Sistemas para el cálculo de parámetros. eléctricos y eficiencia energética para. generadores hidroeléctricos de gran. capacidad

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1 56 Sistemas para el cálculo de parámetros Oscar Alfonso Reyes Martínez 1, Alberth Pascacio de los Santos 1, Carlos Alberto Pérez Abad 1 y Nicolás León Rivera 2 Sistemas para el cálculo de parámetros eléctricos y eficiencia energética para generadores hidroeléctricos de gran capacidad Abstract eléctricos y eficiencia energética para generadores hidroeléctricos de gran capacidad In recent years, the Comisión Federal de Electricidad (CFE) has developed important hydroelectrical power projects in Mexico. Most of them are located in the Santiago River Hydrological System in Nayarit, México. A total of 27 projects with a capacity of 4,300 MW are considered but only 32% of them have been carried out. One of the most ambitious projects that continue in process of construction is the Hydroelectrical Plant La Yesca. This project will conclude in late 2012 and consists of two electric generators of 375 MW, 17 kv. It will be second in power and the third in electrical generation at the system. According to national and international standards, a set of static and dynamic tests must be performed in these generators before commissioning, to ensure their proper operation. Winding stator high voltage endurance test, three phase sudden short circuit test and energy efficiency calculation are some of the most important tests to be performed in a new electrical generator. These tests are difficult to perform on-site due to the equipment capacity required, so very few companies in the world can conduct them. In Mexico no one has the necessary infrastructure for testing in high capacity hydroelectric 1 Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) 2 CFE-LAPEM Para garantizar la adecuada operación de un generador eléctrico, éste debe ser sometido a una serie de pruebas estáticas y dinámicas antes de su puesta en servicio. generators such as those from La Yesca, so the Laboratorio de Pruebas a Equipos y Materiales (LAPEM) has invested in projects to improve this project in order to meet the needs of the Mexican electricity sector. This paper is a description of the systems developed for the calculation of electrical parameters and energy efficiency for this class of generators. Introducción El comportamiento del generador síncrono es muy importante para el sistema eléctrico de potencia, ya que aporta la energía eléctrica, estabilidad de frecuencia, regulación de tensión y eficiencia operativa requeridos para su adecuada operación. Debido a su importancia, tiene una normativa asociada muy extensa que cubre requerimientos de capacidades y comportamiento, métodos de prueba, guías de aplicación y recomendaciones para su operación, entre otros. Para garantizar la adecuada operación de un generador eléctrico, éste debe ser sometido a una serie de pruebas estáticas y dinámicas antes de su puesta en servicio. En este sentido la CFE, a través de la especificación W (CFE, 1999) establece las pruebas que deben ser realizadas, en fábrica y en campo, a un generador nuevo y a sus componentes principales (equipo auxiliar y sistemas de control). Normas como la IEEE Std. 115 (IEEE, 2002) y las IEC (IEC,

2 Sistemas para el cálculo de parámetros eléctricos y eficiencia energética e IEC, 2007), establecen los requerimientos para llevar a cabo las pruebas de aceptación de un generador eléctrico. Por lo general, las pruebas en fábrica son realizadas por el propio proveedor y se consideran como pruebas de rutina, por lo que su ejecución no representa mayor dificultad, sin embargo, las pruebas en campo son difíciles de realizar por los altos niveles de voltaje y/o corriente que se originan durante su ejecución. En este sentido, las pruebas de potencial aplicado y la de cortocircuito trifásico súbito son las más complicadas de realizar. En la primera de ellas se requiere contar con una fuente de voltaje capaz de proporcionar el voltaje de prueba de 2 Vn+1000, mientras que en el segundo caso, el equipo utilizado para la generación del cortocircuito debe soportar varias decenas de kilo amperes durante un periodo de 10 segundos. Por ello, en el mundo sólo algunas compañías cuentan con la infraestructura necesaria para llevar a cabo este tipo de pruebas. Por otra parte, la eficiencia energética también constituye un parámetro difícil de calcular con precisión en campo, debido al tamaño que tiene un generador hidroeléctrico, por lo cual, se utilizan métodos alternos como el de retardación o el método calorimétrico. A mediados del año 2010, la International Electrotechnical Commission (IEC) publicó la norma IEC (IEC, 2010), en la cual establece algunos criterios importantes para el cálculo de la eficiencia energética de un generador por el método calorimétrico, como es el número de mediciones y la distancia de las mismas para determinar la temperatura de la superficie de referencia. Anteriormente esto era definido por cada compañía con base en su experiencia. Los sistemas desarrollados por la Gerencia de Equipos de Eléctricos y la Gerencia de Sistemas de Control e Instrumentación del IIE fueron diseñados para llevar a cabo las pruebas de aceptación de los generadores eléctricos de la Central Hidroeléctrica La Yesca, sin embargo, también pueden ser utilizados en generadores hidroeléctricos con una capacidad de 100 MW o mayor. Los sistemas desarrollados por el IIE están constituidos por un sistema de adquisición y procesamiento de datos, un sistema óptico para transmisión de señales analógicas, sensores para medición de voltaje, corriente, temperatura, presión y el equipamiento necesario para las pruebas de cortocircuito. Todos estos elementos fueron diseñados en forma modular para facilitar su transportación. En total se desarrollaron dos sistemas que funcionan de manera independiente: Un sistema para el cálculo de parámetros eléctricos y un sistema para el cálculo de la eficiencia energética y sus características principales se describen en este documento. Sistema para el cálculo de parámetros eléctricos Los parámetros eléctricos de las máquinas síncronas son utilizados en el análisis y solución de una gran variedad de problemas de sistemas de potencia y para la verificación respecto al contrato de suministro. En estado estable es importante conocer los valores de las reactancias síncronas de eje directo y de eje en cuadratura, para determinar el máximo valor de potencia reactiva (Q) que puede proporcionar la máquina. Por otra parte, las reactancias transitorias y subtransitorias son utilizadas principalmente en estudios de estabilidad para conocer la respuesta de la máquina ante condiciones transitorias que pudieran presentarse en el sistema eléctrico al que se encuentran conectadas. La determinación de las reactancias transitorias y subtransitorias de la máquina es complicada, ya que se requiere realizar la prueba de cortocircuito trifásico súbito en terminales del generador. Esta prueba somete a la máquina a esfuerzos mecánicos y eléctricos severos, por lo que es necesario tomar en consideración algunas precauciones antes de llevarla a cabo. Asimismo, para su realización es necesario contar con el equipamiento adecuado para soportar los altos niveles de corriente que se producen. Existen métodos alternos como la prueba de rechazo de carga, pero se ha visto que esta prueba registra un nivel de error importante durante el cálculo de los parámetros de eje en cuadratura de la máquina, por lo que rara vez es aplicada. El sistema desarrollado por el IIE fue diseñado para soportar las corrientes de cortocircuito que se producirán durante la prueba de cortocircuito trifásico súbito de los generadores de la central hidroeléctrica La Yesca. Estos generadores tienen una capacidad de diseño de 375 MW a 17 kv, por lo que el nivel de corriente de cortocircuito a 0.4 Vn es del orden de 70 ka pico asimétrico. El sistema está diseñado para soportar este nivel de corriente por un periodo máximo de 10 segundos y de acuerdo con los resultados de las pruebas realizadas, la sensibilidad del sistema es adecuada (error menor al 2%) para un rango de corriente de 10 ka a 100 ka. Asimismo, el sistema es modular y cuenta con los siguientes componentes principales: Sistema de adquisición y procesamiento de datos

3 58 Enlaces ópticos Interruptor y shunts coaxiales Transformadores de potencial Cuchilla cortacircuitos Sensores de voltaje y corriente Cables de conexión En la figura 1 se muestra un diagrama esquemático con los componentes del sistema. Mediante este sistema se pueden realizar las siguientes pruebas: 1. Corto circuito trifásico sostenido 2. Corto circuito bifásico desbalanceado L-L 3. Corto circuito bifásico desbalanceado L-L-N 4. Saturación en vacío 5. Saturación a factor de potencia cero 6. Apertura súbita de campo 7. Corto circuito trifásico súbito 8. Medición de corriente alterna monofásica a rotor parado 9. Medición de corriente alterna trifásica con rotor en deslizamiento 10. Rechazo de carga con potencia reactiva (eje directo) 11. Rechazo de carga con potencia activa y reactiva (eje en cuadratura) Las pruebas anteriores son las que se encuentran establecidas en los programas de cálculo que forman parte del sistema, sin embargo, es posible realizar la mayoría de las pruebas alternas establecidas en la normatividad internacional, integrando los algoritmos para ello. Sistema de adquisición de datos El sistema de adquisición de datos consta de dos componentes principales: Sistema de adquisición de datos mediante puerto USB con ocho canales (cuatro canales para señales de corriente y cuatro para señales de voltaje) con capacidad para ajuste de ganancia en forma individual. Computadora portátil con los siguientes programas: Cortocircuito, el cual se utiliza para la captura y visualización de las señales de voltaje, corriente y potencia del generador durante las pruebas (figura 2a). Parametrización HG, programa utilizado para el cálculo de los parámetros eléctricos del generador, obtenidos a partir de las pruebas de saturación en vacío, cortocircuito trifásico sostenido, cortocircuito bifásico, cortocircuito trifásico súbito y medición de corriente alterna monofásica y bifásica (figura 2b). Rechazo de Carga HG, programa utilizado para el cálculo de los parámetros eléctricos del generador, obtenidos a partir de la prueba de rechazo de carga con potencia activa y potencia reactiva (figura 2c). a) b) c) Figura 1. Sistema para el cálculo de parámetros eléctricos en generadores hidroeléctricos. Figura 2. Programas de cómputo a) Cortocircuito, b) Parametrización HG, c) Rechazo de Carga HG.

4 Sistemas para el cálculo de parámetros eléctricos y eficiencia energética 59 Sistema óptico para transmisión de señales analógicas Entrada analógica Transmisor remoto Enlace de fibra óptica Receptor Salida analógica Una cadena electroóptica o sistema óptico para la transmisión de señales analógicas es un sistema de medición para ambientes con interferencia electromagnética (IEM) altamente agresiva, basado en un enlace de transmisión por fibra óptica con compensación de error por un sistema basado en microprocesador. Los enlaces de fibra óptica son particularmente apropiados en esta clase de aplicaciones debido a su naturaleza dieléctrica y a sus propiedades de inmunidad a la interferencia electromagnética. El enlace analógico de fibra óptica del sistema de medición es básicamente un transceptor de fibra óptica compuesto por tres partes principales: El transmisor remoto, la unidad receptora y un enlace de comunicación por fibra óptica, como se muestra en la figura 3. El transmisor remoto localizado en el área de pruebas con alta IEM adquiere, ajusta y envía la señal analógica de entrada. La unidad receptora, localizada en el cuarto de control, remodela y filtra la señal transmitida y envía la señal analógica resultante a un digitalizador para su procesamiento. El enlace de comunicación consiste de dos canales de fibra óptica que proveen aislamiento eléctrico e inmunidad al alto voltaje. El enlace analógico de fibra óptica fue diseñado para cumplir con una zona plana desde CD hasta 200 khz de ancho de banda, con una deriva térmica de offset en CD de 5 mv/c y menos del 1% de variación en la ganancia a través del enlace. El transmisor remoto (figura 4) tiene un esquema de acondicionamiento que puede manejar señales desde 200 mv hasta Figura 3. Diagrama a bloques del enlace analógico de fibra óptica. Figura 4. Transmisor remoto de la cadena electroóptica. 200 V en nueve rangos de atenuación seleccionables. En el transmisor remoto, la señal analógica de entrada es modulada en frecuencia y convertida en un rayo infrarrojo para viajar a través del canal de la fibra óptica. En el otro extremo del canal, el receptor (figura 5) se encarga de convertir la señal de luz en voltaje, lo amplifica, demodula y acondiciona para que pueda ser usada por el postprocesamiento. La señal de salida está en el rango de 10 V (Velázquez, 2007). Interruptor y shunts coaxiales Para poder llevar a cabo la prueba de cortocircuito trifásico sostenido se adquirió un interruptor en vacío de accionamiento magnético de 40 ka, 17.5 kv y 3,150 A de corriente nominal. Al interruptor se le acondicionó una alimentación de CA, un dispositivo de cierre a distancia y un juego de tres shunts coaxiales de 50 µw, 72 kj. Este arreglo fue evaluado hasta su capacidad de diseño (70 ka pico asimétricos) en el Laboratorio de Alta Corriente del LAPEM de la CFE (figura 6). Figura 5. Receptor de las cadenas electroópticas de 9 canales. Figura 6. Arreglo de interruptor y shunts coaxiales. Resultados obtenidos Se realizó la evaluación de todas las variables del sistema, utilizando resultados de pruebas en laboratorio y de simulación. En todos los casos se registró una desviación máxima del orden de 2%. En la figura 7 se muestra un ejemplo de los resultados obtenidos. Adicionalmente, para verificar la robustez del sistema, éste fue evaluado mediante la

5 60 a) b) Figura 7. Resultados de las pruebas realizadas al sistema para el cálculo de parámetros eléctricos a) banco de pruebas, b) ejemplo de las señales obtenidas con el programa Parametrización HG. a) b) Figura 8. Resultados de las pruebas de cortocircuito realizadas en el Laboratorio de Alta Corriente del LAPEM: a) Arreglo utilizado, b) Señales registradas a 70 ka. aplicación de una corriente de 70 ka pico asimétricos. Estas pruebas también se desarrollaron en el Laboratorio de Alta Corriente del LAPEM, obteniéndose resultados satisfactorios (figura 8). Sistema para el cálculo de eficiencia energética Normalmente, los generadores hidroeléctricos son operados para satisfacer los requerimientos de energía eléctrica del país durante las horas de mayor demanda, por lo que están sometidos a condiciones severas de operación. En muchos casos, las máquinas son operadas como condensadores síncronos aportando reactivos al sistema, con el fin de mantener estables los niveles de voltaje en los nodos de interconexión del mismo. Con el tiempo y las condiciones de operación a que son sometidos estos generadores se produce el deterioro de sus componentes, por lo que, entre otras cosas, se incrementan las pérdidas por calentamiento en el núcleo del estator por degradación del sistema aislante en los devanados del estator y rotor y por desgaste en sus rodamientos. Todos estos factores reducen la eficiencia de la máquina y su vida útil. La eficiencia de una máquina es la relación que existe entre su potencia de salida y su potencia de entrada, bajo condiciones específicas de operación. En máquinas pequeñas, dichas potencias pueden ser

6 Sistemas para el cálculo de parámetros eléctricos y eficiencia energética 61 medidas de manera directa con medidores de par mecánico y medidores de potencia eléctrica, sin embargo, en equipos más grandes donde la potencia mecánica no puede ser medida directamente se requiere de métodos de prueba distintos para obtener la llamada eficiencia convencional, basada en la cantidad de pérdidas que presenta la máquina. En las normas internacionales se describen cuatro métodos principales para el cálculo de la eficiencia energética en máquinas rotatorias de gran capacidad: a) Método del motor impulsor separado b) Método de suministro de potencia eléctrica c) Método de retardación d) Método calorimétrico En la práctica, el método calorimétrico cuenta con mayores ventajas de aplicación en generadores hidroeléctricos de gran capacidad, en comparación con los otros tres métodos, debido principalmente a que es un método de prueba no intrusivo (Kawada, 1972). Este método es usado en máquinas con enfriadores de agua, en los cuales el medio refrigerante circula a través de un sistema cerrado. Se basa en el hecho de que las pérdidas en el generador son iguales al calor disipado a través del agua, más el calor perdido por radiación y convección. El sistema desarrollado por el IIE fue diseñado para realizar el cálculo de eficiencia energética en generadores hidroeléctricos con enfriamiento de agua, es modular y cuenta con los siguientes componentes principales: Computadora portátil Sensores portátiles para: Medición de flujo de agua Espesor de tuberías Velocidad del aire (termo-anemómetros) Temperatura sin contacto (sensor láser de temperatura) En la figura 9 se muestra un diagrama esquemático con los componentes del sistema. Los programas de cómputo constituyen la parte esencial de estos sistemas, ya que a través de ellos se procesa la información obtenida de las pruebas realizadas en el generador. Mediante este sistema se pueden realizar las siguientes pruebas: 1. Cálculo de la eficiencia energética por el método calorimétrico para el caso de pérdidas globales (figura 10). 2. Cálculo de la eficiencia energética por el método calorimétrico para el caso de pérdidas segregadas (figura 11). Los programas para el cálculo de la eficiencia se instalan en una computadora portátil que incluye los siguientes programas: Eficiencia Energética HGPG, el cual se utiliza para la captura de los valores de temperatura, flujo y aire de enfriamiento, disipados a través de los componentes del generador bajo condiciones de carga específicas. Este programa presenta las pérdidas globales de cada componente y la eficiencia del generador para cada condición de carga. Eficiencia Energética HGPS, el cual se utiliza para la captura de los valores de temperatura, flujo y aire de enfriamiento disipados a través de los componentes del generador bajo condiciones de operación y carga específicas. Este programa presenta las pérdidas segregadas de cada componente y la eficiencia del generador para cada condición de carga. Figura 9. Sistema para el cálculo de la eficiencia energética de generadores hidroeléctricos. Figura 10. Programa de cómputo para el cálculo de pérdidas globales, Eficiencia Energética HGPG. Figura 11. Programa de cómputo para el cálculo de pérdidas segregadas, Eficiencia Energética HGPS.

7 62 El programa para el cálculo de pérdidas globales despliega los siguientes valores: Pérdidas disipadas por la tubería principal Pérdidas disipadas por la superficie de referencia Pérdidas disipadas por las chumaceras Eficiencia para cada condición de carga Eficiencia media ponderada Mediante el programa de cálculo de pérdidas segregadas, el usuario puede calcular en forma automática lo siguiente: Pérdidas por fricción y ventilación Pérdidas en el núcleo activo Pérdidas en el estator y dispersas Pérdidas adicionales Tabla con el cálculo de las pérdidas segregadas y eficiencia del generador para el 25, 50, 60, 70, 80, 90 y 100% de la carga del generador. Los programas desarrollados tienen la opción de calcular las pérdidas disipadas a través de la tubería del sistema de enfriamiento de la máquina, por medio de mediciones realizadas con sensores portátiles. Este caso aplica principalmente en aquellas máquinas en donde la medición del flujo y temperatura del agua de enfriamiento no sea confiable o no estén instrumentadas. Conclusiones Las tecnologías actuales de transmisión de señales y adquisición de datos, así como los programas para procesamiento de señales, permiten desarrollar herramientas automatizadas altamente especializadas, que facilitan el trabajo de las pruebas eléctricas requeridas para el cálculo de parámetros eléctricos y eficiencia energética de los generadores. Los programas de cómputo desarrollados cuentan con versatilidad para su aplicación en máquinas instrumentadas y en aquéllas que no cuentan con los instrumentos de medición requeridos. En este sentido, el sistema incluye una serie de sensores portátiles para medición de temperatura, flujo y velocidad de aire de enfriamiento, además de sensores para medición de voltajes y corrientes. El uso de transmisores analógicos de fibra óptica impacta positivamente en la seguridad del personal y equipo de medición durante la realización de las pruebas. El personal puede estar a una distancia segura sin perder sensibilidad en la medición. Adicionalmente, estos sistemas reducen significativamente la posibilidad de interferencia generada por la alta corriente que se produce durante las pruebas. Referencias Especificación CFE W , Generadores para Centrales Hidroeléctricas, CFE, IEEE Std IEEE Guide: Test Procedures for Synchronous Machines, Part I y II, Reaffirmed September IEC , Rotating Electrical Machines-Part 4: Methods for determining synchronous machine quantities from tests, IEC , Standard methods for determining losses and efficiency from tests, IEC , Rotating electrical machines Part 2-2: Specific methods for determining separate losses of large machines from tests, Supplement to IEC , Velázquez, J.C., Montero, J.C., Rodríguez J. H. y Garduño R. Improved analog optical fiber link for signal measuring in a High Power Testing Facility, International journal of mathematics and computers in simulation, Issue1, Vol. 1, 2007, p Kawada, M.; Kira, S.; Fujita, H., Efficiency Tests at Site for Large Alternators by Calorimetric Method, Hitachi Review, vol. 21, núm. 9, 1972, p De izquierda a derecha: Oscar Alfonso Reyes Martínez, Alberth Pascacio de los Santos y Carlos Alberto Pérez Abad. OSCAR ALFONSO REYES MARTÍNEZ [oareyes@iie.org.mx] Realizó sus estudios de Maestría en la Universidad Autónoma de Nuevo León en Ingeniero Industrial Eléctrico por el Instituto Tecnológico de Veracruz (ITV) en 1994, año en el que ingresó al IIE, donde es investigador en la Gerencia de Equipos Eléctricos. Se especializa en el diagnóstico de sistemas aislantes de máquinas eléctricas rotatorias de alta tensión, mediante la aplicación de pruebas en línea y fuera de línea. Sus áreas de investigación incluyen el estudio y análisis de los mecanismos de deterioro del sistema aislante de los generadores eléctricos y la definición de alternativas de rehabilitación. ALBERTH PASCACIO DE LOS SANTOS [pascacio@iie.org.mx] Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por la SEPI-ESIME-IPN en Ingeniero en Electrónica por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez en 1997, año en el que realizó una estancia en Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT) en el IIE, en la Gerencia de Equipos Eléctricos y en 1998 ingresó como investigador, especializándose en programación gráfica e instrumentación virtual. Desde hace 12 años ha participado en diversos proyectos de desarrollo de hardware y software para el diagnóstico en línea y fuera de línea de equipo eléctrico de potencia. CARLOS ALBERTO PÉREZ ABAD [caperez@iie.org.mx] Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica con especialidad en Comunicaciones por el Instituto Politécnico Nacional (IPN) en En 1994 ingresó el IIE, a la Gerencia de Control, Electrónica y Comunicaciones. Sus principales áreas de interés son las redes inalámbricas, tecnologías móviles y protocolos de comunicaciones. Su línea de desarrollo es la de sistemas digitales de medición, control y comunicaciones.