UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios de Postgrado Especialización en Instalaciones Eléctricas

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios de Postgrado Especialización en Instalaciones Eléctricas ESTUDIOS DE RÉGIMEN PERMANENTE DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA PRIMERA ETAPA SISTEMA DE TRANSPORTE MASIVO DE MARACAIBO Trabajo Especial de Grado presentado a la Universidad Simón Bolívar por Eduardo José Osorio Tudares Como requisito parcial para optar al grado de Especialista en Instalaciones Eléctricas Realizado con la tutoría del Profesor Roberto Alves Baraciarte Julio, 2.6

2 ii UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios de Postgrado Especialización en Instalaciones Eléctricas ESTUDIOS DE RÉGIMEN PERMANENTE DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA PRIMERA ETAPA SISTEMA DE TRANSPORTE MASIVO DE MARACAIBO Este Trabajo Especial de Grado ha sido aprobado en nombre de la Universidad Simón Bolívar por el siguiente jurado examinador: Jurado Gastón Pesse Jurado Alexander Bueno Tutor Roberto Alves Baraciarte Fecha:

3 iii ESTUDIOS DE RÉGIMEN PERMANENTE DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA PRIMERA ETAPA SISTEMA DE TRANSPORTE MASIVO DE MARACAIBO RESUMEN La empresa SIEMENS, encargada del proyecto PRIMERA ETAPA DE LA LÍNEA 1 DEL SISTEMA DE TRANSPORTE MASIVO DE MARACAIBO (STMM), debe asegurarle al cliente (METROMARA) y a la empresa distribuidora de energía (ENELDIS), la adecuada condición de operación del sistema eléctrico de potencia, tanto en régimen permanente como en régimen transitorio. El sistema eléctrico consiste de cuatro Subestaciones de potencia alimentadas cada una por dos circuitos subterráneos en Media Tensión (24 kv). La carga principal en las Subestaciones de tracción son puentes rectificadores de 1.5 MW, que alimentarán al sistema de rieles en corriente continua (75 VCC). El presente trabajo de grado consiste en el desarrollo de los estudios de régimen permanente en una parte importante del sistema eléctrico general, conformado por las Subestaciones Caujarito, Patio/Talleres y Varillal. Se analizan y comparan con valores recomendados en normas, los resultados de los siguientes estudios: flujo de carga a frecuencia fundamental, calculo de las corrientes y tensiones armónicas, detección de fenómeno de resonancia, especificación de filtros armónicos y evaluación de la profundidad, duración y área de la muesca Notch de la onda de tensión de línea en el punto común de acoplamiento. Estos estudios permiten analizar los posibles efectos instantáneos y a largo plazo que pueden afectar seriamente la calidad del servicio eléctrico, así como al tiempo de vida de los equipos eléctricos a instalar. De los resultados obtenidos se verifica que en la condición a plena carga, el flujo de potencia activa y reactiva esta dentro de las capacidades de los equipos a instalar y el perfil de tensión es adecuado, el análisis de armónicos permitió localizar los problemas de contaminación e implementar filtros en el sistema como medida correctiva para estar en conformidad con los límites armónicos establecidos en la norma IEEE , adicionalmente, se confirma que la profundidad y área de la muesca de conmutación de voltaje visto en el punto de acoplamiento común, no sobrepasa los límites recomendados indicados en la norma IEEE Finalmente, se recomienda realizar estudios similares en el resto de las Subestaciones que conforman el sistema de alimentación eléctrica de la primera etapa de la línea 1 del Sistema de Transporte Masivo de Maracaibo (STMM). PALABRAS CLAVES: Simulación, distorsión armónica, resonancia, filtro, conmutación.

4 iv ÍNDICE GENERAL 1 CAPITULO I INTRODUCCIÓN CAPITULO II OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS CAPITULO III MÉTODOS Y PROCEDIMIENTOS UTILIZADOS CAPITULO IV ESCENARIOS Y CASOS DE ESTUDIO BASES Y PREMISAS RESULTADOS OBTENIDOS Cálculo del flujo de carga a frecuencia fundamental para las distintas condiciones de carga (25%, 5%, 75% y 1% de la corriente de carga) Calculo de las corrientes y tensiones armónicas en el Sistema Eléctrico Caujarito-Patio/Talleres-Varillal considerando diferentes condiciones de carga (25%, 5%, 75% y 1%) y evaluación de los resultados de acuerdo a los límites establecidos en la Norma IEEE Detección de posible fenómeno de resonancias y determinación de las respuestas de frecuencia del sistema Evaluación de la necesidad de instalación de filtros armónicos y especificación en caso de ser requeridos Evaluación de la profundidad, duración y área de la muesca Notch de la onda de tensión de línea en el punto común de acoplamiento y verificación con los valores limites establecidos en las norma IEEE CAPITULO V...32

5 v 5.1 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 7 ANEXOS Anexo No.1. Diagrama unifilar del sistema de media tensión Anexo No.2. Diagrama unifilar del sistema de corriente alterna Anexo No.3. Diagrama unifilar del sistema de corriente continua Anexo No.4. Pruebas en fábrica de los transformadores de tres devanados de 165kVA 24kV-589V/589V Anexo No.5. Especificaciones del cable de Media Tensión Anexo No.6. Reportes de los resultados de flujo de carga ETAP Anexo No.7. Reportes de los resultados del análisis de armónicos ETAP Anexo No.8. Hoja de cálculo en EXCEL para cálculo del Notch

6 vi ÍNDICE DE TABLAS Tabla No.1. Subestaciones ENELDIS...1 Tabla No.2. Clasificación del sistema de bajo voltaje y límites de distorsión...11 Tabla No.3: Valores de impedancia y niveles de cortocircuito...16 Tabla No.4: Límites de distorsión de voltaje...16 Tabla No.5: Límites de distorsión de corriente para sistemas de distribución general (desde 12 V hasta 69. V)...16 Tabla No.6: Resumen niveles de tensión para las condiciones de carga (IL: A)...17 Tabla No.7: Resumen niveles de armónicos de tensión para las condiciones de carga...18 Tabla No.8: Resumen niveles de armónicos de corriente para las condiciones de carga...19 Tabla No.9. Valores característicos de los Filtros LC...25 Tabla No.1: Resumen niveles de armónicos de tensión incluyendo filtros...25 Tabla No.11: Resumen niveles de armónicos de corriente incluyendo filtros...25 Tabla No.12: Datos característicos de los equipos y bases del sistema...29 Tabla No.13: Datos característicos del sistema...3 Tabla No.14: Resultados vs. Valores límites recomendados...31

7 vii ÍNDICE DE FIGURAS Figura No.1. Diagrama de impedancia...12 Figura No.2. Característica Impedancia vs. Frecuencia Barra S/E CAUJARITO...2 Figura No.3. Característica Impedancia vs. Frecuencia Barra S/E PATIO/TALLERES...21 Figura No.4. Característica Impedancia vs. Frecuencia Barra S/E VARILLAL...21 Figura No.5. Característica Impedancia vs. Frecuencia General...22 Figura No.6. Onda de tensión con y sin filtros Barra S/E Caujarito...26 Figura No.7. Onda de corriente con y sin filtros Cable subterraneo desde S/E Caujarito hasta S/E Patio/Talleres (Cable 1)...27 Figura No.8. Impedancia vs. Frecuencia con y sin filtros - Barra S/E Caujarito...27 Figura No.9. Impedancia vs. Frecuencia con y sin filtros - Barra S/E Patio/Talleres...28 Figura No.1. Impedancia vs. Frecuencia con y sin filtros - Barra S/E Varillal

8 9 CAPITULO I 1.1 INTRODUCCIÓN La primera etapa de la línea 1 del Sistema de Transporte Masivo de Maracaibo (STMM) estará conformado por trenes de tracción eléctrica en 75 V en corriente continua. El sistema de potencia de tracción asociado consiste en cuatro (4) subestaciones de tracción en 24 kv denominadas SET e identificadas como: El Varillal, Sabaneta, Urdaneta y Patio/Talleres. Cada una de estas subestaciones alimenta un sistema de conversión AC/DC (rectificador de 1.5 MW) y un transformador de 5 kva para los servicios auxiliares de baja tensión a excepción de la subestación Patio/Talleres que posee dos transformadores auxiliares de 25 kva cada uno. La alimentación eléctrica de cada subestación se efectuará a través de dos (2) circuitos de distribución subterráneos en 24 kv provenientes de las siguientes subestaciones de ENELDIS, ver Tabla No.1. Tabla No.1. Subestaciones ENELDIS Subestación de distribución Subestación de tracción Longitud del circuito ENELDIS (SET) subterráneo Gallo Verde Sabaneta 215 m Caujarito Patio/Talleres Patio/Talleres - Varillal 93 m 17 m Miranda Urdaneta 2179 m

9 2 En el Anexo No.1 se muestran el diagrama unifilar del sistema de media tensión y en el Anexo No.2 y No.3 se muestran los diagramas unifilares del sistema de corriente alterna y corriente continua respectivamente. En los sistemas de transporte masivos, el consumo de energía asociado con la electrificación del tren ligero es significativa, adicionalmente el tipo de carga que representan las subestaciones de tracción, mayoritariamente carga no lineal y los armónicos de corriente presentes en el lado de corriente alterna de las subestaciones de tracción, originados por el proceso de rectificación, donde la energía AC se convierte a energía DC, pueden generar problemas de distorsión de la onda de voltaje de la empresa distribuidora de energía y afectar el buen funcionamiento de los elementos que conforman el sistema de alimentación eléctrica tanto del lado del consumidor como de la empresa distribuidora de energía ENELDIS.

10 3 1 CAPITULO II 2.1 OBJETIVO GENERAL El objetivo general del trabajo de grado es evaluar la calidad del servicio eléctrico, afectada por la inclusión de la carga asociada al Sistema de Transporte Masivo de Maracaibo (STMM) en la red de distribución eléctrica de media tensión de ENELDIS. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Los objetivos específicos, son los siguientes: Calcular el flujo de carga a frecuencia fundamental para las distintas condiciones de carga. Calcular las corrientes y tensiones armónicas en cada una de las estaciones de tracción considerando diferentes condiciones de carga de los trenes y evaluar los resultados de acuerdo a los límites establecidos en la norma IEEE Detectar posible fenómeno de resonancias y determinar las respuestas de frecuencia del sistema. Establecer la necesidad de instalar filtros armónicos y especificarlos en caso de ser requeridos. Evaluar la profundidad, duración y área de la muesca Notch de la onda de tensión de línea en el punto común de acoplamiento y verificar con los valores limites establecidos en la norma IEEE

11 4 1 CAPITULO III 3.1 MÉTODOS Y PROCEDIMIENTOS UTILIZADOS La simulación digital por computadora es el método más conveniente y quizás una manera más económica de analizar un sistema eléctrico. La razón es que los avances en tecnología a nivel de computadores e informática han permitido la utilización de programas sofisticados que ofrecen un arsenal de modelos para componentes del sistema que pueden ser utilizados en una gran variedad de casos. Para la mayoría de los análisis convencionales, el sistema de energía esencialmente se modela como sistema lineal con los elementos pasivos excitados por fuentes de voltaje sinusoidales de magnitud y frecuencia constantes. Sin embargo, la inclusión de cargas no lineales inyecta una cantidad significativa de armónicas al sistema las cuales además de perturbar las cargas sensibles a la forma de onda, también causan efectos indeseables sobre los elementos que conforman el sistema de potencia. En ambientes contaminados de armónicos, es importante determinar estos niveles, en función de la frecuencia fundamental. La meta en el estudio de armónicos es cuantificar la distorsión del voltaje y las formas de onda en varios puntos del sistema de suministro eléctrico a diseñar. Los resultados son útiles para evaluar medidas correctivas y localizar posibles problemas que puedan causar los armónicos. El estudio de armónicos en conjunto con la respuesta de frecuencia del sistema permite determinar la posible existencia de condiciones de resonancia peligrosas y verificar la conformidad con los límites armónicos establecidos. El efecto de fuentes de armónicas sobre un sistema de potencia dependerá principalmente de las características de respuesta en frecuencia del sistema. Los dispositivos no lineales pueden ser representados generalmente como fuentes de corrientes armónicas. Por consiguiente, la

12 5 distorsión armónica de voltaje en los sistemas de potencia dependerá de las características de impedancia vs. frecuencia tal como son vistas por estás fuentes de corriente [1]. Las características de respuesta en frecuencia del sistema son afectadas por los siguientes factores: Capacidad de cortocircuito del sistema. Cables aislados y bancos de condensadores. Características de la carga. Condiciones de los sistemas (balanceados / desbalanceados). Condiciones de resonancia. Los armónicos, por definición, ocurren en cada ciclo de la corriente fundamental por lo que son analizados en régimen permanente. Sin embargo, existen ciertas excepciones en donde los armónicos pueden variar de ciclo a ciclo. Bajo condiciones periódicas en estado permanente, las formas de onda de voltaje y corriente distorsionada se pueden expresar en la forma de una serie de Fourier. La serie de Fourier para una función periódica f (t) con la frecuencia fundamental ω se puede presentar de la siguiente manera: n= 1 f ( t) = C + C cos( nwt + θ ) o n n Los coeficientes C n y los ángulos de fase para los n armónicos se obtienen mediante: C = A 2 n 2 n 2 n C = A + B θ = tan 1 ( B / A ) n n n Usando relaciones ortogonales, se definen los coeficientes de Fourier de la siguiente manera:

13 6 2 2 T A = f ( t) dt h = T T T A f ( t) cos( nω t) dt Bn = T f ( t) sen( nω t T T T T 2 ) dt donde n = 1, 2,.... Vemos que la expresión de la serie de Fourier de una función periódica se representa como la suma de componentes sinusoidales con diversas frecuencias. El componente nw es denominado como el armónico enésimo de la función periódica. El componente C es la magnitud del componente DC. El componente con n=1 es la componente a frecuencia fundamental. El C n y el θ n se conocen como la magnitud y el ángulo de fase del armónico de orden enésimo, respectivamente. La magnitud y ángulo de fase de cada armónico determina la forma de onda de la función f (t). Así mismo, en el análisis de armónicos existen varios índices importantes entre los cuales podemos mencionar el de Distorsión Armónica Total (siglas en ingles THD) y el de Distorsión Armónica Total de Demanda (siglas en ingles TDD). El índice THD, es usado para medir la distorsión de una onda periódica de tensión o de corriente, con respecto a una onda sinusoidal de frecuencia fundamental. Este índice se obtiene de la relación entre la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados del valor rms de cada armónico y el valor rms de la fundamental y se expresa en porcentaje. THD I = h= 2 I 1 I 2 h THD V = h= 2 V V 1 2 h Donde, THD I / THD V : Distorsión armónica total de corriente / tensión. I h / V h : Valor individual de cada componente. I 1 / V 1 : Valor fundamental (6 Hz). h: Número del armónico.

14 7 El índice TDD es usado para medir la distorsión de una onda periódica de corriente, con respecto a la demanda máxima (15-3 minutos de demanda). Este índice se obtiene de la relación entre la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados del valor rms de cada armónico y el valor rms de la demanda máxima de la fundamental y se expresa en porcentaje. TDD = h= 2 I L I 2 h Donde: TDD: Distorsión Armónica Total de Demanda I h : Valor individual de cada componente. I L : Valor fundamental (6 Hz) del valor máximo de demanda del período de medición. h: Número del armónico. Otro factor que es importante cuantificar es el factor de potencia ( pf ) el cual cuantifica cómo una carga utiliza eficientemente la corriente que es tomada del sistema de potencia AC. En los circuitos que tienen solamente corrientes y voltajes sinusoidales, el efecto del factor de potencia se presenta solamente como la diferencia en fase entre la corriente y el voltaje. El concepto se puede generalizar a una distorsión total, o a un verdadero factor de potencia donde la potencia aparente incluye todos los componentes armónicos. Es importante indicar que las definiciones de potencia, tienen formulaciones aceptadas universalmente en régimen sinusoidal con carga lineal, sin embargo, en redes distorsionadas existen profundas divergencias entre distintos autores y éste sigue siendo un tema en discusión. Sin importar la situación sinusoidal o no sinusoidal, se define el factor de potencia como: P pf = S

15 8 donde, 1 P = T T p( t) dt = = n 1 V n I n cos( θ vn θ ) tn S = V 2 I 2 n n n= 1 Así mismo, cuando el voltaje y la corriente contienen armónicos el valor rms se puede representar de la siguiente forma: V = V + rms THD V ( ) 1 I = I + rms THD I ( ) 1 Sustituyendo: pf tot = V THD V 2 I 2 1 I1 1 + ( ) 1 + ( ) 1 P THD 1 En la mayoría de los casos, la contribución de los armónicos a la potencia promedio es muy baja, así como también la Distorsión Armónica Total de Tensión (THD V ) es menor del 1%, por lo que podemos aproximar el factor de potencia a la siguiente expresión: pf tot P1 1 = cos( θ 1 δ1) pf V1I 1 THDI 2 1+ ( ) 1 dist donde el primer término termino pf dist cos( θ ) 1 δ 1 es conocido como factor de desplazamiento y el segundo se define como el factor de potencia de distorsión. Entre los principales fenómenos generados por los armónicos esta los fenómenos de resonancia, que se deben a la presencia de elementos capacitivos e inductivos en la red de alimentación eléctrica (impedancias de línea y de fuente, capacidad de elevación del factor de potencia), que generan amplitudes grandes en determinados órdenes de armónicos. Cuando las

16 9 corrientes armónicas tienen una frecuencia que se corresponde con la frecuencia de resonancia de los circuitos LC existentes en el sistema eléctrico, puede producirse un aumento de la tensión armónica y esto es debido a la alta impedancia para el armónico de ese orden. La tensión armónica ve entonces aumentado su valor según la Ley de Ohm, afectando por tanto la tensión de la red de alimentación eléctrica. Ampliando lo anterior, sabemos que la impedancia de una inductancia L es directamente proporcional a la frecuencia: Z L = Lω = L( 2πf ) y que la impedancia de un condensador C es inversamente proporcional a la frecuencia: Z C 1 1 = = C ω C(2 π f ) Además, en un circuito que integre fundamentalmente elementos inductivos y capacitivos, sabiendo que la impedancia de una inductancia aumenta con la frecuencia y que la de una capacidad disminuye, existirá una determinada frecuencia (f r ) para la que el valor absoluto de estas dos frecuencias será igual: f r = 1 2π LC Este fenómeno de resonancia, expresado mediante la relación LC ω 2 = 1, implica que las impedancias capacitivas e inductivas comportan efectos que, combinados, dan lugar a valores extremos. Estos valores, según la naturaleza del esquema (resonancia paralelo o resonancia serie), pueden ser muy fuertes o muy débiles, con las repercusiones correspondientes sobre las corrientes y tensiones. Las sobreintensidades y las sobretensiones resultantes pueden ocasionar graves daños en la instalación, por ejemplo, la destrucción de los condensadores. Además, cuando hay presentes condensadores de elevación del factor de potencia, puede producirse este fenómeno, por lo que es necesario analizar el riesgo potencial que representa la resonancia.

17 1 El fenómeno de resonancia tiene lugar cuando uno o más elementos inductivos están conectados en paralelo con un condensador, pero también en el caso de una conexión serie entre el condensador y la inductancia constituida por la línea y la fuente. Son conocidos los problemas causados por un bajo factor de potencia en sistemas eléctricos, como son la regulación de voltajes, funcionamiento inadecuado de máquinas y aumento de pérdidas, lo que en definitiva se traduce en una reducción de la capacidad y eficiencia eléctrica del sistema. La solución ampliamente utilizada ha sido la instalación de bancos de condensadores para la compensación de potencia reactiva. Desafortunadamente estos bancos interactúan con el sistema eléctrico formando circuitos R-L-C que producen resonancias, siendo las frecuencias naturales del sistema una función de los componentes inductivas y capacitivas de la red. Por otro lado, la presencia de cargas no lineales originan corrientes armónicas, por lo que las frecuencias naturales del sistema pueden ser excitadas por alguna componente armónica cuya frecuencia está cerca o coincida con este modo natural, produciéndose una severa amplificación de voltajes y corrientes. Por lo tanto es deseable considerar la instalación de filtros, los que deben ser capaces de aportar la potencia reactiva necesaria a la red y además absorber las corrientes armónicas, evitando su propagación hacia el resto de las instalaciones. Esta solución requiere de un cuidadoso diseño ya que los elementos del filtro deben ser adecuadamente dimensionados y su interacción con la red debe ser analizada. Otro fenómeno importante es el fenómeno de conmutación, perturbaciones de la tensión que duran menos de 1/2 ciclo. Estas muescas son producidas principalmente por dispositivos electrónicos de potencia, cuando la corriente es conmutada de una fase a otra. Debido a la acción de conmutación de los rectificadores controlados, se produce una muesca en la forma de onda de la tensión, llamada Notch. Cuando la corriente es conmutada de una fase a otra, hay un cortocircuito momentáneo entre fase y fase a través de los dispositivos de conmutación del rectificador (por Ej. SCRs). Para un convertidor de seis pulsos esto sucede seis veces por cada ciclo. Esta muesca ("Notch") está definida por su duración y profundidad, la duración (período de conmutación) es determinada por la inductancia de la fuente, el controlador y la

18 11 magnitud de la corriente. La profundidad de la muesca es reducida con inductancias entre el punto de observación y el controlador (Ej. Transformadores de aislamiento o bobinas de choque). La profundidad del "Notch", la distorsión armónica total (THD v ) y el área de la muesca de la onda de tensión de línea en el PCC, puede ser limitado según los valores mostrados en la siguiente Tabla No.2, valores correspondientes a la Tabla No.1.2 de la Norma IEEE Tabla No.2. Clasificación del sistema de bajo voltaje y límites de distorsión Aplicaciones Especiales (1) Sistema en General Sistema Dedicado (2) Profundidad de la Muesca 1% 2% 5% THD (Voltaje) 3% 5% 1% Área de la Muesca (A N ) (3) NOTAS: El valor A N para otros sistemas mayores a 48 V puede ser multiplicado por V/48 (1) Las aplicaciones especiales incluyen hospitales y aeropuertos. (2) Un sistema dedicado es exclusivamente dedicado a la carga del convertidor. (3) En voltios-microsegundos a la relación voltaje y corriente. Estos límites son recomendados para sistemas de bajo voltaje en los cuales el área de la muesca es fácilmente medida por un osciloscopio. El área de la muesca depende de los voltios-segundos absorbidos en los circuitos desde la fuente hasta el punto del circuito considerado de interés. El área de la muesca es una indicación del efecto que el convertidor de potencia estática tendrá sobre otras cargas. El área de la muesca se calcula como sigue: (Ver Figura No.1)

19 12 Figura No.1. Diagrama de impedancia X s X L Carga R L X t V N = L L LL e + L + L T S t N = 2 ( L L + L T e + L ) I S d A N = V N t N Donde: V N = Profundidad de la muesca, en voltios (línea a línea), de la muesca más profunda del grupo. t N = Ancho de la muesca, en microsegundos. I d = Convertidor de corriente DC. e = Voltaje instantáneo (línea a línea) justamente anterior a la muesca de las líneas a ser conmutadas. L = Inductancia, en Henrios, por fase. A N = Área de la muesca, en volt-microsegundos también, e = 2 E Combinando las ecuaciones anteriores, A = 2 I L d L L N

20 13 11 CAPITULO IV 4.1 ESCENARIOS Y CASOS DE ESTUDIO En función de la topología propuesta para la alimentación de las subestaciones de tracción, se considera para este análisis, el caso más completo y representativo, que es el sistema eléctrico formado por las Subestaciones Caujarito, Patio/Talleres y Varillal. El sistema eléctrico bajo análisis esta formado por la Subestación Eléctrica de Media Tensión Caujarito, perteneciente a la empresa suministradora ENELDIS, desde donde se tiene planificado alimentar la carga asociada de las Subestaciones de Tracción (SET) Patio/Talleres y Varillal, a través de dos circuitos de salida subterráneos en MT (24 kv), con una longitud aproximada de 93 mts hasta SET Patio/Talleres, mas 17 mts hasta SET Varillal. En ambas Subestaciones de Tracción la carga principal son los transforectificadores de 12 pulsos de 1.5 MW cada uno, que alimentaran al sistema de trenes en corriente continua (75 VDC). El transforectificador de doce pulsos está compuesto por dos grupos de rectificadores trifásicos de onda completa, conectados cada uno al secundario y al terciario del transformador delta/ delta/estrella. El rectificador de onda completa genera armónicos del orden: 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, etc., quedando eliminados a este nivel los armónicos pares, así como también los impares múltiplos de tres. Los devanados del secundario y terciario presentan a propósito grupos de conexión respecto al primario que desfasan las ondas fundamentales en 3º para un caso y en º para el otro. En un sistema ideal, este detalle permite eliminar aquellos armónicos como el 5, 7, 17, 19, etc., cuyos fasores son rotados por el transformador delta/estrella en un múltiplo de 3º, de manera tal que se ubican en la condición de oposición de fase entre cantidades referentes a cada lado del transformador. Dicho de otra forma, el quinto armónico por ejemplo sufre una rotación de fase igual a 5*3º=15º al reflejarse en el primario en la conexión delta/estrella, esto lo ubica opuesto al fasor original en el secundario. El transformador delta/delta por otra parte, no produce modificación alguna de fase al reflejar cantidades entre terciario y primario, de manera que en la barra del primario se deberán sumar fasores iguales en magnitud pero con 15º de

21 14 diferencia de fase, anulándose de manera completa. Esta característica sin embargo puede amplificar a otros armónicos tales como el 11, 13, 23, 25, etc., los cuales rotan debido a las conexiones de los transformadores de una manera que tienden a sumarse. Quedando en definitiva un patrón de generación de armónicos dado por la siguiente expresión: Kn±1, siendo n el número de pulsos (12) y K un entero mayor que cero. De esta manera los armónicos a ser generados son 11 y 13 (para K = 1), 23 y 25 (Para K = 2), 35 y 37 (Para K = 3) y así sucesivamente. De acuerdo a lo anterior tenemos como escenario el sistema eléctrico conformado por la S/E Caujarito, alimentando las Subestaciones de Tracción Patio/Talleres y esta a su vez alimentando la Subestación de Tracción Varillal, evaluado en diferentes niveles de la carga nominal (25%, 5%, 75% y 1%). Según los objetivos específicos planteados en este trabajo final de grado, se tienen los siguientes estudios: Calculo del flujo de carga a frecuencia fundamental para las distintas condiciones de carga. Calculo de las corrientes y tensiones armónicas en cada una de las estaciones de tracción considerando diferentes condiciones de carga de los trenes y evaluación de los resultados de acuerdo a los límites establecidos según la norma IEEE Detección de posible fenómeno de resonancias y determinación de las respuestas de frecuencia del sistema, para las distintas condiciones de carga. Especificación de filtros armónicos en caso de ser requeridos. Evaluar la profundidad, duración y área de la muesca Notch de la onda de tensión de línea en el punto común de acoplamiento y verificar con los valores limites establecidos según la norma IEEE

22 BASES Y PREMISAS A continuación se indican las bases y premisas consideradas para la elaboración de los estudios: - La topología del sistema eléctrico a evaluar es la propuesta por las empresas ENELDIS y SIEMENS, para el caso del sistema de alimentación y subestación de tracción, respectivamente (Ver Anexos No.1, No.2 y No.3). Igualmente, los parámetros eléctricos para la conformación de los modelos utilizados en el análisis fueron calculados en base a los resultados de pruebas en fabrica y datos de los equipos suministrados por la empresa SIEMENS, para el caso de los rectificadores de 12 pulsos y transformadores de tres devanados de 165 kva 24kV-589V/589V y por la empresa ENELDIS para el cable de media tensión en 25 kv (Ver Anexo No.4 y No.5). - Para realizar las simulaciones de los diferentes estudios, tales como: calculo del flujo de potencia activa y reactiva, calculo de niveles de tensión y niveles de distorsión armónica en cada uno de los equipos y barras que constituyen el Sistema Eléctrico Caujarito-Patio/Talleres-Varillal, se utilizó el programa computacional ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) de PowerStation. Adicionalmente se utilizó el programa computacional ATP para determinar los siguientes datos de entrada usados en las simulaciones: los parámetros de los cables subterráneos de los alimentadores principales en 24 kv y los niveles de armónicos generados por los rectificadores a diferentes porcentajes de carga (25%, 5%, 75% y 1%) [8]. - El punto de acoplamiento común (PCC, siglas en inglés) corresponde a las barras de la S/E Caujarito y sus valores de impedancia y nivel de cortocircuito, suministrados por la empresa suministradora, se indican en la Tabla No.3:

23 16 Tabla No.3: Valores de impedancia y niveles de cortocircuito Barra kv Ro (Ω) Xo (Ω) Zo (Ω) R (Ω) X (Ω) Z (Ω) S/E Caujarito Nivel de cortocircuito trifásico en barra 24 kv: Nivel de cortocircuito monofásico: MVA (6.9 ka) MVA (8.4 ka) - En relación a los limites de los niveles de armónicos de tensión y de corriente, se asumen los valores recomendados en la Norma IEEE (Tabla 11.1 y Tabla 1.3), que se indican en la Tabla No.4 y Tabla No.5: Tabla No.4: Límites de distorsión de voltaje Voltaje de Barra en el PCC Distorsión de Voltaje Distorsión de Voltaje Individual (%) Total THD (%) 69 kv y por debajo V a 161 kv V y por encima NOTA: Los sistemas de alto voltaje pueden estar por encima del 2% de THD cuando la causa es un terminal HVDC que se atenuará por el tiempo que se derive para un usuario. Tabla No.5: Límites de distorsión de corriente para sistemas de distribución general (desde 12 V hasta 69. V) Máxima distorsión de corriente armónica En porcentaje de I L Orden armónico individual (armónicos impares) I sc / I L h < h<17 17 h<23 23 h<35 35 h TDD <2 * 2<5 5<1 1<1 > Incluso los armónicos son limitados al 25% de los límites armónicos impares anteriores. Las distorsiones de corriente que resulten en una compensación DC, por ejemplo: convertidores de media onda, no son permitidas. * Todo equipo de generación de potencia está limitado a estos valores de distorsión de corriente, sin tener en cuenta la relación I sc /I L real. Donde I sc = máxima corriente de cortocircuito en el PCC. I L = máxima corriente de carga demandada (componente de frecuencia fundamental) en el PCC.

24 17 Estos límites listados en la Tabla No.5, tal como lo indica la Norma IEEE son aplicados a rectificadores de seis pulsos y a situaciones de distorsión general. Sin embargo, en nuestro caso, para convertidores de 12 pulsos, los límites para los órdenes armónicos característicos son incrementados por un factor igual a: Factor = q 6 = 12 6 = Así mismo, las amplitudes indicadas de las armónicas de orden no característico son disminuidas al 25% de las indicadas en la tabla. En nuestro caso particular el nivel de carga máximo en el PCC es de 4.85 MVA, lo que corresponde a una corriente de A en 24 kv, en consecuencia la relación: I I SC L 835 = = (5<1) A continuación se indican y analizan los resultados obtenidos para cada estudio: 4.3 RESULTADOS OBTENIDOS Cálculo del flujo de carga a frecuencia fundamental para las distintas condiciones de carga (25%, 5%, 75% y 1% de la corriente de carga). En la Tabla No.6 se indica un resumen de los resultados obtenidos del estudio de flujo de carga para cada una de las condiciones de carga, los reportes de resultados completos arrojados por el programa ETAP pueden ser consultados en el Anexo No.6. Tabla No.6: Resumen niveles de tensión para las condiciones de carga (I L : A) Barra Tensión I L (@ 25%) I L (@ 5%) I L (@ 75%) I L (@ 1%) nom. %V %FP %V %FP %V %FP %V %FP (Vn) B_CAUJ PATIO&TALLERES VARILLAL

25 18 En la condición a plena carga, el sistema constituye una carga de MVA con un factor de potencia de 9.7%, en la barra principal en 24 kv (S/E Caujarito). La Barra de la S/E Patio/Talleres alimenta una carga aproximada de % y la barra de la S/E Varillal alimenta una carga total de %. El perfil de tensión del sistema oscila alrededor del 1% a nivel de 24 kv, 95% a nivel de.58 kv (tensión de alimentación de los rectificadores) y 99% a nivel de.48 kv y.28 kv para un arreglo de tap de -2.5% y -5%, respectivamente. El factor de potencia obtenido en las barras de 24 kv del sistema, oscila alrededor de 91%, alrededor de 94% a nivel de.58 kv y alrededor del 8% a nivel de.48 kv y.28 kv Cálculo de las corrientes y tensiones armónicas en el Sistema Eléctrico Caujarito-Patio/Talleres-Varillal considerando diferentes condiciones de carga (25%, 5%, 75% y 1%) y evaluación de los resultados de acuerdo a los límites establecidos en la Norma IEEE En la Tabla No.7 y Tabla No.8 se resumen los resultados obtenidos del análisis de armónicos para cada una de las condiciones de carga, los reportes completos arrojados por el programa ETAP pueden ser consultados en el Anexo No.7. Tabla No.7: Resumen niveles de armónicos de tensión para las condiciones de carga ESCENARIO CAUJARITO CASOS 25% 5% 75% 1% SS/EE (BARRAS) % ARMONICOS DE TENSION (RESPECTO A LA NOMINAL) S/E ENELDIS SET PATIO&TALLERES SET VARILLAL S/E ENELDIS SET PATIO&TALLERES SET VARILLAL S/E ENELDIS SET PATIO&TALLERES SET VARILLAL S/E ENELDIS SET PATIO&TALLERES SET VARILLAL THD V (%) % LIMITE - IEEE (Tabla 11.1)

26 19 Tabla No.8: Resumen niveles de armónicos de corriente para las condiciones de carga ESCENARIO CAUJARITO CABLE DE ACOMETIDA (24kV) % ARMONICOS DE CORRIENTE (RESPECTO A LA CORRIENTE DE CARGA) CASOS Ifund % Cable 1: 3-1/C 35MCM (93mts) % Cable 4: 3-1/C 35MCM (17mts) % Cable 1: 3-1/C 35MCM (93mts) % Cable 4: 3-1/C 35MCM (17mts) % Cable 1: 3-1/C 35MCM (93mts) % Cable 4: 3-1/C 35MCM (17mts) % Cable 1: 3-1/C 35MCM (93mts) % Cable 4: 3-1/C 35MCM (17mts) THD i (%) % LIMITE - IEEE (Tabla 1.3): Isc/I L (5<1) Factor= De acuerdo a los resultados obtenidos para cada condición de carga en el sistema, las simulaciones realizadas con el programa ETAP para el cálculo de los niveles de armónicos, se puede observar en el resumen de la Tabla No.7 que ninguno de los factores de distorsión de voltaje individual (%IHD V ) y total (%THD V ) superan su límite establecido según la Norma IEEE Sin embargo, para el caso de los factores de distorsión de corriente individual (%IHD I ) y total (%THD I ), se puede observar en el resumen de la Tabla No.8 que los valores resaltados (en color rojo) superan los limites establecidos según la Norma IEEE Detección de posible fenómeno de resonancias y determinación de las respuestas de frecuencia del sistema. La contaminación armónica observada en el estudio anterior es más o menos importante dependiendo de la potencia de la carga contaminante (rectificadores) y de las características de la red en el punto considerado de la instalación eléctrica. Tal como se ha indicado, esta contaminación deberá estar limitada a los valores establecidos por la norma. Como se ha mencionado anteriormente, las condiciones de resonancia del sistema son los factores más importantes que afectan los niveles de armónicos del sistema. La resonancia paralela es una impedancia alta para el flujo de corriente armónica, mientras que la resonancia serie es una impedancia baja para el flujo de corriente armónica. Cuando las condiciones de resonancia no son un problema, el sistema tiene la capacidad de absorber cantidades significativas de corrientes armónicas. Esto es solo cuando estas corrientes ven altas impedancias debido a la resonancia paralelo que ocurren significativas distorsiones de voltaje

27 2 y ampliaciones de corriente. Por consiguiente, es importante poder analizar las características de respuesta en frecuencia del sistema y evitar problemas de resonancia del sistema. Se utiliza el programa ETAP para el cálculo de las frecuencias de resonancia y las características de respuesta en frecuencia del sistema desde cada punto en evaluación. Las siguientes figuras muestran la variación de la impedancia del sistema desde cada punto de evaluación. Figura No.2. Característica Impedancia vs. Frecuencia Barra S/E CAUJARITO Impedancia armonica Z (ohm) Frecuencia (Hz) ENELDIS

28 21 Figura No.3. Característica Impedancia vs. Frecuencia Barra S/E PATIO/TALLERES Impedancia armonica Z (ohm) Frecuencia (Hz) PATIO Figura No.4. Característica Impedancia vs. Frecuencia Barra S/E VARILLAL Impedancia armonica Z (ohm) Frecuencia (Hz) VARILLAL

29 22 Figura No.5. Característica Impedancia vs. Frecuencia General Impedancia armonica Z (ohm) Frecuencia (Hz) ENELDIS PATIO VARILLAL Tal como se puede observar en las figuras anteriores, los valores de impedancia armónica tienden a un valor máximo de impedancia a la frecuencia de 162 Hz que corresponde al armónico 27. Los valores de corriente cercanas a las frecuencia armónica de orden 25 dan lugar a sobretensiones armónicas que contribuyen a la distorsión de la onda de tensión sinusoidal (aumento del factor de distorsión armónica de tensión, ver Tabla No.7) y pueden perjudicar al funcionamiento de los equipos conectados al sistema eléctrico Evaluación de la necesidad de instalación de filtros armónicos y especificación en caso de ser requeridos. Tal como se puede observar en la Tabla No.8, los factores de distorsión de corriente individual (%IHD I ) y total (%THD I ) resaltados, en color rojo, superan los límites establecidos según la Norma IEEE Con el fin de reducir estos factores de distorsión armónica en la red, se propone la utilización de filtros pasivos sintonizados para filtrar los armónicos de orden 11, 13, 23 y 25. La utilización de un filtro pasivo asocia un condensador y una inductancia en serie, con la finalidad de obtener la frecuencia de resonancia en un armónico dado. Este filtro una vez ajustado en el armónico que se va a eliminar, presenta una impedancia muy baja lo que

30 23 favorece el paso de la corriente armónica que debe ser eliminada. Esta corriente armónica se dirige hacia el filtro, en lugar de hacia el resto de la red. Los valores de la inductancia L y de la capacidad C del filtro se calculan para la frecuencia de resonancia correspondiente a la frecuencia del armónico que debe ser eliminado. Para nuestro caso en particular, se desea filtrar una señal distorsionada por varias corrientes armónicas, por lo tanto es necesario prever un conjunto de filtros donde cada uno de ellos actué sobre el armónico que haya que eliminar. Esta asociación de varios filtros pasivos, conectados entre fases, presenta una impedancia mínima (en resonancia, la impedancia Z es igual al valor de la resistencia r del filtro) para cada orden de armónico que debe ser filtrado. Además, las tensiones armónicas resultantes quedan limitadas, cada una de ellas, al producto de la resistencia r por la corriente armónica del orden considerado. Por otro lado, este tipo de filtro (resonante) lleva a cabo la compensación de la energía reactiva en la frecuencia fundamental. Un filtro en derivación eficaz debe poseer un alto factor de calidad Q, el cual se expresa mediante la relación siguiente: Z Q = siendo r<<x, es decir, r este factor de calidad es de 75. Q = X r, puesto que Z = r X. El orden de magnitud de La implementación de un filtro pasivo requiere un estudio preciso de la instalación en cuestión para poder incorporar esta modificación estructural. Efectivamente, la incorporación de un filtro pasivo puede presentar riesgos de resonancia con otros elementos inductivos de la instalación. Es importante asegurarse de que las antiresonancias no se encuentran en los armónicos presentes en la red. Las ventajas del filtro pasivo se obtienen en la práctica optimizando su ajuste. En efecto, el estudio teórico lleva a imperfecciones que se traducen en la práctica en una desintonizacion del filtro. Para nuestro caso de estudio, se ha empleado el principio del filtro resonante en derivación para reducir la contaminación armónica. Estos filtros están formados por una rama LC serie, cuya frecuencia de sintonización viene dada por la siguiente ecuación:

31 24 f r 1 = 2π LC Esta frecuencia de sintonización debe encontrarse en la frecuencia del armónico que se ha eliminar, por ejemplo, 66 Hz (armónico de orden 11). El circuito resonante en derivación presenta entonces para la frecuencia f r una impedancia mínima igual a la resistencia r. Se deriva casi toda la corriente armónica inyectada por la fuente contaminante (rectificadores) de frecuencia f r. Este principio aplica para el resto de los armónicos que se deseen eliminar. La impedancia característica del filtro se expresa del siguiente modo: Z c = L C y el factor de calidad: Z Q = r c donde r es el valor de la resistencia de la inductancia. Suponiendo que un filtro eficaz debe tener un alto factor de calidad, superior a 75, para las inductancias de hierro. La banda de paso es entonces: f r = 2πL Para tratar los armónicos de orden 11, 13, 23 y 25, los filtros deben tener frecuencias de resonancia de 66 Hz, 78 Hz, 138 Hz y 15 Hz, respectivamente, teniendo cada uno de ellos un factor de calidad superior a 75. Con ayuda del programa ETAP, se calculan los valores característicos de la rama LC de los filtros requeridos, obteniéndose los resultados indicados en la Tabla No.9:

32 25 Tabla No.9. Valores característicos de los Filtros LC Orden Frec C (kvar) XL (ohm) La implementación de los filtros resonantes en derivación limita la producción de los armónicos en corriente identificados como responsables de la contaminación armónica en el sistema. En la Tabla No.1 y Tabla No.11, se resumen los resultados obtenidos del análisis de armónicos para cada una de las condiciones de carga, incluyendo la implementación de los filtros sintonizados. Tabla No.1: Resumen niveles de armónicos de tensión incluyendo filtros ESCENARIO CAUJARITO CASOS 25% 5% 75% 1% % ARMONICOS DE TENSION SS/EE (RESPECTO A LA NOMINAL) THD V (BARRAS) (%) S/E ENELDIS SET PATIO&TALLERES SET VARILLAL S/E ENELDIS SET PATIO&TALLERES SET VARILLAL S/E ENELDIS SET PATIO&TALLERES SET VARILLAL S/E ENELDIS SET PATIO&TALLERES SET VARILLAL % LIMITE - IEEE (Tabla 11.1) Tabla No.11: Resumen niveles de armónicos de corriente incluyendo filtros ESCENARIO CAUJARITO % ARMONICOS DE CORRIENTE CASOS CABLE DE ACOMETIDA (RESPECTO A LA CORRIENTE DE CARGA) THD i (24kV) (%) Ifund % Cable 1: 3-1/C 35MCM (93mts) % Cable 4: 3-1/C 35MCM (17mts) % Cable 1: 3-1/C 35MCM (93mts) % Cable 4: 3-1/C 35MCM (17mts) % Cable 1: 3-1/C 35MCM (93mts) % Cable 4: 3-1/C 35MCM (17mts) % Cable 1: 3-1/C 35MCM (93mts) % Cable 4: 3-1/C 35MCM (17mts) % LIMITE - IEEE (Tabla 1.3): Isc/I L (5<1) Factor=

33 26 En este caso con la implementación de los filtros resonantes en derivación, se puede observar que ninguno de los factores de distorsión de voltaje individual y total y de corriente individual y total supera su límite establecido según la Norma IEEE La implementación de los filtros sintonizados ha permitido reducir los armónicos de corriente de orden 11, 13, 23 y 25, lo que da lugar a una reducción del nivel global de distorsión armónica en el sistema para cada uno de los niveles de carga evaluados. Como un ejemplo y a manera de comparación se muestran en las figuras siguientes, las ondas de tensión y corriente, con y sin filtros para el caso del nivel de carga de 1% desde la barra de la S/E Caujarito y Cable 1. Figura No.6. Onda de tensión con y sin filtros Barra S/E Caujarito Tension S/E Caujarito (24 kv) V (%) Tiempo (ciclo) VCAUJ_1 VCAUJ+F_1

34 27 Figura No.7. Onda de corriente con y sin filtros Cable subterráneo desde S/E Caujarito hasta S/E Patio/Talleres (Cable 1) Corriente Cable 1 (18.34 A) I (%) Tiempo (ciclo) ICAUJ_1 ICAUJ+F_1 Las siguientes figuras muestran la variación de la impedancia del sistema desde cada punto de evaluación, con y sin filtros. Figura No.8. Impedancia vs. Frecuencia con y sin filtros - Barra S/E Caujarito Impedancia armonica Z (ohm) ENELDIS Frecuencia (Hz) ENELDIS+F_

35 28 Figura No.9. Impedancia vs. Frecuencia con y sin filtros - Barra S/E Patio/Talleres Impedancia armonica Z (ohm) Frecuencia (Hz) PATIO PATIO+F_ Figura No.1. Impedancia vs. Frecuencia con y sin filtros - Barra S/E Varillal Impedancia armonica Z (ohm) VARILLAL Frecuencia (Hz) VARILLAL+F_ Tal como se puede observar en las figuras anteriores, las curvas de impedancia armónica característica que incluye los filtros presentan valores mínimos de impedancia obtenidos para las frecuencias de 66 Hz (2.51 ohm), 78 Hz (2.93 ohm), 138 Hz (5.1 ohm) y 15 Hz (5.53 ohm), estas impedancias de resonancia garantizan la reducción de los armónicos de orden 11,

36 29 13, 23 y 25. También pueden observarse en las figuras, las frecuencias de antiresonancia a 54 Hz, 72 Hz, 12 Hz, 144 Hz y 312 Hz, estas frecuencias no son perjudiciales para la instalación, ya que no están situadas sobre algún armónico característico Evaluación de la profundidad, duración y área de la muesca Notch de la onda de tensión de línea en el punto común de acoplamiento y verificación con los valores limites establecidos en las norma IEEE El cálculo de la profundidad, duración y área de la muesca es realizado utilizando las formulas recomendadas en la Norma IEEE , basados en el circuito equivalente de nuestro sistema a evaluar y con sus características asociadas. Los datos característicos de los equipos del sistema y sus valores base se indican en la Tabla No.12 y Tabla No.13. Tabla No.12: Datos característicos de los equipos y bases del sistema BASES DEL SISTEMA Potencia base (S base ) = 1. MVA Tensión base (V base-p ) = 24. kv Tensión base secundario (V base-s ) =.589 kv Impedancia base primario (Z base1 ) = 5.8 Ω Impedancia base secundario (Z base2 ) = mω TRANSFORMADOR DEL CONVERTIDOR EQUIVALENTE Pot. transformador (S n ) = 1.65 MVA =.17 pu Tensión primario (V 1 ) = 24. kv = 1. pu Tensión secundario (V 2 ) =.589 kv = 1. pu Relación de transf. (R tr ) = pu Corriente nom. del prim. (I n1 ) = A =.17 pu Corriente nom. del sec. (I n2 ) = A =.17 pu Impedancia nom. prim. (Z n1 ) = Ω = 6.61 pu Impedancia nom. sec. (Z n2 ) =.21 Ω =.6 pu Impedancia de CC (Z cc ) = 8.5% % = pu CONVERTIDOR EQUIVALENTE Pot. Ap. del convertidor (S conv ) =.825 MVA =.8 pu FP nom : cos(φ) = cos(α) =.94 Efic. nominal (η) = 96.% % =.96 pu Ángulo α nominal: Arccos(φ) = 19.9 o =.348 rad Pot. convertidor: P n =S n *Cos(φ) =.776 MW =.8 pu Potencia en CC: P dc-n =P n *η =.744 MW =.7 pu V nom-dc : V dc =1.35*V línea *Cos(α) = V = pu Corriente nom. DC (I dc ) = 996. A =.1 pu V inst. : e = Raíz(2)*V línea *Sen(α) = V =.482 pu