de que la conexión interna del banco de condensadores sea en delta (∆) o en estrella. Combinando las expresiones (1-20) y (1-21), se obtiene: I = 2 * π * f * C * kV * 10 −3 (1-23) de donde se deduce que la corriente que toma un condensador de potencia es directamente proporcional a la frecuencia de operación, a su capacidad y al voltaje aplicado entre bornes. 1.12.3. Amplificación de corriente y tensión en un condensador La expresión (1-23) muestra claramente el efecto que producen los armónicos sobre la corriente que toma un condensador. Por ejemplo, un séptimo armónico tendería a hacer pasar al condensador una corriente siete veces mayor que la nominal, sino se presentase con una amplitud de voltaje más reducida que la de la onda fundamental. Las corrientes armónicas que suelen encontrarse en la práctica, son de orden impar. Las señales de voltaje que llegan a los condensadores contienen los armónicos 3º, 5º, 7º... etc., con valores eficaces e3, e5, e7, respectivamente, medidos en tanto por ciento de la onda fundamental. El valor eficaz del voltaje total resultante aplicado al condensador viene dado por la expresión: V = 0.01 * Vn * 100 2 + e3 2 + e5 2 + e7 2 + ... (1-24) xlv y la corriente eficaz que toma cada condensador I = 0.01 * In * 1002 + 9 * e32 + 25 * e52 + 49 * e72 + ... (1-25) siendo Vn e In, el voltaje y la corriente nominales, respectivamente, a la frecuencia nominal del condensador. El incremento de potencia reactiva de operación debido exclusivamente a la existencia de estas armónicas, puede calcularse, en tanto por ciento, según la expresión: ∆kVAr % = 0.01 * (3 * e3 2 + 5 * e5 2 + 7 * e7 2 + ...)% (1-26) Como una aproximación aceptable, este porcentaje puede considerarse referido a la potencia reactiva nominal del banco instalado. Las armónicas de secuencia positiva son todas del orden (6n+1), donde n es cualquier número entero; las de secuencia negativa del orden (6n-1); y las de secuencia cero del orden (6n-3). Las 7ma, 13 era, 19na, 25ta, armónicas son de secuencia positiva. Las 5ta, 11era, 17ma y 23era son de secuencia negativa. Las 3era, 9na, 15ta, 21era y 27ma armónicas son de secuencia cero. En un sistema trifásico simétrico, no se presentan armónicos. Si se desea generar armónicas uniformes estas están generalmente asociadas a cargas con sistemas de rectificación. Los condensadores en razón de su tendencia a presentar baja impedancia para las corrientes armónicas, permiten que las armónicas de secuencia cero puedan fluir sólo si el banco de condensadores esta conectado en estrella con el neutro conectado a tierra. Esta es otra razón para conectar el banco en estrella con neutro flotante o en delta (∆). Para los condensadores de potencia de baja tensión, se recomienda un limite no mayor al 10% de sobrevoltaje para el voltaje total resultante. La sobrecorriente máxima permisible, debido a la onda de voltaje fundamental y sus armónicas es del 80% de la corriente nominal. La combinación de ambos factores, xlvi sobrevoltaje y sobrecorriente, no debe sobrepasar el incremento de potencia reactiva de operación máximo permisible, que es del 35%, con respecto a la potencia reactiva nominal. Cuando se presenta un problema de sobrecarga de corriente o de potencia, los condensadores suelen mostrar síntomas de una temperatura de operación elevada y en las peores circunstancias, una deformación del tanque, que indica las altas presiones internas a las que esta sometido el aparato. En instalaciones en la que cabe esperar perturbaciones de consideración en la onda fundamental, debe preverse la existencia de estas sobrecorrientes, tanto en su alambrado o conexión, como en todos sus accesorios y equipo auxiliar. Especialmente deben tomarse las siguientes precauciones: a) Tomar un cuidado especial en la ventilación e incluso refrigeración del banco. b) Dejar el neutro flotante, en caso de conexión en estrella. Si se tienen problemas de sobrecarga de corriente o de potencia, se puede ver si es posible: c) Desconectar el banco en los períodos de máxima generación de armónicos. d) Colocar inductancias de choque en serie con el banco de condensadores, cuya reactancia inductiva represente una pequeña fracción de la reactancia capacitiva por fase del banco, para la frecuencia fundamental, constituyendo un verdadero choque para las altas frecuencias. Si los niveles de armónicas fluctúan excesivamente entre valores muy bajos y valores muy altos, no es posible proteger el banco de condensadores con inductancia de choque. xlvii 1.12.4. Efectos de resonancia En general, un sistema eléctrico de potencia compensado se comporta básicamente como un circuito RLC (figura Nº 1-16). Por lo tanto, su característica de respuesta en frecuencia presenta puntos de resonancia, es decir, frecuencias para las cuales la impedancia del sistema, visto de cualquier barra, toma un valor máximo (resonancia paralelo) o mínimo (resonancia serie). Vh Leq Ceq Req Ih Carga No Lineal Figura N° 1-16. Circuito RLC equivalente de la instalación eléctrica Si el sistema alimenta una carga no lineal, surgirán corrientes armónicas de frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental del sistema. La presencia de corrientes armónicas junto con las posibilidades de resonancia del sistema, puede originar valores apreciables de tensiones armónicas superpuestas a la tensión fundamental del sistema, resultando una tensión en barras totalmente distorsionada. En particular, al incorporar un banco de condensadores de compensación de potencia reactiva en una instalación con equipos productores de armónicas, se debe tener en cuenta que aunque los condensadores son cargas lineales, y por lo tanto xlviii no crean armónicas por si mismos, pueden contribuir a producir una amplificación importante de los armónicos existentes. Al respecto hay que considerar que la impedancia de un condensador se reduce cuando crece la frecuencia, presentando así un camino de baja impedancia para las corrientes de las armónicas superiores. Por su parte, los condensadores de corrección del factor de potencia forman un circuito paralelo con la inductancia de la red de distribución y con la del transformador. Así las corrientes armónicas generadas por los elementos no lineales se dividen entre las dos ramas de este circuito paralelo, dependiendo de la impedancia presentada por el circuito para cada armónico. ω ω | | Figura Nº 1-17. (a) Variación de la Impedancia inductiva en función de la frecuencia, (b) Variación de la Impedancia capacitiva en función de la frecuencia. De esta manera, la corriente eficaz que pasa a través del condensador y por la red de distribución puede ser mucho mayor que la generada por el equipo no lineal, si la frecuencia de una armónica característica de la carga no lineal con amplitud importante, fuera próxima a la frecuencia de resonancia del circuito paralelo, dada por la siguiente ecuación: xlix f resonancia = 1 1 × 2π LC (1-27) Esto puede provocar una sobrecorriente muy perjudicial para el condensador. En el peor de los casos, cuando la frecuencia de alguna corriente armónica coincide, o está próxima, con la frecuencia de resonancia del circuito paralelo (fr), la corriente que circula por cada rama del banco puede llegar a ser tan grande que los condensadores se degraden aceleradamente, o eventualmente exploten. Asimismo, estas corrientes armónicas también producen sobretensiones que se suman a la tensión total aplicada al condensador y pueden dañar al dieléctrico del mismo. Se recomienda que para evitar que la distorsión sobrecargue un condensador, su corriente eficaz no debe sobrepasar un 115% de su valor a plena carga. La impedancia equivalente del circuito de la figura Nº 1-16 para cualquier armónica vienen dada por: Z eq − j ( R + jωL ) ωC = 1 R + j ωL − ωC (1-28) Esta impedancia equivalente se puede simular en cualquier espectro en frecuencia (w), donde se podrá apreciar un máximo a la frecuencia: ωr = 1 LC (1-29) que es la frecuencia de resonancia (paralela del sistema). La amplitud de la impedancia evaluada a esta frecuencia de resonancia será: l Z eq 1 ωL * 1+ = ωC R 2 (1-30) La inductancia y la resistencia corresponden a la impedancia de cortocircuito del sistema. El orden armónico correspondiente a la frecuencia de resonancia (paralela), viene dado por la siguiente ecuación. h0 = Pcc Q (1-31) Ya que la inductancia equivalente de la red (L), se estima por la potencia de cortocircuito del sistema, se puede calcular la frecuencia de resonancia (paralela) del sistema como: f res = h0 * f red = Pcc * f red Q bco (1-32) donde • ho : Orden armónico de la frecuencia de resonancia (paralela) • fred : Frecuencia de la red • ho : frecuencia de resonancia del sistema (interacción Red-Banco) por lo tanto, se puede realizar el cálculo de la frecuencia de resonancia de la instalación mediante la ecuación (1-32), con la cual se puede obtener la respuesta en frecuencia de la instalación, que permitirá la identificación clara de las posibles condiciones de resonancia que puedan presentarse a lo largo de dicho sistema. Como la impedancia del sistema es función de su configuración, es indispensable que se analice también el comportamiento de las distintas barras del sistema en las diversas situaciones posibles de operación (por ejemplo con o sin la presencia de un determinado banco de condensadores, etcétera). li Una vez que se identifican las condiciones de resonancia del sistema, debe procederse al análisis de las distorsiones en las barras de interés, y a continuación se deben dimensionar y localizar los filtros necesarios para mitigar las armónicas, de modo de mantener los niveles de distorsión dentro de lo establecido. 1.13 Factor de Amplificación El factor clave que controla la resonancia es el factor de amplificación, éste representa el incremento de las corrientes armónicas en el punto de conexión del condensador cuando ocurre el efecto de resonancia. El factor de amplificación vale 1 para las frecuencias menores que la de resonancia, toma un valor elevado alrededor de la frecuencia de resonancia y vuelve a cero para frecuencias mayores. Por lo tanto, un factor de amplificación con valores superiores a 1, indica que el daño a los condensadores durante una resonancia sería catastrófico. Z2 Z1 Fr ω Figura Nº 1-18. Resonancia Paralelo y Factor de Amplificación El factor de amplificación se define como la relación entre las impedancias del sistema al agregarle el banco de condensadores y sin la misma. lii • Z1: Impedancia de la instalación sin batería de condensadores • Z2: Impedancia de la instalación con batería de condensadores En el circuito de la figura Nº 1-16, se obtienen los valores de impedancia: Zcc = h0 * U2 Pcc (1-33) U 2 * h0 Z2 = 2 ( Pcc − Q * h 2 ) 2 + h0 * p 2 Z1 = L * ωr = L * ω * h siendo h0 = (1-35) Pcc Q siendo L*ω: L * ω = (1-34) (1-36) U2 Pcc (1-37) El factor de Amplificación: FA = Z2 = Z1 U2 P Pcc U 2 Pcc * Q = Q * Pcc P (1-38) por lo tanto el Factor de Amplificación puede ser calculado mediante la siguiente expresión FA = Q * Pcc P (1-39) donde: Pcc = Potencia de cortocircuito en el punto de conexión de la batería Q = Potencia de la batería de condensadores (kVAr) liii P = Potencia activa de la instalación (kW) 1.14.Factores de Distorsión. El factor de distorsión es una medida del alejamiento de la forma de onda de una función periódica cualquiera con respecto a otra con forma de onda senoidal pura de igual frecuencia. El factor de distorsión puede usarse para caracterizar tanto la distorsión en las ondas de voltaje como de corriente. Los factores totales de distorsión armónica pueden especificarse para una gama de armónicos desde el segundo hasta el undécimo armónico cuando no es relevante la amplitud de los armónicos de orden mayor. El factor de distorsión también puede ser obtenido para armónicos sencillos o de pequeña magnitud. La distorsión armónica total (THD) es el factor de distorsión que incluye a todos los armónicos relevantes (típicamente tomado desde el segundo hasta el vigésimo quinto armónico). Este factor de distorsión, normalmente se expresa en porcentaje. Hay dos tipos de factores de distorsión: factor de distorsión de tensión (FDV o THDV) y factor de distorsión de corriente (FDI o THDI). 1.14.1. Factor de Distorsión Armónica Total de Voltaje El factor de distorsión total del voltaje THDV se define como la raíz cuadrada de la sumatoria de los valores eficaces de las componentes armónicas al cuadrado, desde h = 2 hasta h = 25, dividida entre el valor eficaz de la componente fundamental. El THDV es igual al valor eficaz de la forma de onda de voltaje, excluyendo de la original la componente fundamental y la componente de corriente continua, dentro del valor eficaz de la componente fundamental. Si una resistencia se alimenta con una forma de onda de voltaje distorsionada, la potencia debida a las armónicas dividida entre la potencia debida a la fundamental es igual al THDV al cuadrado. También, el valor eficaz de la forma liv de onda de voltaje es igual al producto del valor eficaz de la componente fundamental y la raíz cuadrada de la suma de 1 más THDV al cuadrado. Vef = V1 * 1 + (THDV ) 2 (1-40) Considerando a VLN como la amplitud a la frecuencia fundamental del Voltaje de Línea a neutro y a VH como el Voltaje armónico total de línea a neutro se tiene: THDV = ∑ h = 25 h =2 Vh2 VL −N (1-41) 1.14.2. Factor de Distorsión Armónica Total De Corriente El factor de distorsión total de corriente THDI se define como la raíz cuadrada de la sumatoria de los valores eficaces de las componentes armónicas al cuadrado, desde h = 2 hasta h = infinito, dividida entre el valor eficaz de la componente fundamental. El THDI es igual al valor eficaz de la forma de onda de corriente, excluyendo de ella, la componente fundamental y la componente de corriente continua dentro del valor eficaz de la componente fundamental. En general, la distorsión de corriente define la relación entre la corriente armónica total y la corriente fundamental en la misma manera que la distorsión de voltaje. Sin embargo, según las recomendaciones de la IEEE 519-1992, hay algunas diferencias de aplicación, que deben indicarse. Estas incluyen: • Los límites de la corriente armónica dependen de la capacidad de cortocircuito en el punto de análisis. • Los porcentajes de corriente armónica se aplican a las corrientes armónicas individuales. Estas se expresan con relación a la corriente fundamental total de la carga del sistema, medida para las condiciones de operación más criticas durante una hora. lv • La distorsión total de demanda TDD es la distorsión armónica de corriente dada por: TDD = IH IL (1-42) donde IL es la máxima corriente de carga (componente de frecuencia fundamental) en el punto de acoplamiento común (PCC). IH = ∑ h =25 h =2 Ih 2 (1-43) El limite superior en la sumatoria hasta h=25 se utiliza para procesos de cálculo. Se ha comprobado que da buenos resultados prácticos. Si una resistencia se alimenta con una forma de onda de corriente distorsionada, la potencia debida a los armónicos dividida entre la potencia debida a la fundamental es igual al THDI al cuadrado. También, el valor eficaz de la forma de onda de corriente es igual al producto del valor eficaz de la componente fundamental y la raíz cuadrada de la suma de 1 más THDI al cuadrado. Ief = I1 * 1 + (THDI ) 2 (1-44) 1.15. La norma IEEE 519-1992 Debido a los problemas generados por los armónicos en las instalaciones eléctricas, especialmente las de uso industrial, ha sido necesario desarrollar técnicas y lineamientos para la instalación de equipos y control de armónicos. Este segmento discute esos lineamientos y su importancia en el diseño de sistemas. Las normas estadounidenses con respecto a los armónicos han sido agrupadas por la IEEE en la norma 519: IEEE Recomendaciones Prácticas y Requerimientos para el Control de armónicos en Sistemas Eléctricos de Potencia. Existe un efecto combinado de todas las cargas no lineales sobre el sistema de distribución la cual tienen una capacidad limitada para absorber corrientes armónicas. Adicionalmente, las compañías de distribución tienen la responsabilidad de proveer alta calidad de abastecimiento en lo que respecta al nivel del voltaje y su forma de onda. La norma IEEE 519 hace referencia no solo al nivel absoluto de armónicos producido por una fuente individual sino también a su magnitud con respecto a la red de abastecimiento. El propósito de la IEEE 519 es el de recomendar límites en la distorsión armónica según dos criterios distintos, específicamente: 1. Existe una limitación sobre la cantidad de corriente armónica que un consumidor puede inyectar en la red de distribución eléctrica. lvi 2. Se establece una limitación en el nivel de voltaje armónico que una compañía de distribución de electricidad puede suministrar al consumidor. 1.15.1. Lineamientos para Clientes Individuales El límite primario de los clientes individuales es la cantidad de corriente armónica que ellos pueden inyectar en la red de distribución. Los límites de corriente se basan en el tamaño del consumidor con respecto al sistema de distribución. Los clientes más grandes se restringen más que los clientes pequeños. El tamaño relativo de la carga con el respecto a la fuente se define como la relación de cortocircuito (SCR), al punto de acoplamiento común (PCC), que es donde la carga del consumidor se conecta con otras cargas en el sistema de potencia. El tamaño del consumidor es definido por la corriente total de frecuencia fundamental en la carga, IL, que incluye todas las cargas lineales y no lineales. El tamaño del sistema de abastecimiento es definido por el nivel de la corriente de cortocircuito, ISC, al PCC. Estas dos corrientes definen el SCR: SCR = MVACC I = sc MWc arg a IL (1-45) Una relación alta significa que la carga es relativamente pequeña y que los límites aplicables no serán tan estrictos como los que corresponden cuando la relación es más baja. Esto se observa en la tabla Nº 1-3, donde se recomiendan los niveles máximos de distorsión armónica en función del valor de SCR y el orden de la armónica. La tabla también identifica niveles totales de distorsión armónica. Todos los valores de distorsión de corriente se dan en base a la máxima corriente de carga (demanda). La distorsión total está en términos de la distorsión total de la demanda (TDD) en vez del término más común THD. lvii La tabla N° 1-3 muestra límites de corriente para componentes de armónicos individuales así como también distorsión armónica total. Tabla N° 1-3. IEEE 519 Límites en la Distorsión de la Corriente Límites de Corriente Armónica para Carga no lineal en el Punto Común de acoplamiento con Otras Cargas, para voltajes entre 120 - 69,000 V. Máxima Distorsión Armónica Impar de la Corriente, en % del Armónico fundamental ISC/IL <11 11£h<17 17£h<23 23£h<35 35£h TDD <20* 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 >1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 Límites de Corriente Armónica para Carga no lineal en el Punto Común de acoplamiento con Otras Cargas, para voltajes entre 69,000 - 161,000 V. Máxima Distorsión Armónica Impar de la Corriente, en % del Armónico fundamental ISC/IL <11 11£h<17 17£h<23 23£h<35 35£h TDD <20* 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5 20<50 3.5 1.75 1.25 0.5 0.25 4.0 50<100 5.0 2.25 2.0 0.75 0.35 6.0 100<1000 6.0 2.75 2.5 1.0 0.5 7.5 >1000 7.5 3.5 3.0 1.25 0.7 10.0 Límites de Corriente Armónica para Carga no lineal en el Punto Común de acoplamiento con Otras Cargas, para voltajes > 161,000 V. Máxima Distorsión Armónica Impar de la Corriente, en % del Armónico fundamental ISC/IL <11 11£h<17 17£h<23 23£h<35 35£h TDD <50 2.0 1.0 0.75 0.30 0.15 2.5 50 3.0 1.5 1.15 0.45 0.22 3.75 Los armónicos pares se limitan al 25% de los límites de los armónicos impares mostrados anteriormente lviii 1.16. La norma UNE-EN 6100,2-4 (1997) Esta es una norma europea que se aplica a las redes industriales de potencia de baja o media tensión a 50 Hz o 60 Hz, cuyo objeto es determinar los distintos niveles de compatibilidad para distintas clases de entorno electromagnético. Existen tres clasificaciones para la aplicación de esta norma, entre las cuales tenemos: • Clase 1: Redes Protegidas que tienen niveles de compatibilidad más bajos que los de las redes públicas. • Clase 2: Entorno Industrial en general. Los niveles de compatibilidad son los mismos que en las redes públicas. • Clase 3: Entorno Industrial severo. En la tabla Nº 1-4 se indican los niveles máximos de armónicos en tensión para los armónicos de rango impar no múltiplos de 3 para las distintas clases. Tabla N° 1-4. Niveles máximos de Armónicos en Tensión Armónicos impares no múltiplos de 3 Rango Clase 1 Clase 2 Clase 3 Vh% Vh% Vh% 5 3 6 8 7 3 5 7 11 3 3,5 5 13 3 3 4,5 17 2 2 4 19 1,5 1,5 4 23 1,5 1,5 3,5 25 1,5 1,5 3,5 >25 0,2+12,5/h 0,2+12,5/h 5x 11/ h lix CAPÍTULO II Descripción del Sistema Eléctrico de la planta en estudio 2.1. Sistema de Alimentación El sistema de alimentación eléctrica de la Planta de Alimentos Balanceados para Animales "PROCRIA" esta constituido por una línea de media Tensión de 13,8 kV, de tipo residencial proveniente de la Subestación Aragua. La planta tiene una subestación reductora de tensión de 13,8 kV a 440 V, con un transformador principal de 1250 kVA y un transformador secundario de 150 kVA el cual se utiliza para las cargas de iluminación en la Planta de Producción. Adicionalmente existe un bancada trifásica externa a la subestación formada por tres transformadores monofásicos conectados en ∆-y, utilizada para alimentar las oficinas del edificio administrativo y la caseta de protección de planta. Las características nominales de los tres transformadores antes mencionados son las siguientes: 2.1.1. Bancada Trifásica Esta formada por tres transformadores monofásicos aéreos marca CAIVET externos a la subestación con potencia nominal de 50 kVA cada uno, con lo que se obtiene una potencia total de 150 kVA. El grupo de conexión de esta bancada trifásica es ∆-y-n-5, y su relación de transformación es de 13,8 / 0,240 – 0,120 kV. Esta bancada trifásica se utiliza para la alimentación del edificio administrativo y la caseta de protección de la Planta. lx 2.1.2. Transformador Principal Es un transformador trifásico inmerso en aceite, el cual sirve de alimentación principal a la planta. Su conexión es tipo ∆-y-n-5 y su relación de transformación es 13,8 / 0,452 kV. Este transformador tiene una potencia nominal de 1.250 kVA y alimenta a todos los equipos de planta (motores, motorreductores, bombas, sistemas de transporte etc.) los cuales representan las cargas inductivas del sistema. Este transformador tiene sistema cambiador de tomas interno. Los datos de placa de este transformador son: • Potencia Nominal (Sn): 1.250 kVA • Tensión Primario (Vp): 13.800 V • Tensión Secundario (Vs): 452 V • Grupo de Conexión: ∆-y-n-5 • Tipo de Refrigeración: ONAN • Corriente Primario (Ip): 52,35 A • Corriente Secundario (Is): 1.598 A • Tensión de corto circuito (µZ): 5,42% • Frecuencia: 60 Hz • Elevación de Temperatura: 65 ºC • Nivel de Aislamiento: 34-10 kV • Peso Total: 4.220 kg • Aceite: 1.050 L • La ubicación actual del cambiador de tomas del transformador, establece una relación de 13.800 / 452 V lxi Figura Nº 2-1. Transformador Principal de Alimentación El punto común de acoplamiento del sistema (PCC) se encuentra en el secundario de este transformador, en el cual se encuentran las barras principales del sistema donde esta conectado el banco de condensadores y la celda de distribución principal. 2.1.3. Transformador de Alumbrado Es un transformador trifásico marca EICA el cual sirve de alimentación para todas las cargas de iluminación de la planta. Tiene una potencia nominal Sn de 150 kVA, con relación de transformación 440 / 208 / 120 V y grupo de conexión ∆-y-n-5. Tiene sistema cambiador de tomas el cual se encuentra ubicado en su posición original de 440 / 208 V. lxii Sus datos nominales de placa son: • Potencia Nominal (Sn): 150 kVA • Tensión Primario (Vp): 440 V • Tensión Secundario (Vs): 208 / 120 V • Grupo de Conexión: ∆-y-n-5 • Tensión de Corto Circuito (µz): 6,02% • Corriente Primario (Ip): 196,82 A • Corriente Secundario (Is): 416,37 A • Frecuencia: 60 Hz • Peso: 390 kg 2.1.4. Seccionador Principal Esta constituido por un seccionador con fusible de disparo marca ABB, modelo NALF con valores nominales de 17,5 kV y 630 A. Figura Nº 2-2. Seccionador Principal de la Subestación lxiii 2.1.5. Celda de Distribución de Baja Tensión Esta constituida por un armario donde se encuentran los principales interruptores termomagnéticos de la planta, los cuales alimentan a los centros de control de motores (CCMs), además de conectar a las barras principales del sistema en 440 V. Las secciones principales de la planta son: • Recepción • Iluminación • Elaboración • Planta I • Planta II • Transferencia • Servicios de Planta 2.2. Descripción del Sistema de Compensación Reactiva El sistema de compensación reactiva se encuentra formado por un banco de compensación automática ABB, con potencia nominal de 450 kVAr y tensión nominal de 440 V. La regulación del banco esta formada por ocho condensadores trifásicos ABB serie CLMB-63-53 activados a través de contactores ABB tipo A75-30 y B75. Cada uno de los escalones está formado por 12 condensadores internos monofásicos marca Comar Condensatori, modelo MK-AS 50-400, conectados en configuración delta, con una resistencia de descarga en paralelo de 180 kΩ . lxiv Figura Nº 2-3. Condensadores Trifásicos ABB CLMB 63 Figura Nº 2-4. Condensadores Trifasicos ABB CLMB 63 y CLMB 53 lxv En la figura N° 2-5 se puede ver la conexión interna en delta de los condensadores monofásicos. Figura N° 2-5. ConexIón interna en delta de los condensadores monofásicos El rango de temperaturas óptimas especificadas para el condensador es el siguiente: • Temperatura mínima: -25 ºC • Temperatura Máxima: +50 ºC (Máxima diaria) • Temperatura Media: +40 ºC (Promedio Diaria) • Temperatura Media: +30 ºC (Promedio Anual) Los ocho escalones o condensadores trifásicos tienen los siguientes datos de placa: lxvi Tabla Nº 2-1. Datos nominales de los condensadores trifásicos Escalón Modelo Vn V fn Hz Qn kVAR Temp.ºC Conexión 1 CLMB63 480 60 60 -25/50ºC ∆ 2 CLMB63 480 60 60 -25/50ºC ∆ 3 CLMB63 480 60 60 -25/50ºC ∆ 4 CLMB63 480 60 60 -25/50ºC ∆ 5 CLMB63 480 60 60 -25/50ºC ∆ 6 CLMB53 440 60 50 -25/50ºC ∆ 7 CLMB53 440 60 50 -25/50ºC ∆ 8 CLMB53 440 60 50 -25/50ºC ∆ El interruptor principal del banco de compensación es tipo termomagnético marca ABB modelo SACE S6H de caja moldeada, con corriente nominal de 800 A, voltaje nominal de 690 V y corriente de interrupción de 65 kA. Figura Nº 2-6. Vista frontal del Banco de Condensadores lxvii En la figura Nº 2-6 se pueden observar los fusibles de protección tipo NH clase gL/gG, el interruptor principal y los contactores principales y auxiliares del banco de condensadores. La regulación de los condensadores se hace a través de un sistema de control ABB tipo RVT "Power Factor Controller", el cual es una unidad de control automática que realiza la conexión o desconexión de los pasos con el fin de alcanzar el factor de potencia seleccionado previamente por el usuario. 2.2.1. Descripción del Regulador Electrónico RVT “Power Factor Controller” Este es un equipo de control automático que realiza la conexión o desconexión mediante relés, de los pasos con el fin de alcanzar el factor de potencia seleccionado previamente por el usuario. Además, permite realizar mediciones de diferentes parámetros, así como obtener registros de los máximos valores alcanzados desde el reinicio del contador. Figura Nº 2-7. Equipo regulador Electrónico de Compensación reactiva Se realizó una revisión de la conexión del equipo al sistema de potencia, para verificar su correcta conexión y obtener de esta manera mediciones correctas en los parámetros medidos por el regulador, los cuales son los siguientes: lxviii Tabla N° 2-2. Valores registrados por el Regulador Electrónico Parámetros Unid Descripción Voltaje Rango Precisión Max. Valor Vrms V Voltaje RMS Hasta 690 VAC ±1% V1 V Voltaje RMS a la Frec. Fundamental Hasta 690 VAC ±1% 100 kV Frecuencia Hz Voltaje ± 0.5 % 40Hz– 70Hz ±1% 300 % 0–5A ±1% 100 kA frecuencia 0 – 5 A ±1% 100 kA total ±1% 300% -1 - +1 ± 0.02 % -1 - +1 de la Frecuencia 45 a 65 Hz 100 kV Fundamental THDV % V harm. Table Distorsión Armónica Total de Voltaje Armónicos de Volt. 0 – 300 % do no do no mostrados en 2 al 49 tabla V. harm. Chart Armónicos de Volt. mostrados en 2 al 49 barras Corriente Irms A Corriente RMS I1 A Corriente THDI % RMS a la fundamental Distorsión armónica de 0 – 300 % corriente I harm. Table do no do no Armónicos de Corriente mostrados 2 al 49 en tabla I harm. Chart Armónicos de Corriente mostrados 2 al 49 en barras Potencia Cos ϕ Factor de Potencia P W Potencia Activa 0 – 10 kW ±2% 0–100 MW Q Var Potencia Reactiva 0 – 10 kvar ±2% 0–100 Mvar S VA Potencia Aparente 0 – 10 kVA ±2% 0–100 MVA ∆Q Var Potencia faltante para alcanzar el 0 – 10 kvar ±2% 0–100 Mvar cos ϕ de alarma ∆N Pasos de Capacitores faltantes para alcanzar el cos ϕ de alarma Temperatura (Opcional T1 ºC Temperatura T1 (Sonda opcional -40 ºC - +105 ºC T2 ºC Temperatura T2 (Sonda opcional -40 ºC - +105 ºC -40ºC-+105ºC externa 1) -40ºC-+105ºC externa 2) lxix 1.1.1. Configuración del Regulador RVT Para el correcto funcionamiento del sistema de compensación, el equipo controlador debe tener los siguientes parámetros definidos: • Configuración del banco de condensadores • Configuración de instalación • Configuración de usuario 1.1.2 Configuración del Banco Esta configuración define todos los parámetros relacionados con el banco automático de condensadores. Vnom: Voltaje nominal del banco de compensación Vscaling: Relación del transformador de corriente 1 Ph / 3 Ph: Tipo de Conexión del banco y conexión de medida de tensión Qstep: Diferencia de Potencia reactiva mínima entre pasos Secuencia: Valor relativo de potencia reactiva entre los condensadores conectados Salidas: Configuración de cada salida como abierta o cerrada Lineal: Utiliza el principio de conexión “Primero que entra, ultimo que sale”. Circular: Utiliza el principio de conexión “Primero que entra, Primero que sale”. Progresivo: Introduce los pasos secuencialmente uno por uno. Directo: Conecta los pasos mas grandes primeros para alcanzar el cos ϕ deseado rápidamente. Normal: Conecta los pasos cuando la demanda esta continuamente t t d l ti d t d d ió lxx presente para todo el tiempo de retardo de conexión. Integral: Conecta los pasos de acuerdo al valor promedio de la Potencia reactiva solicitada Tiempo de Es el tiempo necesario para permitir la descarga del Retardo: condensador antes de conectarlo de nuevo. ON-Delay: Tiempo que toma la demanda entre conectar un nuevo paso y el anterior. OFF Delay: Tiempo que toma la demanda entre desconectar un paso y el anterior. Reset Delay: Tiempo de espera para reiniciar la operación del banco, luego de una interrupción del voltaje. Niveles de Ubica los niveles de protección contra bajas de voltaje, protección: sobre voltaje, armónicos prohibitivos excesos temperatura para activar una protección externa. 1.1.3. Configuración de Instalación Define los parámetros de instalación del equipo controlador • CT Scaling: Relación del transformador de corriente • C/k: Rango de ajuste del valor de reacción • Phase Shift: Desfasamiento entre el voltaje y la corriente producido por la conexión para la medición. (Normalmente 90º) 1.1.4. Configuración del Usuario Define los parámetros deseados del factor de potencia • Target cos ϕ: Factor de potencia deseado • Night cos ϕ: Valor alternativo para el factor de potencia • Reg cosϕ: Valor alternativo para el factor de potencia (Se activa cuando el flujo de potencia es inverso: Q < 0). lxxi 1.1.5. Configuración actual del RVT La configuración actual del RVT con respecto a la sección anterior es la siguiente: Tabla N° 2-3. Datos de Configuración del Regulador RVT Configuración del Banco Vnom 440 V Vscaling 1 1 Ph / 3 Ph 3 Ph – 1 Ph Qstep 45.4 kvar Secuencia 1:1:1:1:1:1:1:1:1:1:1:1 Salidas activas 1 – 8 activas Lineal / Circular Lineal Progresiva / Directa Directa Normal / Integral Integral ON Delay 20 seg OFF Delay 20 seg Reset Delay 3 seg Protecciones Vmin Protección 390 V Vmax Protección 500 V Configuración de Instalación CT Scaling 400 C/k 0.099 Phase Shift 90º Configuración del Usuario Target cos ϕ 0.99 Night cos ϕ Desactivado Reg cos ϕ Desactivado lxxii 2.3. Regulación Eléctrica y Física Los tres datos principales que definen a un sistema de compensación reactiva mediante una batería automática de condensadores son los siguientes: a. La Potencia en kVAr: Ésta viene dada por los cálculos efectuados de potencia reactiva y depende del cos ϕ que se desea tener en la instalación. b. La Tensión Nominal: Ésta siempre deberá ser mayor o igual a la tensión de la red. c. La Regulación de la Batería: Ésta indica el escalonamiento físico de la misma. 2.3.1. Regulación Física El escalonamiento o regulación física de una batería automática indica la composición y el número de los conjuntos condensador - contactor que la forman. Este valor se expresa normalmente como relación de la potencia del primer escalón con el resto de escalones. La relación de las batería puede ser elegida a voluntad (solamente dependiente de la potencia de los condensadores conectados) y puede ser completada y modificada sin efectuar reformas en la misma. Cualquier escalón no podrá ser mayor que la suma de todos los escalones precedentes más el primero. lxxiii Ejemplo: Una batería de 100 kVAr formada por los siguientes escalones de potencia: 10 kVAr + 20 kVAr + 20 kVAr + 20 kVAr +20 kVAr, tiene una regulación 1:2:2:2:2, ya que el primer escalón tiene la mitad de potencia al resto de los escalones. Otra batería de 60 kVAr formada por 6 escalones de 10 kVAr tiene una regulación 1:1:1:1:1:1. 2.3.2. Regulación Eléctrica La regulación eléctrica define el valor mínimo de regulación efectuada por el regulador, es representada por un parámetro de programación del sensor electrónico. A este valor mínimo se le denomina por lo general Qstep y representa la diferencia de potencia reactiva más pequeña entre pasos. Ejemplo: Para las siguientes secuencias se tiene el Qstep: Sec: 1 (25 kVAr) 1 (25 kVAr) 1 (25kVAr) 1 (25 kVAr) -> Qstep = 25 kVAr Sec: 1 (10 kVAr) 2 (20 kVAr) 2 (20kVAr) 2 (20 kVAr) -> Qstep = 10 kVAr Este parámetro de configuración es el que realmente marca la diferencia en la actuación de una batería. Para obtener el mejor rendimiento de una batería de condensadores, debe existir un equilibrio entre la regulación eléctrica y física de la batería. Desde el punto de vista del precio del equipo, cuantos más escalones físicos tiene la batería, más costosa resulta ya que aumenta el número de los conjuntos contactorescondensadores y el tamaño de la envolvente del equipo. Desde el punto de vista de la adaptación al cos ϕ deseado, cuanto menor sea la regulación eléctrica, mejor se podrá adaptar a las variaciones de la demanda de potencia reactiva de la instalación. lxxiv CAPÍTULO III Estudio de las causas de falla en la Compensación Reactiva La primera actividad realizada en el proceso de detección de fallas en el sistema de compensación reactiva de la planta, fue el levantamiento y elaboración del diagrama unifilar de cargas de la planta, con la finalidad de ubicar el punto de acoplamiento común del sistema y tener toda la información necesaria para la ubicación eléctrica de los Centros de Control de Motores (CCM´s) de la planta. También se hizo un levantamiento del esquema de conexión del banco de condensadores automático de la subestación de la planta, el cual ayuda a comprender el funcionamiento y el modo de conexión de los condensadores trifásicos de compensación. Tanto el diagrama de conexión del banco de condensadores como el diagrama unifilar de la planta, se encuentran en la sección de anexos. Para la detección de las causas de fallas en el sistema de compensación reactiva de la planta, se realizaron procesos de observación del estado actual del sistema y mediciones a los distintos componentes del mismo. 3.1. Mediciones de Tensión y Corriente en los Condensadores Se realizaron mediciones de Corriente y Tensiones de fase en cada uno de los condensadores, estando éstos en condiciones de funcionamiento dadas por el equipo controlador del factor de potencia, es decir, todos los pasos conectados para suplir la potencia reactiva de la planta. Los resultados obtenidos son los siguientes: lxxv Tabla N° 3-1. Mediciones realizadas a los condensadores Ifase (A) Condensador Vfase (V) I1 I2 I3 V12 V23 V31 C1 61.6 61.5 61.6 261 260 259 C2 0 0 0 0 0 0 C3 70 70.1 69.1 263 261 260 C4 58.5 58.4 57.4 263 264 262 C5 30.6 49.4 42.7 260 262 259 C6 62.4 62.1 61.3 263 263 259 C7 0 0 0 0 0 0 C8 58.2 58 57.3 264 262 260 Los resultados de la tabla indican que las tensiones y corrientes de fase en cada uno de los condensadores se encuentran en niveles correctos, con excepción del condensador C5, el cual muestra un desbalance en el consumo de corriente en la fase 1 con una diferencia mayor al 30%. Este desbalance es debido a una falla en uno de los condensadores monofásicos internos. Los condensadores C4 y C5 presentan una variación mayor al 15% de sus valores nominales calculados en la sección 3.3. Esta variación representa una condición incorrecta de funcionamiento según las especificaciones del fabricante. Los valores obtenidos para los condensadores C2 y C7, son debidos a que éstos se encuentran fuera de servicio por estar averiados. La falta de estos dos condensadores trifásicos representa una disminución de la potencia reactiva del banco en 110 kVAr, más las fallas presentes en los condensadores C4 y C5 de 50 kVAr. De los resultados obtenidos se puede concluir que actualmente el sistema de compensación cuenta con una pérdida considerable de potencia reactiva, ya que existen tres pasos de condensadores que presentan fallas. Debido a esto, no se alcanza el valor de factor de potencia deseado mayor a 0,9. lxxvi 3.2. Puesta a Tierra Con la finalidad de determinar el esquema de conexión interno de los condensadores monofásicos, se desarmó uno de los condensadores trifásicos que se encontraba defectuoso, se inspeccionó visualmente el sistema de puesta a tierra dentro del condensador, dando como resultado que, éstos no poseen conductor para la descarga de fallas a tierra. Por lo tanto en el caso de haber estas condiciones de falla, los condensadores pueden recibir toda la corriente de cortocircuito, si los sistemas de protección no funcionan correctamente. Las cajas de los condensadores son metálicas y tienen bornes para conexión a tierra, pero debido a que internamente los condensadores están rodeados de cajas plásticas que no tienen lamina de conexión a tierra, no se brinda la protección necesaria para operación del personal de servicio. Tal problema de conexión a tierra se observa en los condensadores C1, C2, C6 y C7. 53S MB CL ABB Figura N° 3-1. Condensador Trifásico ABB - Modelo CLMB lxxvii 3.3. Fusibles de Protección Los fusibles de Protección del banco de condensadores, son fusibles tipo NH, clase de servicio gL / gG, los cuales tienen una corriente nominal de 125 A, tensión nominal de 600 V y corriente de cortocircuito de 100 kA. Con la finalidad de verificar si los fusibles están correctamente dimensionados se procede a calcular la corriente nominal por fase de los condensadores. Fusivenca NH gl/gG 125 A 500 V Figura Fusible N° 3-2. de Protección del Banco de Condensadores La Corriente Nominal por fase es: Ifn = kVAr (3-1) 3 * kV Para los condensadores de 60 kVAr se tiene Ifn = 60 3 * 0.440 = 78.73 A (3-2) Para los condensadores de 50 kVAr se tiene Ifn = 50 3 * 0.440 = 65.6 A (3-3) lxxviii El valor nominal de corriente de los fusibles de protección representa 1,71 veces la corriente nominal calculada para los condensadores, lo que indica que se cumple por norma, con las especificaciones de protección de los condensadores. 3.3.1. Cálculo de la corriente de cortocircuito Con la finalidad de calcular el tiempo virtual de prearco de los fusibles de protección del banco de condensadores, se procede a calcular la corriente de falla prevista en el circuito formado por las barras de alimentación, el transformador principal y los condensadores trifásicos de compensación. Dicho circuito se muestra en la figura Nº 3-3. Para el cálculo de la corriente de cortocircuito en por unidad se toman los valores de los siguientes parámetros como valores base: • MVA base = MVA1Φ cc = 4604 MVA (Potencia de cortocircuito de la red en 13,8 kV) • I1φbase = MVAbase 3 * kVbase = 4604 * 106 3 * 13.8 * 103 = 192.617,4376 A (3-4) Figura Nº 3-3. Circuito para el cálculo de la corriente de falla Datos del Sistema: MVA TX = 1,25 MVA XTp.u. = 0,0452 lxxix Cálculos de cortocircuito: Xs = MVAbase 204 = = 1 p.u MVAcc 204 X T = X T ( p.u .) * MVA base 4604 = 0.0542 * = 199 ,6294 p.u MVATx 1.25 (3-5) (3-6) 1p.u. 1 = = 0 ,005 p.u. ( Xs + X T )p.u. (1 + 199 ,6294 ) (3-7) Icc = I base * Icc p.u . = 192.617 ,4376 * 0.005 = 960,0659 A (3-8) Icc = Los resultados obtenidos indican que la corriente de cortocircuito que circula por los fusibles de protección tiene un valor igual a 960,07 A. Observando las curvas de fusión tiempo - intensidad en la figura Nº 3-4, se obtiene un tiempo de prearco equivalente a 0,6 segundos aproximadamente para un fusible de 125 A. Figura Nº 3-4. Curvas de fusion t-I de los fusibles NH lxxx 3.4. Verificación de los Conductores Según recomendaciones del fabricante Merlin Gerin, los conductores de potencia de los condensadores de baja tensión deben estar dimensionados para una corriente de 1,5 veces la corriente nominal de funcionamiento del condensador. Según los cálculos anteriores, se tienen los siguientes valores de corriente nominal por fase: Ifn = 78,73 A Por lo tanto la corriente nominal de los conductores debe ser: Inc = 1,5 x 78,73 A = 118,1 A (3-9) Los conductores instalados para la conexión de los condensadores a la red, son calibre 4-AWG con aislamiento TW. Según la tabla Nº 10, (Capacidades de corriente permisibles para los conductores aislados tensión nominal de 0-2000 V, 60 ºC a 90 ºC), el conductor calibre 4-AWG TW tiene una capacidad de corriente de 105 A. Aplicando el factor de corrección (Ver tabla Nº 10) establecido por las mediciones de temperatura ambiente realizadas en la sección 3.11, en la cual se tienen valores promedio de 40 a 45 ºC, se tiene el máximo valor de corriente permitida para el conductor. In = 105 * 0,71 = 74,55 A (3-10) ∴ Imax = 74,55 A El máximo valor de la corriente permitida para el conductor #4 AWG-TW esta por debajo de la norma de 1,5 veces el valor de la corriente nominal para la conexión del condensador a las barras del sistema, esta condición establece un funcionamiento al margen de las condiciones críticas de funcionamiento del lxxxi conductor, lo cual se demuestra con las mediciones de corriente por fase realizadas a los condensadores en la sección 3.1. Según la tabla Nº 9, los conductores óptimos para la conexión de los condensadores al sistema de potencia son de calibre Nº 2 AWG con aislamiento TW, el cual soporta una corriente máxima de 140 A. Al aplicarle el factor de corrección para una temperatura ambiente de 40-45 ºC se obtiene el valor máximo permitido de corriente. Imax =140 x 0,71 = 99,4 A (3-11) Este valor esta por debajo de el valor recomendado por Merlin Gerin, sin embargo, la sustitución por un conductor de mayor calibre, es contraproducente por el diámetro del mismo. Para realizar una recomendación más acertada, es aconsejable realizar un estudio del régimen de operación de los conductores en cuanto a periodicidad de entrada de los condensadores y regímenes de temperatura en el conductor. Debido a esto, el valor calculado en (3-11) es aceptado ya que está por encima del valor de corriente nominal de los condensadores trifásicos. Tabla N° 3-2. Capacidades de corriente permisibles para los conductores aislados tensión nominal de 0-2000 V, 60 ºC a 90 ºC Regimen de Temperatura del Conductor 60 º C 75 ºC 85 ºC 90 ºC +TW +FEPW V TA,TBS CALIBRE +RH,+RHW SA,AVB +THW, SIS,+FEP +THWN, +FEPB +RHH +XHH,+ZW +THHN +XHHW CONDUCTORES DE COBRE 18 -- -- -- 18 16 -- -- 23 24 14 25+ 30+ 30 35+ 12 30- 35+ 40 40+ 10 40+ 50+ 55 55+ 8 60 70 75 80 lxxxii 6 80 95 100 105 4 105 125 135 140 2 140 170 185 190 0 195 230 250 260 00 225 265 290 300 000 260 310 335 350 0000 300 360 390 405 Temperatura FACTORES DE CORRECCION Ambiente (ºC) (Para Temperatura Ambiente sobre 30 ºC, Multiplique la corriente indicada en la tabla por el factor de corrección adecuado para determinar la corriente máxima permitida) 31-40 0,82 0,88 0,90 0,91 41-45 0,71 0,82 0,85 0,87 46-50 0,58 0,75 0,80 0,82 51-60 -- 0,58 0,67 0,71 61-70 -- 0,35 0,52 0,58 71-80 -- -- 0,30 0,41 Fuente: Código Eléctrico Nacional 1990, Covennin 200, Tabla 310-17, Pag. 215 3.5. Contactores de Cierre Los contactores utilizados para el cierre de los condensadores trifásicos son de la marca ABB Modelo B75 y A75-30, los cuales tienen los siguientes datos de placa: • Corriente Nominal de empleo (Ie): 125 A • Corriente Nominal Térmica (Ith): 125 A • Tensión Nominal de empleo (Ue): 500 V • Tensión Nominal de Aislamiento (Ui): 1000 V • Potencia Nominal de Empleo (M 3θ): 60 HP De acuerdo a las normas europeas IEC 70, NF C 54-100, VDE 0560, el contactor de mando de condensadores de compensación debe poder soportar una corriente permanente igual a 1,43 veces la corriente nominal del escalón controlado. Ic = 1,43 * In (3-12) lxxxiii donde: Ic : Corriente nominal permanente de empleo del contactor In: Corriente nominal por fase de cada Condensador De acuerdo a esta expresión se obtienen los siguientes valores nominales de corriente para los contactores por norma (tabla Nº 10): Tabla N° 3-3. Valores nominales de las corrientes de régimen permanente Condensadores de 60 kVAr Ic = 112,47 A Condensadores de 50 kVAr Ic = 93,72 A Este valor indica que los valores comerciales (125 A) de los contactores cumplen con las normas IEC y soportan la corriente nominal de régimen permanente de los condensadores. Para el caso del régimen transitorio del condensador (t = 0+), los contactores de cierre no están provistos de inductancias de preinserción en serie, por fase, tal como se explicó en el capítulo anterior, estas inductancias sirven para disminuir, las corrientes transitorias de elevada intensidad (I > 180.In) que se producen en el instante de la conexión. La incorporación de estas inductancias de preinserción garantiza la limitación de la corriente de conexión con lo que se aumenta la durabilidad de los componentes de la instalación y en particular la de los fusibles y condensadores. 3.5.1 Cálculo de las corrientes transitorias de inserción Para el cáclulo de las corrientes transitorias de inserción, se utilizarán las ecuaciones (1-14) y (1-16). El conductor utilizado para la conexión del condensador trifásico es calibre 4 AWG de cobre con aislamiento TW-600V, el cual tiene una reactancia inductiva (XL) de 0.695 Ohm/Km. Considerando una distancia de 2 m de conductor entre condensadores, se obtienen los valores mostrados en la tabla Nº 11 lxxxiv Tabla Nº 3-4. Cálculo de las corrientes sobretransitorias durante la conexión de los escalones de condensadores Escalón 1 Q Conductor D (m) Xo L (uH) (kVAr) (Ohm/km) 60 4 AWG 2 0.695 1,5 C (uF) Ic (A) 78,73 Fe (kHz) 4,6 822,1 Ie (A) 4240,97 Rel (Ie/Ic) 54 2 60 4 AWG 2 0.695 1,5 822,1 78,73 4,6 5654,62 72 3 60 4 AWG 2 0.695 1,5 822,1 78,73 4,6 6361,45 81 4 60 4 AWG 2 0.695 1,5 822,1 78,73 4,6 6785,55 86 5 60 4 AWG 2 0.695 1,5 822,1 78,73 4,6 7068,28 90 6 50 4 AWG 2 0.695 1,5 685,1 65,61 5,0 6635,94 101 7 50 4 AWG 2 0.695 1,5 685,1 65,61 5,0 6774,19 103 8 50 4 AWG 2 0.695 1,5 685,1 65,61 5,0 6881,17 105 Como se puede observar en la tabla, la relación de corrientes Ie/Ic al momento de la conexión supera el valor de 100 veces la corriente nominal, alcanzando a 105 veces la corriente del condensador Ic al cerrar el último escalón. Debido a esto, se hace necesaria la utilización de contactores especiales para el cierre de condensadores con resistencia de precarga, para suprimir estas elevadas corrientes transitorias. 3.6. Cálculo de las Frecuencias de Resonancia del Sistema Debido a que en el punto de acoplamiento común, el banco de condensadores forma con las inductancias del transformador y el resto de inductancias de la red circuitos resonantes, es necesario hacer un estudio de las frecuencias de resonancia del circuito LC creado, con el fin de determinar la posibilidad de amplificación en el circuito oscilante. Cuando la frecuencia de resonancia propia de este circuito coincide con la frecuencia de una de las armónicas, se excita el circuito resonante. Se producen entonces elevadas corrientes, que pueden sobrecargar la instalación y hacer que actúen los dispositivos de protección de la misma. lxxxv La frecuencia de resonancia se puede calcular mediante la siguiente expresión: Pcc Q fr = fo (3-13) donde: • fr es la frecuencia de resonancia • fo es la frecuencia de la onda fundamental • Pcc es la potencia de cortocircuito en el punto de conexión del banco de condensadores • Q es la potencia reactiva de los escalones de compensación La potencia de cortocircuito del sistema se puede calcular mediante la siguiente expresión: Pcc = A x100 Vcc % (3-14) donde: • A es la potencia en kVA del transformador principal • Vcc % es la tensión de cortocircuito Por lo tanto se tiene: Pcc = 1250 x100 = 23062kVA 5.42 (3-15) Pcc = 23 062 kVA Considerando el banco de condensadores formado por 5 escalones de 60 kVAr y 3 de 50 kVar se obtienen los resultados mostrados en la tabla N° 12: lxxxvi Tabla Nº 3-5. Frecuencias de Resonancia del Sistema Pcc [kVA] KVAr/escalón fo [Hz] fr [Hz] 23062 60 60 1.176,316 23062 120 60 831,781 23062 180 60 679,147 23062 240 60 588,158 23062 300 60 526,065 23062 350 60 487,041 23062 400 60 455,585 23062 450 60 429,530 Como se puede observar, al conectarse el último escalón de potencia reactiva, la frecuencia de resonancia alcanza el valor de 429,530 Hz, valor éste, que esta cercano a la frecuencia del 7mo armónico (420 Hz). Los registros del Regulador Electrónico RVT indican que el rango de variación de la frecuencia de 60 Hz es de 0,5 Hz, por lo tanto el valor más desfavorable para el 7mo armónico es de: f = 60,5 Hz * 7 = 423,5 Hz (3-16) Este valor está cercano a la frecuencia de resonancia del sistema, pero las condiciones de riesgo son mínimas para el banco de condensadores. Además la amplitud del 7mo armónico, según las mediciones, tiene un valor que está entre los rangos aceptados por la IEEE 519-1992, es decir, su amplitud es menor al 7% de la amplitud de la señal fundamental. lxxxvii 3.7. Calculo del Factor de Amplificación Para determinar el valor de la amplificación de las corrientes armónicas en caso de existir un problema de resonancia paralela, se procede al calcular el factor de amplificación del sistema equivalente, el cual se define como la diferencia de impedancias existente en la instalación cuando se conecta la batería de condensadores. El factor de amplificación debe tener un reducido valor. Para el cálculo se utilizará la siguiente expresión: FA = Q * Pcc P (3-17) Para el cálculo se tomarán los valores de potencia reactiva Q y potencia activa P máximos obtenidos durante las mediciones con los equipos registradores. donde: • P =640 kW • Q = 450 kVAr • Pcc = 23062 kVA Se obtiene: • FA = 5,03 Este valor indica en cuantas veces se amplificaran las corrientes armónicas en caso de ocurrir una resonancia paralelo en la instalación eléctrica. Sin embargo, debido a la poca amplitud obtenida para las componentes armónicas de corriente y tensión en las mediciones realizadas (sección 3-8), la posibilidad de un efecto resonante es minima. lxxxviii 3.8. Estudio de Contenido Armónico en las Barras del Sistema Con el fin de determinar los posibles problemas de armónicos que pueden existir en las instalaciones eléctricas de Planta, se instaló un equipo registrador de parámetros eléctricos, el cual incluye análisis de contenido armónico. Figura N° 3-5. Equipo Registrador HT Italia Estos se conectaron en el punto común de acoplamiento del sistema, donde se encuentra conectado el banco de condensadores. Los equipos de medición instalados son marca HT Italia y Nanovip Plus trifásico y monofásico respectivamente. El equipo HT Modelo GSC 53 (figura Nº 3-5) utiliza tres transformadores de corriente instalados uno por fase en las barras del sistema y tres pinzas de conexión para cada fase, con los cuales realiza las medidas de corriente y tensión. El equipo HT se dejo instalado por un periodo de 36 horas, programado para tomar muestras cada 10 minutos, con lo cual se obtuvieron 223 mediciones. El equipo Nanovip Plus es un equipo registrador monofásico y utiliza un transformador de corriente y dos pinzas de tensión . lxxxix Los parámetros registrados por ambos equipos son: • Nivel de Tensión (V) • Consumo de Corriente (A) • Potencia Activa (W) • Potencia Reactiva (kVAr) • Potencia Aparente (VA) • Factor de Potencia (cosϕ) • Frecuencia (Hz) • Consumo de Energía Activa (kWh) • Consumo de Energía Reactiva (kVArh) • Espectro frecuencias en tensión (%) • Espectro de frecuencias en Corriente (%) El equipo registrador se instaló estando la planta en las mayores condiciones de producción con el fin de determinar los casos más desfavorables en cuanto a consumo eléctrico e inyección de armónicos en el sistema. Los gráficos obtenidos se muestran en la sección de anexos. 3.9. Análisis de los Parámetros Registrados Con los valores obtenidos durante la medición, se procedió a realizar los gráficos para analizar el comportamiento del sistema (se utilizó un rango de datos equivalente a 24 horas para mejorar la apreciación de los gráficos). 3.9.1. Tensiones de Fase (V1-V2-V3) En el gráfico Nº 1 se puede observar que las tensiones de fase en el punto común de acoplamiento del sistema se encuentran en niveles correctos entre 254 y 268 V, lo que establece un rango de variación de voltajes de ± 3% con respecto a la fundamental. xc Se observa un pequeño desbalance de tensión entre las fases, esto es debido a la conexión de cargas de tipo monofásicas y trifásicas en las instalaciones tales como cargas de iluminación y motores trifásicos. 3.9.2. Corrientes de Fase (1-2-3) Se observa que el consumo de corriente en la fase 3 es menor que en las fases 1 y 2, esto corresponde a un desbalance en las cargas existentes en la planta. Debido a esto, la corriente en el conductor neutro no es nula. Este desbalance en el sistema trifásico crea una condición de operación inestable en los condensadores trifásicos. El máximo valor registrado en las mediciones es 1010 A (valor obtenido durante el arranque de la planta, luego de un corte de electricidad – Valor no graricado). Los valores promedio de corriente por fase son los siguientes: Tabla Nº 3-6. Valores promedio de corrientes por fase Ifase1 (A) Ifase 2 (A) Ifase3 (A) 749,86 737,43 637,89 3.9.3. Corriente en el conductor Neutro Como se mencionó anteriormente, el sistema no es trifásico balanceado, por lo tanto la corriente en el conductor neutro no es nula tal como se observa en el gráfico Nº 3, donde se tiene tiene un valor máximo de 44 A y un valor mínimo de 22,46 A. xci 3.9.4. Consumo de Potencia Activa En el gráfico Nº 4 se observan las oscilaciones de potencia activa de la planta. Mediante los datos obtenidos el valor promedio de potencia es de 480 kW. Este consumo es apropiado para la potencia nominal Sn del transformador Principal de 1250 kVA. 3.9.5. Consumo de Potencia Reactiva En el gráfico Nº 5 se observa el consumo de potencia reactiva de la planta. El máximo valor registrado corresponde a 360 kVAr aproximadamente, con lo que se puede concluir que la capacidad nominal de banco 450 kVAr es suficiente para compensar las actuales cargas inductivas de la planta, sin embargo, la capacidad actual del banco esta disminuida debido a la falla en tres condensadores trifásicos, es por esto que el factor de potencia se encuentra por debajo de 0,9. Tal como se observa en el gráfico Nº 7. 3.9.6. Consumo de Potencia Aparente En el gráfico Nº 6 se observa el consumo de potencia aparente en el sistema. El valor máximo registrado es de 680 kVA, con lo que se puede concluir que el transformador principal de alimentación (1250 kVA) trabaja de manera holgada. 3.9.7. Factor de Potencia por Fase Se observa en el gráfico Nº 7, que el factor de potencia en las tres fases se encuentra por debajo de 0,9 durante la mayor parte del registro, especialmente la fase 2, la cual esta por debajo de las fases 1 y 3. Esto es indicativo de que no se suple la cantidad de potencia reactiva requerida por el sistema, debido a esto se hace necesaria la reparación de los condensadores trifásicos dañados. xcii 3.9.8. Amplitud de las componentes Armónicas de Voltaje En los gráficos Nº 8, 9 y 10 se puede observar la amplitud de voltaje de los componentes armónicos para el sistema trifásico. La amplitud del 7mo armónico en cada gráfico alcanza valores cercanos a 16 V, lo cual representa un 6% de la amplitud de la tensión a la frecuencia fundamental y el 5to armónico alcanza un valor, máximo de 8V que representa un valor del 3,8%. 3.9.9. Amplitud de las componentes Armónicas de Corriente. En los gráficos Nº 11, 12 y 13 se observa que el 7mo armónico en la fase 1 alcanza una amplitud media de 35,14 A, lo cual establece un valor del 4,68%, en la fase 2, ésta amplitud tiene un valor medio de 30,61 A, lo cual representa un 4,15% y en la fase 3 se tiene un valor del 3,66%, estos porcentajes están calculados con respecto a la amplitud de la señal fundamental . Mediante estos valores se obtienen los factores de distorsión total de demanda, los cuales serán analizados más adelante. 3.9.10. Distorsión Armónica total de Voltaje THDV En el gráfico Nº 14 se observa que la máxima distorsión llega al 5% en las fases 1 y 2 (sin tomar en cuenta el pico antes del corte de electricidad), estos valores máximos cumplen con la norma UNE – ENV 6100, 2-2 (1994), la cual establece un límite del 8% para la distorsión Armónica de voltaje. Se observa que el valor de distorsión en la fase 3 está por debajo de las otras dos fases, lo cual se ha ido observando desde el desbalance en el consumo de corrientes y en la corriente en el conductor neutro. Los valores promedio de las distorsiones en las tres fases son las siguientes: xciii Tabla Nº 3-7. Factores de Distorsión Armónica de Voltaje por fase THDV% (Fase 1) THDV% (Fase 2) THDV% (Fase 3) 2,51 2,52 1,95 3.9.11. Distorsión Armónica Total de Corriente THDI Los máximos valores obtenidos de distorsión armónica total de corriente llegan a 12% durante el funcionamiento continuo de la planta. los picos vistos en el gráfico Nº 15 corresponden a los valores alcanzados en el momento del corte de electricidad, los cuales no son tomados en cuenta. Los valores promedio de distorsión por fase se muestran en la tabla N° 15. Tabla N° 3-8. Factores de Distorsión Armónica de Corriente por fase THDI% (Fase 1) THDI% (Fase 2) THDI% (Fase 3) 5,54 5,02 4,76 3.10. Cálculo de sobrecorriente y sobretensión por efecto de armónicos en los condensadores Como se ha visto anteriormente, los armónicos producen un aumento de la tensión y corriente eficaces en el punto de conexión del condensador, a continuación se procede a calcular cuanto es el aumento de esta tensión y corriente a través de las siguientes expresiones: Para el cálculo se utilizaran las ecuaciones (1-25) y (1-26). xciv Tomando los valores máximos del 3ro, 5to, 7mo y 9no armónicos obtenidos mediante las mediciones realizadas, se procedió a realizar los graficos de sobrecorriente y sobretensión vistos en la sección de anexos. 263 262.5 262 261.5 Tensión (V) 261 260.5 260 259.5 259 08 :4 09 3:0 :2 0 a 10 3:0 .m :0 0 a . 10 3:0 .m :4 0 a . 11 3:0 .m :2 0 a . 12 3:0 .m :0 0 a . 12 3:0 .m :4 0 p . 01 3:0 .m :2 0 p . 02 3:0 .m :0 0 p . 02 3:0 .m :4 0 p . 03 3:0 .m :2 0 p . 04 3:0 .m :0 0 p . 04 3:0 .m :4 0 p . 05 3:0 .m :2 0 p . 06 3:0 .m :0 0 p . 06 3:0 .m :4 0 p . 07 3:0 .m. :2 0 p 08 3:0 .m :0 0 p . 08 3:0 .m :4 0 p . 09 3:0 .m :2 0 p . 10 3:0 .m :0 0 p . 10 3:0 .m :4 0 p . 11 3:0 .m :2 0 p . 12 3:0 .m :0 0 p . 12 3:0 .m :4 0 a . 01 3:0 .m :2 0 a . 02 3:0 .m :0 0 a . 02 3:0 .m :4 0 a . 03 3:0 .m :2 0 a . 04 3:0 .m. :0 0 a 04 3:0 .m :4 0 a . 05 3:0 .m :2 0 a . 06 3:0 .m :0 0 a . 06 3:0 .m :4 0 a . 07 3:0 .m :2 0 a . 08 3:0 .m :0 0 a . 3: .m 00 . a. m . 258.5 Hora Fase 1 Fase 2 Fase 3 Figura Nº 3-6. Sobretensiones producidas en los condensadores por efecto de armónicos. Se observa que el valor máximo de sobretensión en los bornes de conexión con respecto a la tensión nominal, alcanza un valor de 262,5V. Esta variación de voltaje es menor al 10% de sobretension permitida para los condensadores. Esto es debido a la baja amplitud de las corrientes armónicas en el banco de condensadores, por lo tanto, el aumento en las tensiones por efecto de los armónicos, no representa mayor variación de la tensión nominal de trabajo. xcv 3.10.1 Cálculo de sobrecorrientes 88 86 Corriente (A) 84 82 80 78 76 08:03:00 a.m. 07:23:00 a.m. 06:43:00 a.m. 06:03:00 a.m. 05:23:00 a.m. 04:43:00 a.m. 04:03:00 a.m. 03:23:00 a.m. 02:43:00 a.m. 02:03:00 a.m. 01:23:00 a.m. 12:43:00 a.m. 12:03:00 a.m. 11:23:00 p.m. 10:43:00 p.m. 10:03:00 p.m. 09:23:00 p.m. 08:43:00 p.m. 08:03:00 p.m. 07:23:00 p.m. 06:43:00 p.m. 06:03:00 p.m. 05:23:00 p.m. 04:43:00 p.m. 04:03:00 p.m. 03:23:00 p.m. 02:43:00 p.m. 02:03:00 p.m. 01:23:00 p.m. 12:43:00 p.m. 12:03:00 p.m. 11:23:00 a.m. 10:43:00 a.m. 10:03:00 a.m. 09:23:00 a.m. 08:43:00 a.m. 74 Hora Fase 1 Fase 2 Fase 3 Figura Nº 3-7. Sobrecorrientes producidas en los condensadores por efecto de armónicos. Se observa una elevación en el consumo de corriente en los bornes de los condensadores por efecto de los armónicos, el mayor valor observado es de 85,9 A. Este valor se registró durante el arranque de la planta después de un corte de electricidad, momento en el cual, la distorsión armónica de corriente aumenta. El valor limite de sobrecorrientes permisibles para los condensadores es del 80%. Sin embargo, aunque no se alcanza este límite, el aumento de la distorsión armónica en las instalaciones de la planta, durante periodos prolongados, puede conllevar a una disminución de la vida útil del condensador. xcvi Por lo tanto, se recomienda la incorporación de inductancias de choque para los armónicos, o la sustitución por condensadores especialmente diseñados para instalaciones con distorsiones armónicas menores al 20%. 3.11.Calculo de la distorsión total de la Demanda TDD Con la finalidad de comprobar si la inyección de corriente armónica en el banco de condensadores cumple con los recomendaciones dadas por la norma IEEE 519-1992, en la cual se establece la cantidad de corriente armónica que el sistema puede inyectar en la red de distribución de acuerdo a la relación de cortocircuito del sistema, y la distorsión total de demanda (TDD). Para el cálculo de la relación de cortocircuito se considera la corriente máxima de carga IL de la frecuencia fundamental registrada por los equipos de medición, la cual incluye todas las cargas lineales y no lineales. El tamaño del sistema de abastecimiento es definido por el nivel de la corriente de cortocircuito ISC al PCC. Estas dos corrientes definen la relación de cortocircuito (SCR). Por lo tanto el SCR puede calcularse mediante la siguiente expresión: SCR = KVACC ISC = CARGA MVA IL (3-18) Una relación alta significa que la carga es relativamente pequeña y que los límites aplicables no serán tan estrictos como los que corresponden cuando la relación es más baja. Todos los valores de distorsión de corriente se dan en base a la máxima corriente de carga (demanda). La distorsión total está en términos de la distorsión total de la demanda (TDD). xcvii 3.11.1. Cálculo de la Corriente de Cortocircuito La corriente de cortocircuito en el punto de acoplamiento común PCC se puede obtener mediante la potencia de cortocircuito establecida anteriormente en el cálculo de las frecuencias de resonancia del sistema. Para este cálculo se tiene: Tomando los datos de placa del transformador principal, la potencia de cortocircuito: kVAcc = 23062 kVA de donde ISC = 23.062 3 × 452 = 29.457,64 A (3-19) La corriente máxima de carga se puede observar en los gráficos obtenidos en las mediciones realizadas por el equipo registrador instalado en el sistema. La corriente máxima registrada tiene un valor de 1011 A, con lo que se puede obtener la siguiente relación de cortocircuito: SCR = 29.457 ,6371 = 29 ,13 1.011 (3-20) De acuerdo al resultado obtenido, los limites de corriente armónica para cargas no lineales en el punto común de acoplamiento con otras cargas es de 8%. Este valor representa la distorsión total de la demanda, la cual es la TDD de corriente (usando un periodo de medición de 15 a 30 minutos promedio) normalizada con respecto a la máxima corriente de carga IL de la demanda. xcviii Para comprobar si la instalación eléctrica cumple con las especificaciones de la norma IEE 519-1992 (tabla Nº 4), la distorsión total de la demanda obtenida en el sistema puede ser calculada mediante la siguiente expresión: ∑ TDD = h = 25 h =2 Ih 2 (3-21) IL donde IL es la máxima corriente de carga (componente fundamental) en el PCC. A continuación se muestran los valores de TDD obtenidos según las mediciones realizadas, considerando la máxima corriente de carga observada en la medición (IL=1011 A ): 9 8 7 TDD (%) 6 5 4 3 2 1 08:03:00 a.m. 07:13:00 a.m. 06:23:00 a.m. 05:33:00 a.m. 04:43:00 a.m. 03:53:00 a.m. 03:03:00 a.m. 02:13:00 a.m. 01:23:00 a.m. 12:33:00 a.m. 11:43:00 p.m. 10:53:00 p.m. 10:03:00 p.m. 09:13:00 p.m. 08:23:00 p.m. 07:33:00 p.m. 06:43:00 p.m. 05:53:00 p.m. 05:03:00 p.m. 04:13:00 p.m. 03:23:00 p.m. 02:33:00 p.m. 01:43:00 p.m. 12:53:00 p.m. 12:03:00 p.m. 11:13:00 a.m. 10:23:00 a.m. 09:33:00 a.m. 08:43:00 a.m. 0 Hora Figura Nº 3-8. Valores máximos obtenidos para la Distorsión Total de Demanda TDD El valor promedio calculado de distorsión total es de 3,59%, lo cual indica que se cumple con la norma establecida por IEEE 519-1992. Por lo tanto, se cumple con las normativas de inyección de corriente armónica para cargas no lineales en el Punto Común de Acoplamiento. xcix 3.11.2. Armónicos de Corriente La norma establece también, un limite máximo del 7% para armónicos menores al 11vo. Los valores calculados para el 5to y 7mo armónico según las mediciones obtenidas son los siguientes: 5 .0 0 0 4 .5 0 0 4 .0 0 0 3 .0 0 0 2 .5 0 0 2 .0 0 0 1 .5 0 0 1 .0 0 0 0 .5 0 0 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 p.m. 3:00 a.m. 3:00 a.m. 3:00 a.m. 3:00 a.m. 0 .0 0 0 3:00 a.m. Porcentaje de Corriente (%) 3 .5 0 0 Figura Nº 3-9. Porcentajes de Amplitud obtenidos para el 5to armónico de corriente c 18 16 Porcentaje de Corriente (%) 14 12 10 8 6 4 2 08:03:00 a.m. 07:13:00 a.m. 06:23:00 a.m. 05:33:00 a.m. 04:43:00 a.m. 03:53:00 a.m. 03:03:00 a.m. 02:13:00 a.m. 01:23:00 a.m. 12:33:00 a.m. 11:43:00 p.m. 10:53:00 p.m. 10:03:00 p.m. 09:13:00 p.m. 08:23:00 p.m. 07:33:00 p.m. 06:43:00 p.m. 05:53:00 p.m. 05:03:00 p.m. 04:13:00 p.m. 03:23:00 p.m. 02:33:00 p.m. 01:43:00 p.m. 12:53:00 p.m. 12:03:00 p.m. 11:13:00 a.m. 10:23:00 a.m. 09:33:00 a.m. 08:43:00 a.m. 0 Hora Fase 1 Fase 2 Fase 3 Figura Nº 3-10. Porcentajes de Amplitud obtenidos para el 7mo armónico de corriente Los valores porcentaje promedio para el 5to, 7mo y 9no armónicos de corriente calculados de las tablas mostradas son muestran en la Tabla Nº 3-9. Tabla Nº 3-9. Valores Promedio de Amplitud del 5to , 7mo y 9no armónicos de corriente 5to Armónico (%) 7mo Armónico (%) 9no Armónico (%) 0,934 5,3772 0,34 Estos valores son inferiores a los máximos permitidos en la Norma IEEE 519-1992, la cual establece un limite máximo del 7% de amplitud de corriente para los armónicos menores al 11vo. Armónicos de Tensión Según la norma UNE-EN 6100, 2-4 (1997) “Compatibilidad Electromagnética en las instalaciones industriales de potencia B.T. o M.T. a 50 o 60 Hz”, los niveles de amplitud máximos para el 5to y 7mo armónico son del 6 y 5% respectivamente. En las tablas Nº 24 y 25, se muestran los valores obtenidos en porcentaje para estos armónicos. ci Fase 1 Fase 2 Hora Fase 3 08:03:00 a.m. 07:13:00 a.m. 06:23:00 a.m. 05:33:00 a.m. 04:43:00 a.m. 03:53:00 a.m. 03:03:00 a.m. 02:13:00 a.m. 01:23:00 a.m. 12:33:00 a.m. 11:43:00 p.m. Fase 2 10:53:00 p.m. 10:03:00 p.m. 09:13:00 p.m. Fase 1 08:23:00 p.m. 07:33:00 p.m. 06:43:00 p.m. 05:53:00 p.m. 05:03:00 p.m. 04:13:00 p.m. 03:23:00 p.m. 02:33:00 p.m. 01:43:00 p.m. 12:53:00 p.m. 12:03:00 p.m. 11:13:00 a.m. 10:23:00 a.m. 09:33:00 a.m. 08:43:00 a.m. Porcentaje de Tensión (%) :4 3 09 :00 :3 3 a 10 :00 .m. :2 3 a 11 :00 .m. :1 3 a 12 :00 .m. :0 3 a 12 :00 .m. :5 3 p 01 :00 .m. :4 3 p 02 :00 .m. :3 3 p 03 :00 .m. :2 3 p. 04 :00 m. :1 3 p. 05 :00 m. :0 3 p 05 :00 .m. :5 3 p 06 :00 .m. :4 3 p 07 :00 .m. :3 3 p 08 :00 .m. :2 3 p 09 :00 .m. :1 3 p. 10 :00 m. :0 3 p 10 :00 .m. :5 3 p 11 :00 .m. :4 3 p 12 :00 .m. :3 3 p 01 :00 .m. :2 3 a 02 :00 .m. :1 3 a 03 :00 .m. :0 3 a 03 :00 .m. :5 3 a. 04 :00 m. :4 3 a 05 :00 .m. :3 3 a 06 :00 .m. :2 3 a 07 :00 .m. :1 3 a 08 :00 .m. :0 3: a.m 00 . a. m . 08 Porcentaje de Tensión (%) 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Hora Fase 3 Figura Nº 3-11. Porcentajes de Amplitud obtenidos para el 5to armónico de tensión 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 cii Figura Nº 3-12. Porcentajes de Amplitud obtenidos para el 5to armónico de tensión Los gráficos realizados, demuestran que el sistema no inyecta niveles armónicos que puedan afectar la operación de los equipos, y producir efectos de calentamiento en los conductores, falsos disparos de las protecciones o interferencia telefónica. Por lo tanto las causas de fallas por inyección de armónicos queda descartada, ya que se comprueba que las corrientes armónicas no tienen los niveles de amplitud necesarios para que se cree el efecto de resonancia. Además, las frecuencias para el circuito LC creado por el banco de condensadores y las cargas inductivas de la instalación está por debajo de la frecuencia del armónico más cercano (7mo armónico) y la amplitudes del 5to armónico (f = 300 Hz) son demasiado bajas. 3.12. Mediciones de Temperatura en el Banco de Condensadores El buen funcionamiento de los condensadores de potencia está determinado por su operación en ambientes donde el rango temperaturas sea estable y no supere los valores máximos o promedio establecidos por el fabricante de los mismos. Para el caso de los condensadores del sistema se tienen los siguientes valores: • Temperatura mínima: -25 ºC • Temperatura Máxima: +50 ºC (Máxima diaria) • Temperatura Media: +40 ºC (Promedio Diaria) • Temperatura Media: +30 ºC (Promedio Anual) Para comprobar el cumplimiento de estos rangos, se instaló una sonda de temperatura con registrador electrónico dentro del armario, para establecer los valores de operación en la envolvente del banco y los condensadores internos (monofásicos). ciii Rango de Temperaturas de Operación 50 45 40 Temperatura [°C] 35 30 25 20 15 10 5 Fig ura N° 313. Grá fico de 08 :0 0 09 :0 0 10 :0 0 11 :0 0 12 :0 0 13 :0 0 14 :0 0 15 :0 0 16 :0 0 17 :0 0 08 :0 0 09 :0 0 10 :0 0 11 :0 0 12 :0 0 13 :0 0 14 :0 0 15 :0 0 16 :0 0 17 :0 0 0 Hora Nivel de temperatura Temperaturas obtenidas en el Banco de Condensadores En la figura Nº 3-13 se observa que los valores de temperatura están por encima de los valores promedio diarios admisibles por los condensadores. 3.12.1. Reglas de Ventilación De acuerdo a las recomendaciones dadas por el fabricante Merlin Gerin, el flujo de aire dentro de un banco de condensadores debe ser desde la parte inferior hacia la superior del equipo (ver figura Nº 3-14). La sección transversal de la salida superior de aire debe ser por lo menos 1,1 veces la sección transversal de la rejilla inferior. A continuación se muestran los estándares de ventilación para bancos de condensadores: • Dimensiones: • Altura: 2,0 m ; Profundidad: 0,4 m • 440 V / 60 Hz civ Tabla Nº 3-10. Reglas de Ventilación para bancos de Condensadores Potencia Reactiva Q (kVAr) Tipo de Ventilación Entrada de Aire/Flujo de aire 60 Natural 200 cm2 120 Natural 300 cm2 180 Natural 400 cm2 > 180 Forzada Flujo de Aire Mínimo: F=Q/2 en m3/h Fuente: Schneider Electric, Guide for the Design and Production of LV Compensation Cubicles. 09 / 2000 Según la expresión de la tabla Nº 27, el flujo de aire dentro del banco de condensadores cumple con la siguiente expresión: Q (3-22) 2 ya que la potencia reactiva del banco de condensadores es de 450 kVAr, se tiene lo siguiente: F= F= 450 = 225 m3 / h 2 (3-23) Esta es la capacidad mínima de flujo de aire que debe tener el extractor a instalar dentro del banco de condensadores. Dentro del banco de condensadores no hay ventiladores de extracción, debido a esto no se tiene ventilación forzada dentro del armario. El regulador electrónico de compensación RVT, tiene la opción de instalar dos sondas externas de temperatura para detectar condiciones de exceso, dando una señal de alarma cuando se sobrepasa el limite establecido por el usuario y de esta manera, activar una señal de alarma y un ventilador de extracción. cv Figura Nº 3-14. Esquemas de ventilación forzada para Bancos de Condensadores (Fuente: Merlin Gerin) Todos estos equipos son opcionales en el regulador, pero no hay ninguno de ellos instalado, por lo tanto no se puede monitorear ni regular, los valores de temperatura a los que esta sometido el banco diariamente. Existe una condición de temperatura alta también, dentro de la sub-estación, por lo que se hace necesario instalar un sistema de extracción dentro de la misma, con la finalidad de mejorar la temperatura del banco de condensadores. Bajo estas condiciones de operación, el banco de condensadores funciona en rangos de temperatura que, al no estar acordes con las especificaciones del fabricante, reducen notablemente la vida útil de los mismos. 3.13. Programación del regulador Existen varios parámetros que configuran al regulador electrónico y que determinan su buen o mal funcionamiento, así como su vida útil, por lo tanto depende del usuario determinar la correcta configuración para obtener así la mejor adaptación de potencia reactiva. Estos valores son: a. El Valor CT b. El Valor C/k c. Cos ϕ deseado cvi 3.14. Valor CT Este valor está representado por la relación de corrientes del transformador Amperimétrico o de Corriente. El transformador de Corriente del Regulador tiene una relación de 2000/5 A lo cual indica un valor CT = 400. 3.15. Valor C/k Representa el valor de la corriente de disparo para el regulador electrónico. Mediante este valor, también llamado ancho del rango de reacción, el regulador decide la entrada o salida de los condensadores basándose para ello, en el ancho de banda definido por este valor. Para que el regulador pueda tomar la decisión de conectar o desconectar un escalón, debe saber cual va a ser la intensidad reactiva que va a introducir en la instalación y esta intensidad debe estar referida al secundario del Transformador ya que es el valor que el regulador lee. En la figura Nº 3-15 se puede ver un ejemplo del efecto del valor C/k. C/k demasiado bajo cos ϕ objetivo cos ϕ objetivo C/k correcto t(s) C1 activo C2 activo C3 activo C4 activo C5 activo C6 activo t(s) C1 activo C2 activo C3 activo C4 activo Figura Nº 3-15. Representación del valor C/k cvii Un ajuste demasiado bajo del C/k implica un sobretrabajo inútil de los contactores; un C/k demasiado alto supone una banda estable demasiado ancha, y por lo tanto no se alcanzaría el cos ϕ deseado. El valor recomendado del parámetro C/k puede ser calculado utilizando la siguiente expresión. a) Para un sistema trifásico C / k = 0.67 × Qstep 3 × Vnom × CT (3-24) b) Para un sistema monofásico C / k = 0.67 × Qstep Vnom × CT (3-25) Tomando los siguientes valores para la expresión: • Qstep = 10 kVAr • Vnom = 440 V • CT Scaling = 400 Se obtiene el valor C/k para el sistema de compensación: C/k = 0,021979 ≈ 0,022 El valor observado en la configuración del equipo RVT (C/k=0,099) no cumple con esta condición del rango de ajuste de disparo. Por lo tanto el equipo no establece una buena regulación fisica sobre los condensadores, proporcionando una sobre-operación de los condensadores. cviii 3.16. Observaciones en la configuración Para un óptimo funcionamiento, la secuencia de conexión de los pasos en un sistema de compensación reactiva, debe ser progresiva, esto quiere decir, que un paso no puede ser mayor que el subsiguiente (por ejemplo 2:2:2:1:1:4). El Banco de condensadores establece una regulación de secuencia • 1.2 : 1.2 : 1.2 : 1.2 : 1.2 : 1:1:1 la cual no es valida, ya que no está acorde con las instrucciones de programación del regulador, debido a que se conectan primero, los pasos de mayor potencia reactiva nominal (60 kVAr) y luego los pasos menores (50 kVAr). Actualmente el regulador esta configurado para trabajar con una regulación física de 1:1:1:1:1:1:1:1, lo cual representa un error en la configuración del equipo controlador, debido a lo dicho anteriormente. El valor de la diferencia de potencia reactiva mínima entre pasos (Qstep) en el sistema de compensación según las relaciones anteriores es 10 kVAr. El valor que se encuentra configurado en el equipo controlador actualmente (Qstep = 45 kVAr) es erróneo, lo que trae mala regulación física del banco. Los tiempos de retardo para permitir la descarga del condensador después de la desconexión del mismo están en valores aceptables (20 seg) debido a la resistencia de descarga que estos tienen en paralelo. cix CAPITULO IV Análisis Costo - Beneficio de la Aplicación de las mejoras en el sistema de Compensación Reactiva Tal como se ha visto, el principal objetivo de la compensación reactiva en una instalación eléctrica en la cual existen grandes cargas inductivas como motores eléctricos, transformadores de potencia, equipos de aire acondicionado etc., es el mejoramiento del factor de potencia, el cual trae ventajas entre las cuales están el factor económico, ya que se reducen las penalizaciones por bajo factor de potencia que aplican las empresas distribuidoras de energía eléctrica, y se obtienen mejoras dentro de la instalación como aumento de potencias disponible, disminución de las perdidas por efecto joule, reducción de la sección de los conductores etc. Se ha demostrado que los condensadores de potencia son la fuente más efectiva para el suministro de potencia reactiva (kVAr) a las cargas y líneas de distribución, cuando operan con factor de potencia cercano a la unidad. Al compensar reactivamente al sistema, no solamente se evitan las penalizaciones por bajo factor de potencia, sino que también se produce una liberación de potencia aparente en kVA lo cual se refleja en las facturaciones al disminuir la demanda mensual. Además esta potencia adicional puede ser aprovechada para suplir futuras cargas en el sistema sin la necesidad de ampliar la potencia nominal del transformador de alimentación. Actualmente Alimentos Procria - Santa Cruz, tiene un bajo factor de potencia debido a que el banco de condensadores no tiene la capacidad de potencia reactiva suficiente, necesaria para alimentar a las cargas inductivas de la planta debido a que existen fallas en tres de los ocho condensadores trifásicos que conforman al sistema. cx Por lo tanto los Beneficios que se obtienen al mantener en buen funcionamiento y sin fallas a los condensadores y con la capacidad adecuada de potencia reactiva, se reflejan en la prevención de los costos acumulados por reparación y reemplazo y por el aumento de la potencia disponible en kVA del transformador principal. El estudio se hará a través de un análisis de Costos-Beneficios, el cual se define como la relación entre los beneficios percibidos por los usuarios y el costo en que incurre la empresa al implementar las mejoras. La implantación de un proyecto implica una serie de consecuencias que pueden ser expresadas en términos monetarios, los cuales incurrirán a lo largo de todo el período que dure el proyecto y posterior a su implantación. 4.1. Costos y Beneficios Producidos por la Mejora del Sistema de Compensación La primera fase de este estudio es la justificación de la necesidad de aplicar correctivos en cuanto al mejoramiento del factor de potencia en la planta mediante la aplicación de la propuesta de mejoras en el sistema de compensación del sistema, necesaria para poder percibir beneficios económicos en cuanto a ahorro de energía. El estudio se hace por medio de un análisis que cubre los ahorros que pueden resultar sí se “Libera la capacidad térmica” es decir si se libera mayor potencia en kVA. 3.1.1. Cálculo de la capacidad térmica Liberada A menudo, el beneficio técnico más importante que justifica la adición de condensadores en una instalación eléctrica, es que éstos permiten servir mayor cantidad de kilovatios (kW), al disminuir la potencia reactiva que debe entregar el transformador al sistema. Esto es importante, ya que al agregar condensadores, se libera capacidad térmica y se puede posponer la capacidad de agregar equipos más cxi costosos, tales como transformadores de mayor potencia, mayor cantidad y menores calibres de conductores. Además, al disminuir el consumo en kVA, se obtienen reducciones en las facturaciones de electricidad, lo cual representa el principal beneficio económico. Este análisis puede comenzarse mediante la revisión de La figura Nº 24 ∆ ∆ ϕ1 ∆ ϕ1 Figura N° 4-1. Representación vectorial del efecto de los condensadores sobre la capacidad térmica donde: • kVA1: Carga original • kVA2: Carga resultante después de agregar condensadores • Qc: Condensadores agregados • ∆kVA1: Carga adicional al factor de Potencia original que se puede agregar para que los kVA lleguen al valor kVA1 • kVAr1: Carga original de kVAr • kVAr2: kVAr1-Qc • ϕ1: Angulo del factor de potencia original La adición de Qc en condensadores mejora el factor de potencia, reduciendo la carga térmica de kVA1 a kVA2. El sistema puede servir una carga adicional de ∆kVA1, con el mismo factor de potencia de kVA1. cxii El cálculo de ∆kVA1 se obtiene de la siguiente ecuación: 2 Qc Qc * sen ϕ1 − 1 + 1 − * cos ϕ1 ∆kVA = kVA1 * kVA1 kVA1 (4-1) Mediante el siguiente ejemplo, (valores tomados de las mediciones realizadas) se ilustra mejor el efecto de los condensadores sobre la liberación de capacidad térmica del sistema. Tabla Nº 4-1. Datos para el Cálculo de la Capacidad Liberada en kVA Datos Actuales del Sistema Estimación Carga pico Actual 654 kW Factor de Potencia de la carga 0,80 Carga pico en kVA 817,5 kVA Costo por KVA Facturaciones Elecentro ($ / kVA) 3,811 1) Calculo de la capacidad de los condensadores requeridos en kVAr Mediante la ecuación (4-2) se puede determinar la potencia reactiva necesaria Qc = P * [tanϕ1 − tanϕ 2 ] (4-2) donde: Cos ϕ1 = 0,80 ∴ ϕ1 = 36,86° Cos ϕ2 = 0,95 ∴ ϕ2 = 18,149° Por lo tanto Qc = 654 * [tg (36,86 )1 − tg (18,149 )] = 275,94 kVAr 1 (4-3) Valor calculado en US$ según Gaceta Oficial Nº 37.415 de fecha 03/04/02. ELECENTRO cxiii El valor Qc=275,94 kVAr representa el valor de potencia reactiva en condensadores que es necesario instalar para aumentar el cosϕ hasta 0,95. 2) Capacidad de carga liberada por lo condensadores 2 275,94 275,94 ∆kVA = 817.5 * * sen(36,86 ) − 1 + 1 − * cos(36,86 ) = 817,5 817,5 (4-3) ∆kVA = 135,15kVA Tomando en cuenta el costo por kVA en las facturaciones de Elecentro se tiene el siguiente valor: 3) Valor de la capacidad de carga liberada: 134,5kVA * 3,81 US $ / kVA = 512,45 US$ (4-4) Este valor se considerará como el beneficio obtenido en la propuesta. Tomando un valor promedio de 100 US $ de las facturaciones de Elecentro como penalización por bajo factor de potencia impuesta a la Empresa, el beneficio alcanza el siguiente valor: 512,45 US $ + 100 US$ = 612,45 US$ (4-5) cxiv 3.1.2. Costos de la Propuesta La Propuesta de Mejoras en el Sistema de Compensación Reactiva trae implicado una serie de costos, los cuales están representados por la compra de equipos de extracción así como el reemplazo de los contactores actuales por contactores especiales para la maniobra de condensadores, además de éstos, también se tienen los costos de reparación o reemplazo de los condensadores que actualmente están averiados, por lo tanto se hará a continuación una tabla de costos del sistema. Tabla Nº 4-2. Calculo Estimado de los Costos de la Propuesta Descripción Cantidad Costo (US$) Contactores Telemcanique LC-1DWK 12M7 8 4250 Extractor de Calor (Armario) 1 100 Condensadores ABB CLMB-63 (60 kVAr) 2 3500 1 40 Rejilla antipolvo para extractor Total Costos 7890 Debido a que el banco de condensadores requiere un mínimo mantenimiento, los costos mensuales se consideran muy bajos, por lo cual, se tomará un valor equivalente al 2% de los costos iniciales, relacionados con el funcionamiento de los extractores y mantenimiento ocasional de contactores y revisión de equipos de protección. Análisis Costo-Beneficio Tomando en consideración los costos y beneficios de la operación del sistema propuesto, se muestra a continuación en la tabla Nº 31, el resultado del análisis de la inversión, el cual permite conocer en cuanto tiempo de operación se amortiza el costo de la inversión. cxv Tabla Nº 4-3. Análisis Costo-Beneficio de la Propuesta Tiempo (Meses) Costos (US$) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 7.890,00 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 11,32 Análisis Costo-Beneficio Beneficios Costo Beneficio (US $) Acumulado Acumulado (US $) (US$) 0 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 612,45 7.890,00 7.901,32 7.912,64 7.923,96 7.935,28 7.946,60 7.957,92 7.969,24 7.980,56 7.991,88 8.003,20 8.014,52 8.025,84 8.037,16 8.048,48 8.059,80 8.071,12 8.082,44 0 612,45 1224,9 1837,35 2449,8 3062,25 3674,7 4287,15 4899,6 5512,05 6124,5 6736,95 7349,4 7961,85 8574,3 9186,75 9799,2 10411,65 Saldo (C-B) 7.890,00 7.288,87 6.687,74 6.086,61 5.485,48 4.884,35 4.283,22 3.682,09 3.080,96 2.479,83 1.878,70 1.277,57 676,44 75,31 -525,82 -1.126,95 -1.728,08 -2.329,21 Tomando en cuenta el resultado arrojado por el análisis de Costos y Beneficios de la Propuesta de Mejoras, se observa una recuperación de la inversión, al décimo cuarto mes de operación del sistema. Por lo tanto se concluye que la implantación de las mejoras propuestas es totalmente factible y necesaria para brindar beneficios económicos a la empresa, que evitaran costos innecesarios en el futuro por reemplazo de las partes dañadas en el banco de condensadores. cxvi CAPÍTULO V Conclusiones del Estudio Todas las observaciones, mediciones y cálculos realizados en el sistema de compensación reactiva de la planta, permiten crear una propuesta, la cual esta compuesta por una sede de recomendaciones que tienen la finalidad de evitar que en lo sucesivo, sigan presentándose fallas continuas en los condensadores del sistema, así como en las protecciones y elementos de maniobra del mismo. Las conclusiones son las siguientes: 3.1.1. Armónicos de Corriente 1 . De acuerdo a la tabla NO 1-3 de la norma lEEE 519-1992, se tiene que el máximo contenido armónico de corriente TDD para la relación de cortocircuito establecida para el sistema (SCR = 28,88), calculada en el punto 3.10.1, es del8% . Tal como se muestra en la figura NO 3-8, los máximos valores obtenidos de TDD están por debajo del 8%, por lo tanto, los niveles de distorsion total de demanda se encuentran dentro de los límites permitídos por la norma. 2. Las componentes armónicas de órdenes menores al 11 vo se encuentran por debajo del 7% de amplitud con respecto a la fundamental. Esto indica que se cumple con la norma de la lEEE. 3. Sin embargo, se pueden amplificar las corrientes en los condensadores por efecto de los armónicos si la distorsión armónica de corriente alcanzara valores superiores al 20% durante largos periodos, se concluye esto debido a que, se observaron valores pico elevados durante cortos períodos. 107 cxvii Conclusiones de/ Estudio 3.1.2. Armónicos de Tensión 4. Según la norma de compatibilidad electromagnética titulada, "Niveles de Compatibilidad para las Perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes públicas de alimentación de BT" UNE-ENV 6100, 2-2 (1994), la tasa total de distorsión armónica en tensión tiene un valor de THDV < 8%.De acuerdo a la tabla NO 3-7, los valores promedio calculados para la THDV% están por debajo de este valor, por lo que se puede concluir que se está trabajando dentro de los valores permitídos. 5. Los porcentajes de amplitud de¡ 5to y 7mo armónico cumplen con la norma UNE EN 6100, 2-4 (1997) --Compatibilidad Electromagnética en las instalaciones industriales de potencia B.T. o M.T. a 50 o 60 Hz" (tabla NO 1-4), la cual establece un valor límite de¡ 6% para la amplitud de¡ 5to armónico, y un límite de¡ 5% para la amplitud de 7´ armónico. En las tablas NO 24 y 25, se pueden observar los valores porcentuales obtenidos para estos armónicos. Se concluye que las fallas en los bancos de condensadores no son debidas a los niveles de armónicos existentes en las barras de¡ punto común de acoplamiento de la instalación eléctrica, por lo tanto, no es necesaria la instalación de filtros sintonizados para la reducción de¡ contenido armónico en la instalación eléctrica. Sin embargo, se debe considerar que cuando la distorsión armónica total de corriente THDI alcanza valores elevados, la amplificación de corrientes en los condensadores se ve afectada, por lo tanto, se recomienda la instalación de inductancias de choque para los armónicos, o el reemplazo por condensadores diseñados para instalaciones en las que el rango de distorsión THDI es superior al 20%. La amplificación por efectos de resonancia, es mínima, ya que cuando la distorsión armónica se eleva, la carga es mínima, esto indica que no todos los condensadores estarán conectados a la red, y la frecuencia de resonancia toma un valor mayor que cuando se conectan todos los condensadores de¡ banco (ver tabla N- 3-5). cxviii Conclusiones del Estudio 3.1.3. Rango de Temperaturas Uno de los factores que afecta mayormente el funcionamiento de¡ banco de condensadores debido a la alta sensibilidad de los componentes, es el rango de temperaturas a la cual se ve sometido diariamente. Debe prestarse particular atención a la temperatura de servicio, porque tiene una gran influencia sobre la vida del condensador. Es conveniente controlar periódicamente las temperaturas de los condensadores y del ambiente, para que no sobrepasen los límites establecidos, evitando la acumulación de polvo y substancias ambientales que siempre perjudican la protección eléctrica y térmica. Es por esto, que se hacen las siguientes recomendaciones para mejorar tales condiciones de trabajo: 6. Es necesario mejorar la condición de temperatura en el sistema. Como se mencionó anteriormente, existen altas temperaturas dentro de la subestacíón. Esto podría mejorarse instalando un sistema de extracción y ventilación dentro del armario. 7. El extractor de calor, puede ser controlado a través del regulador del banco, el cual tiene la opción de instalar dos sondas de temperatura Tl y T2 (opcionales al controlador RVT), las cuales en caso de sobrepasar el valor de programación de la instrucción ''T1 Start FAN". cierra un relé de activación para extractor. El lugar más recomendado para la instalación del extractor, es la parte superior del armario, ya que es la parte donde se permite mayor circulación del aire caliente a ser extraído del mismo (ver figura NO. 3-14). 8 La capacidad mínima de flujo de aire del extractor de calor, debe ser de 225 M3 por hora. Adicional a la instalación de¡ extractor, deben crearse ranuras de ventilación natural en la puerta del armario del banco para permitir el libre flujo del aire. (ver figura NO 3-14). La sección transversal del extractor de calor debe ser al menos igual a 1,1 veces la sección transversal de las ranuras de ventilación. cxix Conclusiones de/ Estudio 9. De ser posible, es propicia la reubicación de¡ transformador de alumbrado de la subestación, el cual se encuentra cercano al banco y contribuye al aumento de temperatura en la sub-estación. 3.1.4. Conductores de Conexión 10. Los conductores utilizados para la conexión de los condensadores no cumplen con las normas de conexión de los condensadores de 1,5 veces la corriente nominal de operación de los condensadores, por lo tanto, se recomienda el reemplazo por conductores NO 2 AWG - TW, el cual cumple con las normas establecidas por los fabricantes de condensadores. 3.1.5. Equipos de Maniobra 11 . Las corrientes de inserción en los condensadores alcanzan valores mayores a 134 veces la corriente nominal de los condensadores en el momento de cierre de¡ contactor ( t=0+) Esto trae como consecuencia la disminución de la vida útil de los condensadores si no se utilizan equipos de maniobra especiales para el cierre de los mismos. Además el arco que se produce por ionización de¡ aire al momento de apertura también daña los contactos de los equipos. 12. Los equipos de maniobra para la conexión de los condensadores no están diseñados para tal función, por lo tanto se recomienda la sustitución por contactores que estén diseñados para esta operación, los cuales incluyen bloques de contactos adelantados y resistencias o inductancias de preinsercíón, que disminuyen la corriente transitoria a un valor menor a 60 veces la corriente nominal del condensador (60ln). Los datos de placa de los contactores de reemplazo deben ser los siguientes: Corriente Nominal de empleo (le): 125 A cxx Conclusiones de/ Estudio • Corriente Nominal Térmica (lth): 125 A • Tensión Nominal de empleo (Ue): 480 VAC • Tensión Nominal de Aislamiento (U¡): 1000 v • Potencia Reactiva Nominal (Qn): 60 kVAr 3.1.6. Programación del regulador 13. Se recomienda una reubicación en la conexión de los escalones de compensación, ya que la misma tiene errores en cuanto a la regulación física de los condensadores. Una regulación ideal sería la utilización de condensadores en secuencia 1: 1: 1: 1: 1: 1: 1: 1 ó en secuencia 1: 1: 1 2:1.2:1.2:1.2:1.2:1.2, es decir, cambiar la ubicación de los tres últimos condensadores trifásicos (50 kVar) a las tres primeras posiciones de cierre, dejando a los condensadores mayores (60 kVAr) en las últimas posiciones. 14. Es necesario modificar la actual programación de¡ regulador electrónico en cuanto a los parámetros Qstep y C/k estos deben ser sustituidos por los valores calculados anteriormente. El valor Target Cos<p (ver manual de operación) tiene un valor de 0,99. Este valor no es aconsejable, ya que debido al rango de C/k puede ocurrir el problema de sobrecompensación en el sistema cuando haya una disminución de carga. Un valor mas ajustado para este parámetro puede ser 0,95. 15. El modo de operación Lineal de contactores programada actualmente en el regulador, puede ser cambiada por la operación Circular, la cual trae ventajas como el aumento de la vida útil de los contactores y los condensadores ya que utiliza el principio de conexión "Primero que entra, Primero que sale" mencionada anteriormente. cxxi Conclusiones del Estudio 3.1.7. Condensadores Trifásicos 16. Es necesaria la recuperación de los dos condensadores trifásicos ABB CLMB 63 y CLMB 53 que conforman el 2do y 5to escalón respectivamente. Debido a esto el factor de potencia de la instalación es inferior a 0,9. Además al faltar estos condensadores, se hace que los otros escalones estén siempre cerrados creando una condición de sobretrabajo en los condensadores. 17. Al faltar dos escalones de compensación se trabaja al margen de potencia reactiva del banco, y no existe ninguna clase de reserva para las ampliaciones que actualmente se hacen en la planta. 18. Se recomíenda la pronta instalación de los tres bancos de condensadores marca Comar Condensatori que se tienen desconectados en la planta, para descargar en parte, a la instalación de potencia reactiva circulante. En definitiva se concluye que la causa de fallas en el banco de condensadores de la planta es debida a un efecto combinado de las condiciones de temperatura a las que trabaja el mismo, los contactores de cierre instalados, así como los conductores utilizados los cuales no cumplen con las condiciones de corrientes máximas permitidas. También la incorrecta programación del regulador electrónico no proporciona las condiciones óptimas de funcionamiento para el banco de condensadores. Es posible que la vida útil de los condensadores se vea reducida si se incrementa la tasa de distorsión armónica total THDI en la instalación eléctrica, en el caso de instalación de nuevas cargas lineales es necesario considerar la instalación de inductancias de choque para atenuar el incremento en la amplitud de los armónicos, ó reemplazar los condensadores existentes por condensadores especiales para instalaciones donde la distorsión armónica sea mayor al 20%. cxxii Conclusiones de/ Estudio 3.1.8. Mantenimiento de los Condensadores Se recomienda realizar operaciones de mantenimiento preventivo de manera periódica con la finalidad de evitar fallas previsibles en el funcionamiento de¡ banco de condensadores. Estas recomendaciones se basan en las especificaciones dadas por el fabricante, las cuales constan de los siguientes puntos: a. Cada seis meses revisar: • Que no hayan conexiones flojas (eventualmente realizar el ajuste de todas las conexiones de potencia). • Revisar el correcto funcionamiento del regulador electrónico. • Verificar que la resistencia de descarga no se haya quemado o roto. • Verificar la corriente absorbida de cada escalón, tomando la medida de cada una de las tres fases, registrando el valor y comparándolo con los valores nominales. En caso de variaciones superiores al 15% verificar cada condensador y eventualmente sustituirlo si esta fuera de servicio. b. Cada doce meses: • Repetir las operaciones arriba descritas. • Verificar el estado de los contactos eléctricos de los contactores para evitar daños del condensador debidos al cierre con contactos desgastados. No efectuar nunca intervenciones sobre los contactos con material abrasivo. La duración, la fiabilidad eléctrica y mecánica del aparato están subordinadas al regular mantenimiento que se debe realizar a los equipos de compensación. cxxiii Conclusiones del Estudio 3.1.9. Estudio Costo-Beneficio Tomando en cuenta el resultado arrojado por el análisis de Costos y Beneficios de la Propuesta de Mejoras, se observa una recuperación de la inversión, al décimo cuarto mes de operación de¡ sistema. Por lo tanto se concluye que la implantación de las mejoras propuestas es totalmente factible y necesaria para brindar beneficios económicos a la empresa, que evitaran costos innecesarios en el futuro por reemplazo de las partes dañadas en el banco de condensadores. cxxiv BIBLIOGRAFIA 1. Ariel Martinez, Marcelo. Corrección del Factor de Potencia. Departamento de Electromecánica. Facultad de Ingenieria. UNNE. 1999. 2. A. Tejada, A. Llamas. Efectos de las armónicas en los sistemas Eléctricos. Artículo de divulgación del Programa de Graduados en Ingeniería, Maestría en Ingeniería Eléctrica, ITESM, 1996. 3. CGM Energy C.A. Auditoría Eléctrica en las Instalaciones de REMAVENCA. Año 1998. 4. Chacón P., Trino y Dávila C., Marisol. Tablas de Instalaciones Eléctricas. Publicaciones ULA. 1995. 5. Chapman, Stephen J. Máquinas Eléctricas. Mc Graw-Hill, 2000. 6. Comar Condensatori. Condensadores y Equipos para la corrección del factor de potencia. Marzo, 1999. 7. Díaz, Pablo. Soluciones prácticas para la puesta a tierra de sistemas eléctricos de distribución. Mc Graw-Hill, 2001. 8. Gerin, Merlin. Compensación de Energía Reactiva y Filtrado de Armónicos. Schneider Electric Venezuela. 9. Grainger, John J., y Stevenson, William D.. Análisis de Sistema de Potencia. Mc Graw Hill 10. Harper Enríquez. El ABC de las Máquinas Eléctricas (III). Limusa Noriega Editores. Séptima Edición, 2000. cxxv 11. Harper Enríquez. Protección de Instalaciones Eléctricas Industriales y Comerciales. Limusa Noriega Editores. Segunda Edición, 2002. 12. IEEE 519. Practicas recomendadas y requerimientos para el control de armónicos en los sistemas de potencia . IEEE. 1992. 13. Mora, Pedro O. Máquinas Eléctricas y Transformadores. Publicaciones ULA. 1997. 14. Paice, Derek A. Power Electronic Converter Harmonics. IEEE 1996. 15. Penissi, Oswaldo. Canalizaciones Eléctricas Residenciales. Séptima Edición, 2001. 16. P y S Digital. Estudio de Contenido Armónico en el área de envasado de Remavenca. 1998. 17. Schneider Electric, Guide for the Design and Production of LV Compensation Cubicles. Schneider Electric S.A.. 09/2000. 18. Stephens Ricardo. Tablas de Conductores Eléctricos. Publicaciones ULA. 1996. 19. Technical Guide Nº 6. Guide to Harmonics with AC Drives. ABB. Paginas Web 20. http://www.abb.com 21. http://www.comarcondensatori.com 22. http://www.conae.gob.mx/wb/distribuidor.jsp cxxvi ANEXOS cxxvii Potencias máximas sugeridas de los capacitores (kVAr) para la compensación individual de motores en baja tensión Tabla Anexo 1. NEMA diseño B. Motores en baja tensión, par de arranque normal y corriente normal Motor de Inducción Potencia (hp) 5 7,5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 125 150 200 250 300 350 400 450 450 Velocidad nominal en r.p.m. y número de polos 3,6 2 2 2,5 3 5 6 7,5 7,5 7,5 10 10 15 20 25 25 35 40 45 50 70 75 90 1,8 4 2 3 3 5 6 6 7,5 10 15 15 20 25 30 30 40 50 60 70 70 80 90 1,2 6 3 3 4 5 7,5 7,5 10 15 20 25 25 30 30 35 50 60 70 80 80 100 120 900 8 3 4 5 7,5 7,5 10 10 15 20 20 25 30 40 45 60 70 80 100 110 120 125 720 10 4 6 6 7,5 10 10 15 15 20 25 30 35 40 50 70 80 90 100 125 125 140 600 12 5 7,5 10 10 15 20 20 25 30 35 40 45 50 60 80 100 110 125 150 150 175 Fuente: National Estandards and Manufacturers Associations cxxviii Tabla Anexo 2. NEMA diseño C. Motores en baja tensión, alto par de arranque y corriente normal Motor de inducción potencia (hP) 5 7,5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 125 150 200 250 300 350 Velocidad nominal en r.p.m. y número de polos 1,8 4 2 3 3 4 4 5 5 10 15 15 20 25 30 35 45 50 60 70 1,2 6 2,5 3 4 5 5 5 7,5 10 10 20 20 25 35 40 50 60 70 75 900 8 4 4 5 7,5 7,5 10 10 15 20 25 30 40 40 45 60 70 80 90 720 10 ------------20 --25 25 35 40 45 50 60 75 80 100 Fuente: National Estandards and Manufacturers Associations cxxix Tabla Anexo 3. Tarifas Eléctricas según Gaceta Oficial Nº 37.415 de fecha 03/04/02 Fuente: C.A. Electrificación del Centro cxxx 114 cxxxi cxxxii cxxxiii cxxxiv cxxxv cxxxvi cxxxvii cxxxviii