ANÁLISIS DE LOS SAGS DE VOLTAJE EN REDES DE MEDIA TENSIÓN
AUTOR
Paul Hans Kobold 199821263
Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al Título de
Ingeniero Eléctrico.
ASESOR
Maria Teresa Rueda de Torres
CO-ASESOR
Gustavo Andrés Ramos López
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELÉCTRICA / ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2004
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TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN................................................................................................................................4
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................6
1. MARCO TEÓRICO............................................................................................................8
1.1. CALIDAD DE LA POTENCIA .....................................................................................8
1.2. FENÓMENOS DE VOLTAJE......................................................................................8
1.2.1. TIPOS DE FENÓMENOS DE VOLTAJE.............................................................9
1.2.2. CAUSAS DE FENÓMENOS DE VOLTAJE.........................................................9
1.2.3. DETECCIÓN...................................................................................................10
1.2.4. EFECTOS DE LOS FENÓMENOS DE VOLTAJE..............................................11
1.3. CURVAS DE ACEPTABILIDAD................................................................................12
1.4. NORMAS................................................................................................................14
1.4.1. CREG-042......................................................................................................14
1.4.1.1. PERCEPTIBILIDAD DE CORTO PLAZO (PST)....................................17
1.4.2. IEC-61000-4-153.............................................................................................17
1.4.2.1. INDICADOR DEL NIVEL INSTANTÁNEO DE PARPADEO (IFL)..........18
2. EFECTO DE EQUIPOS DE TRANSFORMACIÓN.............................................................20
3. EFECTOS DEL FENÓMENO SAG SOBRE UN MODELO PILOTO....................................25
4. SIMULACIONES.............................................................................................................29
5. OBSERVACIONES de RESULTADOS.............................................................................36
6. PRECAUCIONES............................................................................................................37
7. PERSPECTIVAS y RECOMENDACIONES.......................................................................40
8. CONCLUSIONES............................................................................................................41
9. BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................................42
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TABLA DE FIGURAS
FIGURA 1. CURVA CBEMA...................................................................................................13 FIGURA 2. CURVA ISO-SAG.................................................................................................15 FIGURA 3. CURVA ISO-SAG CON CURVA CBEMA...............................................................16 FIGURA 4. DIAGRAMA DE BLOQUES...................................................................................18 FIGURA 5. TIPOS DE SAGS..................................................................................................20 FIGURA 6. TRANSFORMACIÓN DE LOS TIPOS SAGS .........................................................21 FIGURA 7. A. MODELO ESCOGIDO / B. MODELO EN PSCAD...............................................21 FIGURA 8. MODELO SIN FALLA ...........................................................................................22 FIGURA 9. FALLA EN UNA FASE A TIERRA..........................................................................23 FIGURA 10. FALLA FASE A B Y C A TIERRA ..........................................................................24 FIGURA 11. MODELO PILOTO................................................................................................25 FIGURA 12. MODELO ALTA TENSIÓN EN PSCAD..................................................................26 FIGURA 13. MODELO MEDIA TENSIÓN EN PSCAD................................................................26 FIGURA 14. MODELO SIMPLIFICADO LA RED ELECTRICA....................................................28 FIGURA 15. MODELO UNIFILAR SUBESTACIÓN....................................................................28 FIGURA 16. VOLTAJES RMS EN [PU] DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN................................29 FIGURA 17. VOLTAJES RMS EN [PU] DE LAS LÍNEAS 1,2, 3 Y 4. ...........................................30 FIGURA 18. SAGS EN LA LÍNEA 4 ..........................................................................................31 FIGURA 19. SAGS EN LA LÍNEA 3 ..........................................................................................31 FIGURA 20. SAGS EN LA LÍNEA 2 ..........................................................................................32 FIGURA 21. SAGS EN LA LÍNEA 1 ..........................................................................................32 FIGURA 22. SAGS EN LA NODO 1..........................................................................................33 FIGURA 23. SAGS EN EL NODO 5..........................................................................................34 FIGURA 24. SAGS EN EL NODO 10........................................................................................34 FIGURA 25. SAGS EN EL NODO 15........................................................................................35 FIGURA 26. SAGS EN EL NODO 20........................................................................................35
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RESUMEN
En este Trabajo de Grado se analizaron las causas, características y efectos de
los SAGS de voltaje en las redes de media tensión, utilizando la herramienta
computacional PSCAD para identificar áreas de vulnerabilidad y visualizar los
efectos de estos en las simulaciones de los modelos piloto. Adicionalmente, se
logró un mejor entendimiento de los fenómenos de voltaje e interpretación de sus
efectos sobre las redes eléctricas de media tensión y en la calidad de potencia.
Igualmente se obtuvo una mejor caracterización de los SAGS, lo que facilita la
planeación y diseño de mecanismos de prevención en los sistemas de redes
eléctricas.
Se trabajaron dos modelos piloto de redes de distribución; el primero modelo
tomado de [8] y el segundo proporcionado por la empresa de Consultoría
Colombiana (CONCOL). Dichos modelos se implementaron en la herramienta
computacional PSCAD, en donde se simularon diferentes tipos de fallas
generando SAGS en distintos puntos, permitiendo la observación de los efectos
sobre éstos.
También se analizaron los efectos que generan las configuraciones de los equipos
de transformación dentro de la red sobre las características de los SAGS. Por
último, los resultados permitieron precisar un área de vulnerabilidad como la zona
donde se presentan distintas tolerancias de voltajes en los equipos frente estos
fenómenos de voltaje en las redes de media tensión.
Concluyendo, este Trabajo de Grado estuvo enfocado hacia el aprendizaje de la
calidad de potencia en las redes de media tensión, permitiendo mejorar la calidad
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de potencia dentro de los sistemas interconectados para poder mantener la
continuidad y calidad del servicio eléctrico.
PALABRAS CLAVE
CP (Calidad de la Potencia), SAGS (caída de voltaje), Swell (elevación de voltaje),
Under voltage (subvoltaje), Over voltage (sobrevoltaje), PSCAD (Visual Power System Simulation), IEC (Internacional Electric Commission, CREG (Comisión de
Regulación de Energía y Gas) CBEMA (Computer Business Equipment
Manufacturer Association), ITIC (Information Technology Industry Council), FIPS (Federal Information Processing Standards Publication), RMS (Root Mean
Square).
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INTRODUCCIÓN
La globalización ha generado un cambio en los negocios, forzándolos a ser más
eficientes y competitivos por medio del desarrollo e implementación de nuevas
tecnologías como computadores, controladores lógicos programables (PLC),
variadores de velocidad, hornos de alto rendimiento, etc., los cuales permiten una
mayor rentabilidad dentro del respectivo campo de acción.
El incremento de nuevas tecnologías dentro de los campos industriales,
comerciales y residenciales, ha generado que el servicio de suministro de energía
sea seguro, forzando que las comercializadoras tomen mayores precauciones y
protecciones para mantener la calidad del servicio y así evitar posibles fallas o
cortes de energía dentro de las redes eléctricas.
Uno de los problemas más graves que se tiene con los nuevos equipos es su alta
sensibilidad frente a los cambios de voltaje repentinos, los cuales generan una
importante degradación de la CP eléctrica. Estos cambios generan diversos
efectos adversos tales como pérdidas de información, apagado de equipos,
detención abrupta de procesos, teniendo como consecuencia la pérdida de
continuidad del trabajo traduciéndose en altos costos para las empresas y
usuarios. Existen diferentes fenómenos de voltaje, pero este trabajo solo hará
énfasis en los fenómenos SAGS.
Estudios anteriores han caracterizado los electrodomésticos y equipos
industriales, frente a estos fenómenos de voltaje, con las llamadas curvas CBEMA,
pero poco se ha investigado acerca de cómo los SAGS afectan las redes de media
tensión, sus efectos en el suministro de energía, en la onda de tensión y en la CP.
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También, poco se ha observado como las características de los SAGS se ven
afectadas por las distintas configuraciones de los equipos de transformación.
Es por esto que nace el interés de hacer el siguiente trabajo de Grado.
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1. MARCO TEÓRICO
Para poder entender bien los SAGS de voltaje en las redes de media tensión es
determinante tener el concepto claro de CP y entender las causas que provocan
dichos fenómenos, sus variaciones y sus efectos sobres las redes y equipos.
1.1. CALIDAD DE LA POTENCIA
La CP es la capacidad que tiene la fuente de energía eléctrica para resolver las
necesidades de la carga.
La mayoría de los problemas de la CP no solo son causados por un cambio de
energía proveniente de las electrificadoras, sino que también son causados por
los usuarios, que adicionan equipos y dispositivos sensibles que crean
degradaciones en la onda de energía. Otra fuente de alteraciones en la CP por
es el alto impacto de los cambios climáticos y los fenómenos naturales que
afectan sustancialmente la infraestructura eléctrica. En la media que se puedan
controlar estos factores, se podrá minimizar la degradación de la CP.
1.2. FENÓMENOS DE VOLTAJE
Los fenómenos de voltaje son reducciones en el voltaje en cortos periodos.
Representan los acontecimientos más comunes que afectan la CP que traen
como consecuencia altos costos tanto para las comercializadoras como para
los usuarios.
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De acuerdo con las características de decaimiento y durabilidad, los
fenómenos de voltaje se pueden clasificar en distintos tipos.
1.2.1. TIPOS DE FENÓMENOS DE VOLTAJE
Los distintos fenómenos que generan variaciones del voltaje RMS son
interrupciones, Swell o SAGS.
Una interrupción es una pérdida completa de voltaje, o una caída a menos
del 10% del voltaje nominal en unas o más fases. Las interrupciones
pueden ser momentáneas (8 milisegundos a 3 sec), temporales (3 sec a 1
minuto), o largas (mayor de 1 minuto).
Un Swell es un excedente del 110% del voltaje RMS frente al valor nominal
por menos de 1 minuto, si el periodo es mayor a un minuto se conoce como
un over voltage.
Otros temas de la CP que incluyen cambios en la amplitud y duración del
voltaje, son los: Under voltage (similar a los SAGS, pero su duración es
mayor de 1 minuto), los transitorios, el desbalanceo de voltaje entre fases,
las fluctuaciones de voltaje (flicker), los armónicos, y el ruido eléctrico.
1.2.2. CAUSAS DE FENÓMENOS DE VOLTAJE
Cuando ocurren SAGS generalmente se responsabiliza a las empresas
comercializadoras sin embargo, muchos de estos acontecimientos son
causados por los equipos de los usuarios conectados a la red. Es difícil
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determinar la fuente causante de los SAGS o de otros problemas de la CP,
debido a que no se tiene el conocimiento preciso de dónde y cuándo
ocurrirá la falla.
Las causas se pueden dividir en dos grandes categorías:
• Las externas: se presentan en las redes de transmisión y
distribución, debido a tormentas, rayos, animales y maniobras de
interrupción.
• Las internas: son generadas por los usuarios debido a la puesta en
marcha de motores grandes, hornos fundidores y ciertos aparatos
eléctricos y electrónicos.
En términos generales los SAGS se presentan por fallas línea-a-tierra,
fallas bifásicas y trifásicas; estas últimas no son muy frecuentes, pues
ocurren menos del 20% de las veces. Existe otro tipo de fallas relacionadas
con el ángulo de las fases y reciben el nombre de fallas asimétricas
causadas por desbalanceos y corrimientos de las fases.
Un ejemplo causante de SAGS es el arranque de un motor grande dentro
de la industria, que genera un efecto equilibrado en las tres fases. Los
hornos eléctricos en la industria metalúrgica son otros culpables de SAGS y
de mayor impacto para las redes al ser desbalanceados.
1.2.3. DETECCIÓN
Para poder detectar los SAGS se utilizan equipos de monitoreo de la CP
que pueden ser empleados a nivel industrial, comercial o residencial. Un
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monitor de la CP puede detectar SAGS de voltaje, Swell, interrupciones, y
otras anomalías, midiendo la potencia en el punto de conexión del usuario a
al red y comparándola contra los estándares aceptados por la ITIC (antes
CBEMA).
Adicionalmente, la integración de dispositivos de telecomunicación con los
equipos de monitoreo de la CP, permite que los ingenieros de las
compañías distribuidoras supervisen puntos múltiples de la red. Esta
capacidad es especialmente valiosa si hay grandes distancia entre los
diferentes puntos de medición.
El monitoreo puede registrar parámetros eléctricos, tales como voltajes,
corrientes, factor de potencia, armónicos, y SAGS; también pueden
proporcionar advertencias cuando éstos u otros parámetros exceden
valores predeterminados. La combinación de estos equipos con
herramientas computacionales permite la toma de acciones, permitiendo así
una mejor y rápida aclaración de la falla.
1.2.4. EFECTOS DE LOS FENÓMENOS DE VOLTAJE
La caída de voltaje en el suministro de energía es el efecto causado por los
SAGS de voltaje; cuando éste ocurre, los dispositivos electrónicos del
interior de la fuente de alimentación utilizan parte de su energía
almacenada para compensar la pérdida de voltaje de entrada. Si la pérdida
de energía es grande debido al SAG, entonces la fuente de alimentación no
puede mantener su capacidad para proporcionar por algunos milisegundos
el voltaje necesario para mantener activos todos los componentes dentro
del dispositivo. Esto es tiempo suficientemente para corromper datos y
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causar mal funcionamiento de los componentes electrónicos. Otros
dispositivos sensibles frente a estos tipos de fenómenos son los reles y los
contactores en arrancadores de motores cuyos daños causan tiempos
muertos de los equipos elevando los costos de producción.
Los efectos de los SAGS se pueden observar en usuarios dentro de un
radio de 160 [Km] o más.
1.3. CURVAS DE ACEPTABILIDAD
Un modo de verificar y cuantificar un perfil de rendimiento energético para los
equipos eléctricos y electrónicos son las curvas de aceptabilidad. Estas curvas
representan la desviación del voltaje contra la duración de tiempo, lo cual
determina los límites inmunes para los equipos electrónicos modernos.
La curva más conocida es la CBEMA, pero hay otras como la ITIC y FIPS, sin
embargo, solo se hablara de la curva CBEMA a continuación.
“La curva de CBEMA (la Fig. 1) fue diseñada a finales de los años 70 por la Computer Business Equipment Manufacturers Association así, las siglas
usadas en el nombre de la curva como pauta para los miembros de la
organización al diseñar sus fuentes de alimentación. Esencialmente, la asociación diseñó la curva para precisar las maneras en las cuales la
confiabilidad del sistema podría ser proporcionada a un equipo electrónico, es
decir fue una primera tentativa para determinar la respuesta apropiada de las
computadoras bajo condiciones del under voltage (SAGS y las interrupciones) y condiciones de sobre tensión (Swell).
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Figura 1. CURVA CBEMA
La curva básicamente es un perfil de susceptibilidad, con el eje vertical que representa el porcentaje de voltaje aplicado al circuito y el eje horizontal
representando el factor tiempo implicado, medido a partir de microsegundos a
los segundos. En el centro del diagrama está un área aceptable. Fuera de esta área está una zona peligrosa tanto por encima como por debajo de la curva.
La zona peligrosa por encima implica la tolerancia del equipo a los niveles
voltaicos excesivos, mientras que la zona por debajo fija la tolerancia del
equipo a una pérdida o a una reducción en energía aplicada. Si la fuente del voltaje permanece dentro del área aceptable, el equipo de estado sólido
funcionará b ien.”1
1 Tomado de “ Representación de la Curva CBMA para Diferentes Equipos Sensibles”, Cristhian Duque, 2003.
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1.4. NORMAS
Para proteger tanto a los usuarios como a los comercializadores de energía, se
han escrito varias normas que regulan la prestación del servicio, donde se
controlan las condiciones de calidad y continuidad. Para este trabajo de grado
se seleccionaron las dos normas que se enfocan en el fenómeno de voltaje,
SAGS, la norma CREG-042 y la norma internacional IEC-61000-4-15.
1.4.1. CREG-042
Como se mencionó anteriormente el incremento del uso de equipos
electrónicos con alta susceptibilidad a las fluctuaciones de tensión y alto
impacto que tiene por las discontinuidades del voltaje (SAGS), se hizo
necesario traducir estos efectos en indicadores de la CP, complementando
los ya existentes.
La norma presenta una propuesta regulatoria sobre el indicador de control
del servicio, midiendo la calidad y continuidad de la onda, la cual se ve
afectada por estos fenómenos. Dicho indicador permite agrupar el impacto
de los fenómenos de voltajes en el corto plazo y se denomina
Perceptibilidad de corto plazo o (PST)
Por otro lado, la norma presenta definiciones, antecedentes y ventajas que
implica la utilización del PST, planteando además una metodología para
medir los SAGS; al igual que los equipos que deben ser empleados, cómo
deben ser estos construidos y la instalación del sistema de medición.
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Adicionalmente, la norma expone la metodología para analizar la severidad
de eventos basándose en la obtención de las llamadas cartas de
coordinación. Estas cartas indican las veces que ocurren los SAGS,
caracterizados por magnitud y tiempo de duración en un intervalo
determinado. Se conocen también como curvas ISO-SAG y su forma de
interpretación se muestran en la siguiente figura tomada de [2].
Figura 2. CURVA ISO-SAG2
Si se coge la curva CBEMA y se sobrepone en esta figura es posible
obtener el número de veces que un equipo es susceptible a fallas como se
observa en la siguiente figura tomada de [2].
2 Tomado del documento “Norma CREG-042”, Junio 2004.
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Figura 3. CURVA ISO-SAG CON CURVA CBEMA
La metodología propuesta por esta norma para medir fluctuaciones de
voltaje se puede encontrar descrita de forma detallada en la norma IEC
61000-4-15.
En conclusión, esta norma es una respuesta a la regulación sobre las
características y límites de los indicadores de la CP y estable un reglamento
de operación para realizar el planeamiento y la coordinación de la
operación del sistema interconectado Nacional.
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1.4.1.1. PERCEPTIBILIDAD DE CORTO PLAZO (PST)
“El Término PST permite condensar la gran cantidad de información en el
tiempo y cuantificar adecuadamente el impacto de las fluctuaciones de
voltaje en el corto plazo. Es el indicador de la perceptib ilidad de un
equipo ante fluctuaciones de voltaje durante un periodo de tiempo corto de 10 minutos, obteniendo de forma estadística a partir del IFL
(Instantaneous Flicker Level). La forma de calcularlo se define en la
Norma IEC 6100-4-15.”3
Las ventajas de usar este indicador son muchas y se pueden leer en la
Norma CREG-042 y en la norma internacional IEC 61000-4-15.
1.4.2. IEC-61000-4-153
Esta norma contiene una serie de especificaciones funcionales y de diseño
para poder medir la percepción del flicker correcto para toda forma de
fluctuaciones de voltaje de la onda y está desglosada de la siguiente
manera:
• Tema IEC 61000: Compatibilidad electromagnética.
• Parte 4: Técnicas de ensayo y de medida.
• Sección 15: Medidor Flicker – especificaciones funcionales y
de diseño.
3 Tomado del documento “Norma CREG-042”, Junio 2004.
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El objeto de la norma es proporcionar información básica sobre el diseño,
arquitectura y diagramas de bloques de un equipo medidor de flicker, este
último se puede observar en la siguiente figura tomada de[3].
Figura 4. DIAGRAMA DE BLOQUES
Este equipo realiza simulaciones de la respuesta de la cadena, el análisis
estadístico en tiempo real de la señal y presenta los resultados. La
descripción completa de estos bloques se puede leer en la norma IEC
61000-4-15.
1.4.2.1. INDICADOR DEL NIVEL INSTANTÁNEO DE PARPADEO
(IFL)
Este indicador permite al usuario medir la severidad de las fluctuaciones
de tensión, así como el intervalo de tiempo en el cual ocurre, sin
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necesidad de almacenar enorme cantidad de información para su
análisis.
“Es un indicador del nivel instantáneo de parpadeo obtenido a partir del
tratamiento de la señal de tensión.”4
En términos generales, estas normas proveen una herramienta importante para
la detección de los SAGS de voltaje, lo que permite tener un mejor control de la
CP y la continuidad del servicio de suministro de energía eléctrica. Además,
son de gran importancia pues ayudan a la detección y comprensión de los
SAGS generando nuevas ideas para su detección y planeación de
protecciones.
4 Tomado del documento “Norma CREG-042”, Julio 2004.
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2. EFECTO DE EQUIPOS DE TRANSFORMACIÓN
Dentro de un sistema de redes de distribución encontramos equipos de
transformación con configuraciones Delta-Delta, Y-Delta y Delta-Y, las cuales
afectan las características de los SAGS al pasar por éstos.
Estudios anteriores han caracterizado los fenómenos de voltaje (SAGS) en 7
tipos principales. Estas clases o tipos se muestran en la Figura 5 tomada de
[6].
Figura 5. TIPOS DE SAGS
Las fases en negrilla representan los efectos producidos por los equipos
afectando los SAGS en magnitud y ángulo. La siguiente tabla, tomada de [6],
muestra como cambian las características de los SAGS al pasar por las
distintas configuraciones de los transformadores y cargas conectadas a la red.
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Figura 6. TRANSFORMACIÓN DE LOS TIPOS SAGS
Para demostrar estas afirmaciones se montó un pequeño sistema en PSCAD
como se muestra en la Figura 7 y se simularon distintos tipos de SAGS en él;
este modelo, tomado de [6], es una forma fácil de observar las
transformaciones de las características de los SAGS.
Figura 7. A. MODELO ESCOGIDO / B. MODELO EN PSCAD
Para el primer caso, se hizo una simulación en el sistema con un
funcionamiento normal, es decir sin falla alguna dentro de éste, y como se
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observa, los voltajes y las fases se mantienen a través de toda la red como se
ilustra en la Figura 8.
Figura 8. MODELO SIN FALLA
Ahora bien, si generamos en el nodo de 33 [kV] un SAG tipo B, es decir que se
produce una falla (una fase a tierra) por un corto periodo; observamos que al
pasar por el primer transformador se convierte a la salida del transformador en
un SAG tipo D. Al pasar por el segundo transformador, tenemos un SAG tipo
C, como lo muestra la Figura 9, en donde se observa el cambio de voltaje y el
corrimiento de las fases.
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Figura 9. FALLA EN UNA FASE A TIERRA
Se observa que la fase en color verde sube y cae en el periodo de la falla, esto
es debido a que la herramienta computacional no diferencia al graficar los
ángulos de 180º y –180º.
En la segunda demostración, se simuló una falla trifásica generando un SAG
tipo A cuyos efectos se observaron en la Figura 10.
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Figura 10. FALLA FASE A B Y C A TIERRA
Se observó que en el nodo donde se tiene un SAG tipo A, las magnitudes de
los voltajes caen y las fases se mantienen a pesar de pasar por el primer
transformador. Luego, al pasar por el segundo transformador las
características permanecen iguales permitiendo observar que una SAG tipo A
se mantiene a través de la red y sus características no son afectadas.
Con este sencillo modelo se logró demostrar como las configuraciones de los
equipos de transformación en las redes afectan las características de los
SAGS.
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3. EFECTOS DEL FENÓMENO SAG SOBRE UN MODELO PILOTO
Ya explicadas anteriormente las causas y los tipos de SAGS, se analizarán ahora
los efectos de éstos sobre las redes de media tensión. Para esto se seleccionó un
primer modelo piloto, ilustrado en la Figura 11.
Figura 11. MODELO PILOTO5
Dicho modelo se implementó en PSCAD y se realizaron varias simulaciones de
distintas fallas para generar diferentes SAGS en varios puntos de la red, con el fin
de observar el comportamiento del voltaje dentro de éste. En la Figura 12 y Figura
13 se puede observar el modelo en PSCAD.
5 Tomado del libro………….
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Figura 12. MODELO ALTA TENSIÓN EN PSCAD
Figura 13. MODELO MEDIA TENSIÓN EN PSCAD
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Este primer modelo presenta un generador de 13.8 [kV], el cual transfiere la
energía generada a un transformador de 13.8 [kV] – 115 [kV]. Esta energía
eléctrica es transmitida por dos líneas de transmisión, una de 50 [km] y otra
seccionada en dos tramos de 25 [km] cada una, las cuales terminan en una
subestación de 115 [kV] – 13.8 [kV]. Luego, de la subestación (Trafo 2) se
transporta por cuatro líneas de distribución, donde la primera es de 2 [km]; la
segunda de 4 [km]; la tercera de 6 [km] y la cuarta de 8 [km]. Cada línea termina
en una carga trifásica conectada. Los valores de las cargas son iguales en cada
línea y se tomo un valor cercano a la realidad.
El segundo modelo seleccionado fue proporcionado por CONCOL. Es una red de
media tensión. Este sistema inicia en una subestación de 34.5 [kV] – 13.2 [kV] de
30 [MVA], la cual distribuye a 6 circuitos; 5 residenciales y 1 Industrial. Se escogió
la red de distribución Industrial, ya que ésta presenta cargas más sensibles frente
a los SAGS de voltaje. A continuación, en la Figura 14 se muestra la configuración
del sistema de distribución simplificado a 20 nodos. Esta simplificación se hizo
para poder reducir el número de nodos ya que esta línea posee más de 100
puntos de conexión y la herramienta computacional solo puede simular 20 líneas
eléctricas.
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Figura 14. MODELO SIMPLIFICADO LA RED ELECTRICA
Figura 15. MODELO UNIFILAR SUBESTACIÓN
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4. SIMULACIONES
Para analizar bien los efectos de los SAGS en las redes de media tensión, se
corrieron varias simulaciones con diferentes tipos de fallas ubicados en distintos
puntos de la red generando los SAGS.
Las simulaciones del primer modelo piloto se hicieron solo en las líneas de
distribución de 13.8 [kV], se tomaron mediciones al final de cada línea y en la
salida del transformador o subestación, dando como resultado diferentes gráficas.
A continuación, se muestran los resultados obtenidos al simular una falla entre
fases en la línea 1 (Figura 16 y Figura 17).
Figura 16. VOLTAJES RMS EN [PU] DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN.
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Figura 17. VOLTAJES RMS EN [PU] DE LAS LÍNEAS 1,2, 3 Y 4.
También se simularon varias fallas en las demás líneas y se graficaron en
Excel para una mejor apreciación de los mismos. Dichas gráficas muestran el
decaimiento del voltaje en términos de porcentaje, donde la línea de 8 [km]
está representada en color azul; la línea de 6 [km] en color amarillo; la línea de
4 [km] en color rojo; y por último, la línea de 2 [km] en color morado (Figura 18,
Figura 19, Figura 20 y Figura 21).
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Figura 18. SAGS EN LA LÍNEA 4
Figura 19. SAGS EN LA LÍNEA 3
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Figura 20. SAGS EN LA LÍNEA 2
Figura 21. SAGS EN LA LÍNEA 1
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Para el segundo modelo, se simularon varios tipos de falla en los nodos 1, 5, 10,
15 y 20 generando diferentes tipos de SAGS de voltajes para observar los efectos
que estos tiene sobre la red de media tensión.
Los tipos de fallas simulados fueron:
• 1 fase a tierra, representado en color morado.
• 3 Fases a tierra, representado en color rojo.
• Falla entre 2 fases, representado en color amarillo.
• Falle entre las 3 fases, representado en color azul.
Las simulaciones se pueden visualizar en las siguientes gráficas de Excel para su
mejor comprensión (Figura 22, Figura 23, Figura 24, Figura 25 y Figura 26).
Figura 22. SAGS EN LA NODO 1
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Figura 23. SAGS EN EL NODO 5
Figura 24. SAGS EN EL NODO 10
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Figura 25. SAGS EN EL NODO 15
Figura 26. SAGS EN EL NODO 20
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5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se observó que cuando una falla trifásica se simula al final de la línea de 8 [km] en
el primer modelo piloto, un SAG es creado generando un decaimiento en el nivel
de voltaje de 75% a 2 [km] del origen, de 51% a 4 [km], de 20% a 6 [km] y de 2% a
8 [km]; esto indica que los efectos del SAG de voltaje son mayores a distancias
cercanas a la falla y disminuyen al aumentar la distancia. También se observó un
pequeño decaimiento del voltaje en un 2.8% en las otras líneas conectadas al
mismo nodo, confirmando lo anteriormente mencionado.
Por otro lado, al observar las simulaciones del segundo modelo piloto se puede
decir que si la falla se genera cerca del generador o transformador, el SAG
generado afectará el voltaje de los usuarios conectados a lo largo de la línea; es
decir que el efecto del SAG se propaga por muchos kilómetros dentro del sistema
de redes eléctricas.
Adicionalmente, al observar el resultado obtenido al simular una falla (1 Fase a
tierra) en el nodo 10 que produjo un SAG cuyo efecto generó un decaimiento de
voltaje en ambas direcciones de la línea. Sin embargo, este efecto no se propagó
de igual forma en ambas direcciones ya que, en dirección al primer nodo el
decaimiento fue de 22%, 20%, 17%, 15%, 9%, 7% 4% y 2% hasta llegar al nodo
inicial mientras que, hacia el otro lado el decaimiento fue constante hasta el final
de la línea en un 25%.
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6. PRECAUCIONES
Los SAGS de voltaje son problemas frecuentes de la CP. Pueden ser detectadas y
corregidas de muchas maneras. Sin importar las tecnologías empleadas, el
abastecimiento de soluciones apropiadas de la CP requiere una comprensión
completa de los problemas.
Es importante aislar partes individuales de un equipo que puedan ser más
sensibles a los fenómenos de voltaje, y determinar correctamente el lugar de las
protecciones y dispositivos de corrección de SAGS.
La ubicación de un equipo dentro de la industria, desempeña un papel importante
en la sensibilidad de éste frente a los SAGS de voltaje al igual que el tipo de cable,
ya que el tamaño y la localización pueden reducir las caídas de voltaje.
Otra forma de prevención ante los efectos de los fenómenos de voltaje son los
dispositivos de corrección de SAGS que pueden ser utilizados en la entrada del
servicio eléctrico o en los puestos de trabajo de la planta.
El porcentaje de cargas sensibles dentro de la industria, la facilidad de la
instalación, el costo del tiempo muerto y el costo de la solución son factores que
hay que tener en cuenta para determinar las protecciones y adecuaciones
necesarias para el correcto funcionamiento de la producción.
Otras tecnologías que ayudan a la prevención de SAGS son las de
acondicionamiento de líneas de energía, las cuales incluyen fuentes de
alimentación continua (UPS), transformadores de voltaje constante (CVT) y
dispositivos de estado sólido. La UPS se diseña generalmente para cargas
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constantes, tales como computadores y otros equipos electrónicos y su
funcionamiento con las cargas dinámicas, tales como motores grandes y hornos
es limitado. Algunos diseños tienen una salida que se acerca a una onda cuadrada
rica en armónicos de orden impar; esto puede no ser apropiado para equipos
automáticos. Una UPS protege el equipo contra SAGS e interrupciones
momentáneas o extendidas de energía cuando el circuito detecta un SAG, ella
transfiere la carga protegida a un banco de baterías proveyéndole energía
mientras se aclara la falla.
El CVT tiene el mismo fin de protección que la UPS, pero utiliza tecnología
ferrorresonante. Dicha tecnología no es nueva, pero todavía se utiliza
extensamente pues es de bajo costo y de fácil construcción. Su funcionamiento
consiste en un circuito creado por la reactancia inductiva del transformador y del
condensador interno generando una reserva de energía con un voltaje constante y
limpio en la salida, el cual evita la mayoría de tipos de degradaciones de energía
pues siempre está en saturación y tienen poco impacto en el voltaje de salida. Sin
embargo, para las cargas ligeras la entrada puede caer por debajo del 60% del
voltaje nominal sin presentarse fallas en el equipo protegido.
Las desventajas de dichos dispositivos están en la baja eficacia, y el gran peso y
tamaño; además los CVT tienen dificultad en la manipulación de cargas dinámicas
y armónicas que requieren a menudo sobredimensiones significativas teniendo un
impacto directo en el costo de la inversión. Debido a su alto costo es
recomendable proteger las zonas más vulnerables donde se encuentran equipos
tales como PLC, reguladores y controles dedicados que utilizan
microprocesadores o tecnologías digitales.
Por último, los dispositivos de estado sólido para la corrección de SAGS utilizan
tecnología con microprocesadores para supervisar la CP permitiendo su activación
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dentro de un ciclo específico. Algunos dispositivos utilizan condensadores para
proporcionar energía, mientras que otros drenan la corriente adicional de la red
durante el SAG, convirtiéndola en el voltaje faltante. El resultado es la
compensación del SAG, generando la capacidad de cubrir interrupciones cortas
(12 ciclos).
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7. PERSPECTIVAS Y RECOMENDACIONES
Trabajar en la expansión y profundización del tema tratado en este trabajo de
grado para obtener una forma de sancionar a usuarios generadores de estos
fenómenos y a las comercializadoras por la deficiente prestación del servicio.
Investigar y ampliar más el conocimiento de las zonas de vulnerabilidad para con
el fin de proporcionar soluciones pertinentes a usuarios conectados y proveer de
información a futuros usuarios para que esta sea tomada dentro del plan de
protección eléctrica de la planta.
Se recomienda la profundización del tema de SAGS en los cursos de ingeniería
eléctrica (Calidad de la Potencia), ya que este tema de gran importancia para el
desarrollo de nuevas redes eléctricas debido al gran crecimiento de las ciudades y
el incremento en el uso de equipos de nuevas tecnologías.
También es recomendable adquirir más herramientas de simulación como el
PSCAD, ya que esta herramienta proporciona información sobre el
comportamiento de los sistemas de potencia y de los equipos de electrónica de
potencia. Así mismo, ayuda al aprendizaje de futuras generaciones de ingenieros
eléctricos pues permite de forma fácil y clara la visualización del comportamiento
de y efectos de los sistemas.
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8. CONCLUSIONES
Por medio de la herramienta computacional PSCAD, se estudió los fenómenos de
voltajes en redes de media tensión y se entendieron sus efectos en la CP.
Dependiendo del tipo y ubicación de falla, se generan distintos tipos de SAG que
cuyas características pueden ser afectadas por los equipos de transformación
presentes en las redes eléctricas, agravando o disminuyendo sus efectos.
El análisis de los efectos de los SAGS de voltaje dentro de las redes eléctricas
permite caracterizar unas zonas de vulnerabilidad, permitiendo a las
comercializadoras indicar los problemas que se pueden presentar por fallas
distantes y que tipos de medidas de prevención tales como UPSC, CVT y
utilización de elementos de la electrónica de Potencia, deben tomar los usuario
conectados dentro de estas.
Los efectos de un SAG generado en una de las líneas de distribución conectada a
un nodo común se observarán en las otras líneas conectadas, y aunque el nivel de
voltaje puede que no decaiga tanto como en la línea donde se presentó el SAG, es
suficiente para presentar daños dentro de los equipos de los usuarios conectados.
Una falla en la mitad de la línea produce un SAG cuyo efecto genera un
decaimiento de voltaje en ambas direcciones de la línea, aunque su efecto no se
propaga de igual forma en ambas direcciones.
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9. BIBLIOGRAFÍA
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para diferentes equipos sensibles”, Enero de 2004.
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Phase Adjustab le-Speed Driver”, Octubre 1997.
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edition, McGraw Hill, 2003.
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