Por Héctor O. Pascual, Luis D. Bellomo, Omar A. Fata, Ariel A. Albanese, Luis L. Neira, Francisco A. Pérez, Federico Schattenhoffer
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Palabras clave:Desbalance, homopolar, algoritmo genético, mediciones. ResumenCon el objeto de complementar el trabajo [1] y teniendo en cuenta que por el tipo de conexionado utilizado en el sistema de distribución de baja tensión en la República Argentina (sistema trifásico con retorno por neutro) pueden aparecer componentes de secuencia homopolar, el objeto del presente trabajo es mostrar cuales son los márgenes del factor de desbalance homopolar que aparecen y/o podrían aparecer en el sistema de distribución sin violar la reglamentación nacional vigente al respecto. En tal sentido, y teniendo en cuenta la metodología utilizada por las distribuidoras de energía eléctrica para acotar el desbalance, se determina el máximo valor posible que podría alcanzar la relación porcentual entre la componente de secuencia cero y positiva (relación empleada por IEC para evaluar el desbalance junto con la relación entre la componente de secuencia negativa y positiva), utilizando como herramienta un algoritmo genético diseñado específicamente para cumplir con lo propuesto. Además se muestran una serie de mediciones del factor de desbalance homopolar, obtenidas en distintos puntos del sistema de distribución eléctrica de baja tensión en Argentina. Introducción En los sistemas trifásicos el desbalance se produce cuando las tensiones de fase se apartan de su valor nominal y/o cuando los ángulos de separación entre los fasores que representan la tensión de cada fase, se apartan del valor correspondiente a los 120º entre ellos. Evaluación del desbalance y normativaPara el presente trabajo se evalúa el desbalance teniendo en cuenta la metodología propuesta por la normativa IEC [2], en la cual se establece que factor de desbalance homopolar en la tensión Fdvh, en un sistema trifásico, se obtiene a través de la relación entre la magnitud de la componente de secuencia homopolar y la magnitud de la componente de secuencia positiva, expresada como porcentaje (1). Siendo el factor de desbalance Fdvh el objeto de análisis del presente trabajo. El cálculo de las componentes de secuencias positiva, negativa y homopolar se efectúa a través de la aplicación del teorema de Fortescue [3] y estarán dadas por la expresión (2). En esta última “a” es un operador que genera una rotación de 120 º en la dirección contraria a la de las agujas de un reloj. Por otro lado, en nuestro país la normativa nacional [4], a través de los correspondientes contratos de concesión de las diferentes empresas distribuidoras del país, acota los factores de desbalance en la tensión (correspondientes a secuencia negativa y homopolar) de manera indirecta a través de limitar los niveles máximos y mínimos de las tensiones de cada fase. Tomando como ejemplo lo establecido en el contrato de concesión que regula la explotación del sistema de distribución eléctrica de la ciudad de La Plata, dependiente de la empresa EDELAP, las variaciones porcentuales de tensión admitidas para la etapa de régimen se detallan en tabla 1. Identificación de las variables que afectan al factor de desbalancePara el desarrollo del algoritmo que permita obtener el máximo factor de desbalance homopolar que podría aparecer en la red de distribución de baja tensión, se tienen en cuenta seis variables, que son: las variaciones de las tres tensiones de fase y los apartamientos angulares de cada una de las fases respecto a los 120º de separación que debería existir entre las mismas para conformar un sistema balanceado. Rango de variación de las tensiones de las distintas fases Ya que la normativa nacional acota las variaciones porcentuales de las tensiones de fase, como se puede apreciar en la tabla 1, estos son los limites de variaciones de tensiones, utilizados para cada una de las fases en el presente estudio.
Rango de variación en los ángulos para las diferentes fases En relación con los límites de la variación angular, en su apartamiento de los 120º que deberían tener teóricamente los fasores entre sí, para componer un sistema trifásico balanceado, la normativa nacional no fija ningún rango al respecto. La circulación de corriente por los conductores de las líneas de distribución provoca una caída de tensión en ellos, que puede llevar a un desfasaje entre el fasor de tensión en el punto de alimentación de la línea (Vf) y el fasor tomado en el punto de alimentación de la carga (Vc) (ver figura 1). El citado desfasaje dependerá de las características de la línea y del tipo de carga conectada a ella. Además, para el cálculo del posible rango de variación angular se considera lo siguiente:
Los resultados del análisis efectuado se resumen en la tabla 2, en la cual se aprecian los rangos de variación angular entre los fasores Vf y Vc para algunos tipos de líneas empleadas en los sistemas de distribución eléctrica de baja tensión de la República Argentina. Determinación del valor máximo del factor de desbalance Considerando que las variables que se encuentran involucradas en el cálculo del factor de desbalance homopolar Fdvh son seis, se adopta como herramienta para obtener el máximo de dicho factor un algoritmo genético, el cual fue desarrollado específicamente para cumplir con el objetivo buscado en el presente trabajo. El algoritmo genético desarrollado posee las siguientes características generales:
En la tabla 3 es posible apreciar el valor máximo que podría tomar el factor de desbalance homopolar Fdvh para cada una de las líneas de distribución de baja tensión consideradas en la tabla 2. Teniendo en cuenta la alteración de las variables involucradas de acuerdo con lo estipulado en el ítem anterior, en el cual se establecen los márgenes de variación de tensión y ángulos, sin violar la reglamentación vigente al respecto en la República Argentina. Es oportuno aclarar que la condición teórica del sistema eléctrico que permitiría alcanzar los valores de máxima correspondiente al factor de desbalance y mostrados en la tabla 3, tiene baja probabilidad de suceder en condiciones reales de explotación, en virtud de la combinación de situaciones que deberían darse para generar un sistema trifásico con las características mencionadas en dicha tabla. Lo dicho no invalida el hecho de que producto de la distribución incorrecta de cargas monofásicas en el sistema y/o por una alimentación a la líneas de distribución con características deficientes, lleve a valores del factor de desbalance homopolar Fdvh que provoquen inconvenientes en los clientes trifásicos conectados al mismo. Para todas las líneas de distribución mostradas en la tabla 3, el valor máximo del factor de desbalance homopolar Fdvh que podría presentarse si no se considera un desvío angular (Vf - Vc) para ninguna de las fases, y solo se contemplan las variaciones de tensión permitidas en la reglamentación vigente, (± 8,0% de la tensión nominal de 220 V), sería de 5,47%, con las siguientes tensiones en cada una de las fases: fase 1= 202,4 V, fase 2= 202,4 V y fase 3=237,6 V. Datos provenientes de medicionesCon el objeto de tener una idea acerca de los valores de Fdvh que pueden presentarse en Argentina, se efectuaron una serie de mediciones en diferentes puntos de las redes de distribución de la ciudad de La Plata, provincia de Buenos Aires, y de la ciudad de Concordia, provincia de Entre Rios, obteniéndose los resultados mostrados en la tabla 4. Estas mediciones se efectuaron en ocho puntos elegidos aleatoriamente en cada una de las redes de distribución de baja tensión y en diferentes horarios del día. El equipamiento utilizado para realizarlas fue en el caso de La Plata un analizador de calidad de potencia trifásico marca: Dranetz-BMI, modelo: Power Guia 440S, y para el caso de Concordia se utilizó un analizador de calidad de potencia trifásico marca Fluke, modelo 435, tomándose para todos los casos un periodo de medición no inferior a 25 minutos. Conclusión En la actualidad la reglamentación Argentina permite que el factor de desbalance homopolar Fdvh pueda tomar valores como los mostrados en la tabla 3. En esta tabla es posible apreciar que los valores máximos del Fdvh que podrían aparecer en el sistema eléctrico de distribución, arrojan un valor promedio de 9,89%. Si no se contempla la variación angular determinada en la tabla 2 y solo se tiene en cuenta las variaciones de la tensión en las diferentes fases, el máximo posible del Fdvh sería de 5,47%. En virtud de lo mencionado, consideramos recomendable ahondar en el análisis cuantitativo, sobre cuáles son los inconvenientes que ocasionan las componentes homopolares en diferentes equipos y cargas asociadas con el sistema eléctrico de distribución. Esto con el objeto de acotar directamente, si corresponde, los límites del factor de desbalance homopolar para evitar un uso poco eficiente de la energía. Referencias Pascual H. O.; et alles: “Análisis del Desbalance en Redes de Distribución Argentinas, Contemplando la Reglamentación Nacional Vigente al Respecto,” en Décimo Quinto Encuentro Regional Iberoamericano del CIGRÉ (XV eriac 2013), Foz de Iguazú-PR, Brasil, 19-23 de mayo de 2013. |
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Contactos: H. Pascual, L. Bellomo, O. Fata, A. Albanese, L. Neira, F. Pérez, F. Schattenhoffer |
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