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USO DE LA COMPENSACIÓN REACTIVA DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN COMO MEDIO DE REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS DE ELECTRICIDAD EN ENELVEN

AUTORES: ING. ABREU AUGUSTO, ING. CHIRINOS JESUS, ING. VILLALOBOS JOSÉ. EMPRESA: C.A. ENERGÍA ELÉCTRICA DE VENEZUELA, ENELVEN. CARGOS: PLANIFICADOR DE DISTRIBUCIÓN, INGENIERO DE ANÁLISIS DE DISTRIBUCIÓN, PLANIFICADOR DE TRANSMISIÓN.

PALABRAS CLAVES: DATOS DE LA EMPRESA: Potencia Aparente Potencia Reactiva Pérdidas Técnicas Compensación Reactiva Paralela Pura Compensación Reactiva en Serie Factor de Potencia Carga No Lineal

Dirección: ENELVEN Edif. EISA Avda. 5 deJulio, entre Avdas. 10 y 11. Maracaibo. Edo. Zulia, Venezuela.

Código Postal: 4001-A Apartado Postal: 146 Teléfono: 061-979977

SÍNTESIS DEL TRABAJO Este trabajo tiene la finalidad de presentar las experiencias y estrategias utilizadas por nuestra empresa, para disminuir las pérdidas técnicas, con diferentes métodos de compensación reactiva. Debido a la característica inductiva de las cargas instaladas en nuestro sistema, éstas realizan consumos de potencia reactiva. Una forma para minimizar la transferencia de reactivos desde las zonas de generación hasta la carga, es la inyección de reactivos a nivel de distribución y siendo el sitio optimo para su instalación en los centros de carga de dichos circuitos. Para lo cual existen dos métodos, la compensación en paralelo pura (shunt), y la compensación en serie. Se presentarán cuatro casos de estudio, el primero de estos es referido a la compensación reactiva en paralelo pura de un circuito urbano, el segundo el

de un circuito rural utilizando el mismo metodo de compensación que el caso anterior, el tercer caso es referido al incremento de pérdidas técnicas, a causa de la instalación de compensación reactiva pura paralela, en sitios donde existe la presencia representativa de cargas no lineales (generadores de corrientes armónicas) y el cuarto caso de estudio, es referido a un proyecto de compensación reactiva en serie, de una línea de 23,9 kV, donde se demuestra la economía y los beneficios de esta propuesta.

COMISIÓN DE INTEGRACIÓN ELÉCTRICA REGIONAL-CIER I SEMINARIO INTERNACIONAL DE REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS

DE ELECTRICIDAD Y USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. TEMA II – REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS TÉCNICAS

MARACAIBO, OCTUBRE 1999

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1. INTRODUCCIÓN A nivel mundial, la tendencia de las industrias eléctricas, es la optimización de sus sistemas de potencia. Es por ello que ENELVEN tiene como objetivo elevar sus niveles de competitividad y rentabilidad, reduciendo sus pérdidas técnicas. Uno de los métodos más utilizados para la reducción de pérdidas técnicas, es la inyección de reactivos a nivel de media tensión. En ENELVEN se utiliza en la actualidad, el método de compensación reactiva pura en paralelo para los circuitos de distribución urbanos y rurales. Adicionalmente, el método de compensación en serie, se encuentra en etapa de proyecto. En el desarrollo de este trabajo, se desribirán dos casos de estudio, donde se demostrarán la relación costo-beneficio de la compensación reactiva, los métodos y herramientas utilizadas en nuestra empresa. Un tercer caso, es referido a los problemas de la instalación de compensación reactiva en paralelo pura, en presencia de alto contenido de armónicos de corriente. Y finalmente un cuarto caso, el cual trata sobre la compensación serie. Al final de este trabajo se evidenciará, que la fuente más económica para el suministro de potencia reactiva a un sistema de potencia inductivo, son los bancos de condensadores. 2. COMPENSACIÓN REACTIVA La potencia reactiva es fundamental para los sistemas A.C., debido a que muchas de las cargas en el sistema, requieren de reactivos para funcionar, así como, hay elementos de la red que generan reactivos, como los son las líneas y los cables. Siempre debe existir un equilibrio, debido a que una falta de potencia reactiva en un sistema, genera depresiones en las tensiones e igualmente al inverso, un exceso de potencia reactiva, ocasionaría sobretensiones.

2.1. Compensación Reactiva en Paralelo Pura Su función primordial es mejorar el factor de potencia, debido a que disminuye la circulación de corriente a lo largo del circuito lo que a su vez reduce las pérdidas y mejora los perfiles de tensión. Los beneficios de la optimización de los circuitos, son la disminución de la carga térmica, aumento de niveles de tensión y reducción de pérdidas [1][2]. 2.2. Compensación Reactiva en Paralelo Pura y las Cargas No Lineales En la actualidad, en los sistemas eléctricos de potencia, existe una gran proliferación de cargas no lineales, las cuales son generadoras de armónicos en corriente. Los problemas que causan las corrientes múltiplos de la fundamental en bancos de condensadores puros, son el envejecimiento prematuro, quema de los mismos o disparo de sus fusibles causado por la resonancia, e incremento de las pérdidas técnicas. 2.3. Compensación Reactiva en Serie A nivel de compensación reactiva en serie en media tensión, actualmente en Venezuela no se cuenta con la experiencia práctica de ésta técnica. Desde hace muchos años, en el mundo se viene realizando compensación reactiva en serie en alta y extra alta tensión. Por razones de costos, sobre todo en lo que respecta al equipo de protección contra sobretensiones, sólo era económicamente viable, la instalación de condensadores en serie en estos niveles de tensión. Debido a nuevas tecnologías en electrónica de potencia, se han podido fabricar equipos de protección a bajo costo, siendo posible realizar compensación en serie, en circuitos de media tensión. Ésta compensación, posee la ventaja de que al estar en serie, los reactivos que inyecta están en función de la corriente de carga, logrando una auto regulación de los mismos. Entre los beneficios de la utilización de la compensación en serie están, la reducción de las variaciones de tensión a causa de la carga y reducción de las pérdidas de la línea [1].

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3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. Compensación Reactiva en Paralelo Pura Para los análisis de compensación reactiva en paralelo, ENELVEN cuenta con una herramienta de análisis de circuitos de distribución, el programa FEEDERALL el cual es una parte de un conjunto de módulos de planificación e ingeniería denominado CADPAD (COMPUTER - AIDED DISTRIBUTION PLANNING AND DESIGN) desarrollado por la empresa ABB. Esta herramienta posee la facilidad de poder digitalizar geográficamente los circuitos de distribución. Otro insumo básico para estos análisis, es contar con el comportamiento de la carga y esto se obtiene con la instalación de registradores de potencia los cuales se instalan por períodos de una semana. Como casos de estudios se mostraran uno de la zona urbana de Maracaibo, el circuito “La Rotaria” , y el circuito rural “San José” del poblado de Machiques de Perijá. 3.1.1. Circuito Urbano A continuación se presenta un caso de estudio de uno de estos circuitos de Distribución, el cual pertenece a la S/E Sibucara, el circuito “Rotaria” ubicado en la Zona Noroeste de Maracaibo. Para este estudio, se realizó el levantamiento geográfico del circuito y medición en el período de una semana. Se digitalizó el circuito con la herramienta CADPAD, y se realizaron corridos de flujos de carga. Para la determinación de la cantidad de condensadores fijos necesarios y para ejecutar una compensación óptima en el circuito, se utiliza el valor de carga mínimo obtenido durante el proceso de medición. Igualmente, para determinar los bancos desconectables, se utiliza el valor de carga máxima, obtenida durante el mismo período de tiempo. Este circuito cuenta con una capacidad instalada de 24,67 MVA y 2400 KVAR de compensación reactiva en servicio (anexo 1). De la medición realizada, se obtuvo una demanda máxima de 12,70 MVA, y una mínima de 6,60 MVA, que redunda en un factor de utilización de 51% para los transformadores de Distribución.

Luego de realizado el flujo de carga, se obtuvo que los niveles de pérdidas del circuito sobrepasan el 1% de pérdidas, valor este máximo permitido para circuitos urbanos de ENELVEN. Al igual de la máxima caída de tensión de 5.53% que sobrepasa los 5% establecido en ENELVEN para circuitos urbano. Al aplicar la herramienta FEEDERALL, se determinó la cantidad y ubicación de los bancos de condensadores, a instalar un total 3,6 MVAR. De los resultados obtenidos de la aplicación de condensadores, se disminuye la demanda de 12.7 MVA de las condiciones anteriores a 11,8 MVA, lo que representa un ahorro de 0,9 MVA. A nivel de caída de tensión el circuito disminuyó en 1,09 puntos, mientras que en pérdidas, disminuyó en 0,23 puntos con respecto a las condiciones iniciales. Como resultado de la instalación de los nuevos bancos de condensadores, según las características y ubicación sugerida, se obtienen los siguientes beneficios: Las pérdidas anuales del circuito disminuyen 9% (997.42 MWH/AÑO). Se reduce la caída de tensión en un 4.44%. 3.3.2 Circuito Rural El Circuito “San José” parte se la S/E Machiques ubicado en la Zona Rural Sur del Estado Zulia, posee una distancia aproximada de unos 120 Km entre el troncal y los ramales. Siendo la mayoría de la carga de este circuito, el poblado de San José y haciendas productoras de alimento. Este circuito posee una capacidad instalada de 21,2 MVA y 900 KVAR de compensación reactiva en servicio (anexo 2). De la medición realizada, se obtuvo una demanda máxima de 10,39 MVA, y una mínima de 5,12 MVA, que redunda en un factor de utilización de 49% para los transformadores de Distribución. Del análisis del flujo de carga, se obtuvo que los niveles de pérdidas del circuito, son bastante altos, dando un valor de 6,98% sobrepasando los

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5% en pérdidas, valor éste como máximo permitido para circuito rurales de ENELVEN. Al realizar el análisis de aplicación de condensadores para el Circuito “San José”, S/E Machiques), se observa la necesidad de instalar siete bancos, totalizando una cantidad de 4,8 MVAR. De los resultados podemos resaltar, que a causa de la inyección de reactivos y al reemplazo de 10 kM de conductor de 1/0 a 336,4 MCM de la troncal, se disminuyó la carga en MVA de 10,02 de las condiciones anteriores a 8,5, lo que representa un ahorro de 1,89 MVA. A nivel de caída de tensión, el circuito disminuyó en 8 puntos, mientras que en pérdidas, disminuyó en 0,5 puntos, con respecto al anterior. La pérdidas se redujeron de 407 MWH/AÑO con la aplicación de bancos de condensadores. Es importante destacar, que aun cuando la máxima caída de tensión del circuito continúa rebasando los niveles máximos de calidad aceptada en ENELVEN para circuitos rurales, este valor se considera aceptable tomando en cuenta la extensión del circuito (120 KM). 4. LA COMPENSACIÓN REACTIVA PURA Y CARGAS NO LINEALES Los suscriptores industriales, en su mayoría, son consumidores por excelencia de reactivos, debido a la utilización de motores de inducción. La posibilidad de las empresas eléctricas de penalizar bajos factores de potencia, hace más económico para los suscriptores industriales, instalar bancos de condensadores puros, llevando el factor de potencia, casi a la unidad y disminuyendo su facturación por demanda y energía. Esta situación ha cambiado con el incremento de la productividad de los suscriptores industriales, debido a la proliferación del uso de la electrónica de potencia en sus procesos (control de motores DC y AC, carga no lineal), los cuales producen armónicos de tensión y especialmente de corriente.

Desconociendo los efectos de la combinación de carga no lineal y compensación reactiva, los clientes industriales realizan inyección de reactivos, desconociendo los posibles efectos, con respecto a la calidad de potencia que éstos pueden causar en sus instalaciones, como en la red eléctrica, de la cual se alimentan. A, continuación, se mostrará el caso de una Fabrica de Cementos, la cual posee dos bancos de condensadores puros de 3 MVAR, cada uno instalados en su barra de 4,16 kV, y tiene conectado cuatro rectificadores. (figura 1). Figura 1. Unifilar de la instalación estudiada. Para observar el efecto que causan los condensadores puros en este sistema, donde existe la presencia elevada de cargas no lineales, se efectúo una prueba que consistió en conmutar los bancos de condensadores, registrándose la distorsión total por armónicos de corriente (THD-I). En la figura 2, se puede observar la onda de corriente con 6 MVAR. Figura 2. Onda de Corriente con un THD-I=20,18%.

22xx33 MMVVAARR

44,,1166 kkVV

113388 kkVV//44,,1166 kkVV 1188 MMVVAA ZZ==77,,44%% DDyynn 1111

(( RReesseerrvvaa ))

550000 kkVVAA 44116600//338800 VV

22000000 kkVVAA 44116600//668800 VV

AA

KKGG

3300 kkWW

AA

KKGG

3300 kkWW

M

AA

KKGG

11334400 kkWW VVEENNTT.. DDEE

AA

KKGG

200 kW HHOORRNNOO

MM M

ENELVEN 138 kV 60 Hz

22000000 kkVVAA 44116600//668800 VV

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En la figura 3, la onda de corriente con solo 3 MVAR, se puede observar como la distorsión de corriente baja 59,5% con solo la mitad de los reactivos. Figura 3. Onda de Corriente con un THD-I=8,19% . Finalmente en la figura 4, la onda de corriente sin reactivos puros, puede observarse como la distorsión de armónica de corriente que se reduce al 73,8% de la original, llegando a un valor de 5,28%. Esto se debe al comportamiento de la impedancia en los condensadores a alta frecuencia, la cual va disminuyendo, en forma exponencial, amplificando asi las corrientes, a alta frecuencia. Figura 4. Onda de Corriente con un THD-I=5,28% . Entre la figura 2, (con 6 MVAR) y la figura 4, (sin compensación) existe una diferencia de 122,4 (A), lo que implica unas pérdidas de 496 kW. Esto significa que el cliente se ahorra en la facturación 496 kW (pérdidas por mal factor de

potencia), pero ENELVEN absorbe 675,61 kW (pérdidas a causa de la amplificación de los armónicos de corriente) [3]. Como las leyes permiten a las empresas eléctricas penalizar bajos factores de potencia, las pérdidas las estaría pagando el cliente, pero al instalar los bancos de condensadores puros sin revisar la presencia significativa de cargas no lineales, estas pérdidas estarían siendo desplazadas a la empresa eléctrica, siendo imposible para ésta recuperarla ni tampoco de exigirle al cliente la instalación de bancos de condensadores protegidos (filtros), debido a que en Venezuela no existen leyes al respecto. En caso de necesitar instalar compensación reactiva pura paralela, se recomienda realizar sondeos de armónicos y flujos de carga a alta frecuencia, para determinar los puntos de resonancia y estudiar la posibilidad de instalar compensación protegida (filtro) o cierta cantidad de compensación pura, sin causar problemas. [3] 5. COMPENSACIÓN REACTIVA SERIE El caso de estudio a ser presentado, es sobre la S/E La Paz, la cual en la actualidad es alimentada, a través de dos líneas de subtransmisión, una de ellas en 23,9 kV, desde la S/E Concepción, con una longitud de 18 kM y la otra en 34,5 kV, desde la S/E Cerro Cochino de 15 KM de longitud, con una capacidad máxima de importación de 3,75 MVA. (anexo 3) Al ocurrir una falla en la línea Concepción – La Paz, la S/E La Paz queda alimentada a través de la línea Cerro Cochino – La Paz en 34,5 kV, donde la carga en 23,9 kV es alimentada, a través de un TX de 34,5/23,9 kV de 3,75 MVA. La carga actual en 23,9 kV es de 3,8 MVA, lo que implica una indisponibilidad por completo, de respaldo, a un aumento de carga en la S/E La Paz. Debido a un incremento de carga solicitado por un cliente petrolero en la S/E La Paz de 1,6 MVA, se presentó la necesidad de aumentar el respaldo a dicha S/E. Como solución de respaldo a esta carga, donde se planteó la construcción de

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una segunda línea de subtransmisión en 23,9 kV, desde Concepción a la Paz. La solución de la segunda subtransmisión desde Concepción hasta la Paz tiene un costo aproximado de US$ 524.590,16. Como una segunda solución, se planteó la posibilidad de aumentar la capacidad de transferencia a través del anillo La Paz – Cerro Cochino – Mara y una de estas es utilizando Compensación en Serie. De la evaluación técnica, esta opción cumplió con los requerimientos de regulación y para contingencia de uno de los elementos que alimentan a la S/E La Paz. El proyecto de Compensación Serie, con una reactancia de 9,41 ohm y de 1,76 MVAR, tiene un costo estimado de US$ 344.262,29. Entre los beneficios de la instalación del banco de condensadores, se obtiene que se reduce en un 12% la pérdidas en kW de la línea, se aumentan los perfiles de tensión y se logra respaldar la carga de la S/E La Paz. 6. RESULTADOS Caso 1.- Con la instalación de 3,6 MVAR, repartidos a lo largo del circuito urbano La “Rotaria”, se logra reducir en un 9%, sus pérdidas anuales, el cual tiene una relación costo/beneficio de 743,56%. Caso 2.- Con la instalación de 4,8 MVAR repartidos a lo largo del circuito rural “San José” y el cambio de conductor en el troncal, en una distancia de 10 KM, se logra reducir en un 52% de sus perdidas anuales, el cual tiene una relación costo/beneficio de 334,86%. Caso 3.- Con la instalación de condensadores puros en paralelo, con presencia de carga no lineal, para este caso de estudio, el cliente se ahorra en la facturación 496 kW (pérdidas por mal factor de potencia), pero al mismo tiempo, ENELVEN absorbe 675,61 kW, pérdidas estas a causa de la amplificación de los armónicos de corriente. Caso 4.- Con la instalación de un banco de condensadores en serie de 1,76 MVAR, esta opción es 34% más económica en inversión, que

construir una nueva línea de subtransmisión. Además se reduce en un 12% las pérdidas de la línea y se mejoran los perfiles de tensión. 7. CONCLUSIONES De la experiencia de la compensación reactiva pura, en los circuitos de distribución, representada en dos casos uno urbano y otro rural, se ve como existe una reducción de pérdidas de 9% y 52% respectivamente. Se demuestra, como la instalación de bancos de condensadores puros, en sitios donde hay altos porcentajes de carga no lineal, las pérdidas se amplifican y son desplazadas desde los clientes hacia las empresas eléctricas. Para el caso de la compensación serie, resulta ser 34% más económica, que una solución tradicional de construir una nueva línea, además de reducir en un 12% las pérdidas de la línea. Como se observa, los diferentes métodos de compensación reactiva, causan tanto beneficios como daños, si no se analiza con detalle, el sistema de potencia donde se instalará. 8. REFERENCIAS 1. “Electrical Transmission & Distribution –

Reference Book”, Central Station Engineers of the Westinghouse Electric Corporation.

2. “Ventajas Económicas y Aplicación de

Condensadores en Sistemas Eléctricos” McGRAW-EDISON COMPANY – Power Systems Division.

3. Augusto Abreu M. – Claudia Ochoa O. - José

Villalobos B. “Cargas Industriales: Fuentes de Problemas de Calidad de Potencia en el Sistema Eléctrico de ENELVEN”. Trabajo publicado en el I Conferencia Internacional del Area Andina del IEEE (IEEE-ANDESCON 99), Porlamar, Isla de Margarita - Venezuela, Septiembre1999.

Circuito Urbano (Rotaria)

Circuito Rotaria S/E Sibucara

Lecturas Actuales desde el 18/02/98 al 22/02/98

600.00

1200.00

1800.00

2400.00

3000.00

3600.00

4200.00

4800.00

5400.00

6000.00

6600.00

7200.00

7800.00

8400.00

9000.00

9600.00

10200.00

10800.00

11400.00

12000.00

12600.00

13200.00

13800.00

01:00

05:00

09:00

13:00

17:00

21:00

03:00

07:00

11:00

15:00

19:00

01:00

05:00

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03:00

07:00

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15:00

19:00

01:00

05:00

09:00

13:00

17:00

21:00

P(Kw)Q(Kvars)S(Kva)

18/02/98 22/02/98

S/E Sibucara

NO7C04 600 Kvar

O11I04 600 Kvar Fijo

P11H03 1200 Kvar

R11G01 600 Kvar O09L01

600 Kvar Fijo

Realizado Por: Keidy Ferrer Revisado Por: Jesús Chirinos

ANEXO 1

Circuito Rural (San José)

Realizado Por: Keidy Ferrer Revisado Por: Augusto Abreu

Banco Suichable de 3x200 Kvar

Banco Suichable de 3x200 Kvar

Banco Fijo 3x200 Kvar

Banco Fijo 3x400 Kvar

Banco Fijo 3x400 Kvar

S/E Machiques

Banco Desconectable 3x200 Kvar

Circuito San José

0.00

600.00

1200.00

1800.00

2400.00

3000.00

3600.00

4200.00

4800.00

5400.00

6000.00

6600.00

7200.00

7800.00

8400.00

9000.00

9600.00

10200.00

10800.00

11400.00

12:50

p.m.

04:50

p.m.

08:50

p.m.

12:50

a.m.

04:50

a.m.

08:50

a.m.

12:50

p.m.

04:50

p.m.

08:50

p.m.

12:50

a.m.

04:50

a.m.

08:50

a.m.

12:50

p.m.

04:50

p.m.

08:50

p.m.

12:50

a.m.

04:50

a.m.

08:50

a.m.

12:50

p.m.

04:50

p.m.

08:50

p.m.

12:50

a.m.

04:50

a.m.

08:50

a.m.

12:50

p.m.

04:50

p.m.

08:50

p.m.

12:50

a.m.

04:50

a.m.

08:50

a.m.

12:50

p.m.

04:50

p.m.

08:50

p.m.

12:50

a.m.

04:50

a.m.

08:50

a.m.

12:50

p.m.

04:50

p.m.

08:50

p.m.

12:50

a.m.

04:50

a.m.

08:50

a.m.

Hora

P (kW)Q (kVARs)S (kVA)

18-2-98 24-2-

ANEXO 2

INCREMENTO DEL RESPALDO DE LA CARGA SERVIDA POR LA S/E LA PAZ A TRAVES DEL ANILLO

LA PAZ-CERRO COCHINO-MARA UTILIZANDO COMPENSACION REACTIVA EN SERIE

CONDENSADOR EN SERIE DE 1764,3 KVAR DE 9,41 OHM

Concepción

23,9 kV 6,9 kV 6,9 kV

La Paz

Regulador

23,9 kV

34,5 kV

Conjunto de TX

3 MVA

Mara

23,9 kV

20 MVA

138 kV

23 KM 18 KM

23,9 kV ELIMINACION DE S/E CERRO COCHINO Y

CAMBIO DE TENSIO A 23,9 kV

3,75 MVA

138 kV

Concepción La Paz Mara

23,9 kV

Regulador 23,9 kV

23,9 kV 138 kV

6,9 kV

34,5 kV

6,9 kV

10 MVA

3,75 MVA 40 MVA

18 KM

15 KM 8 KM 20 MVA

34,5 kV

Cerro Cochino

ANEXO 3