Proyecto Final LABORATORIO Potencia

Universidad Tecnológica de PanamáFacultad de Ingeniería Eléctrica

Ingeniería electromecánicaLaboratorio de Sistemas de Potencia

Instructor: Juan José Quintero B.

Proyecto FinalLABORATORIO # 7 SISTEMA DE 5 BARRAS

Fecha de entrega: 8 de noviembre de 2014Grupo de 3 personas

Integrantes:

Objetivos

Que el estudiante aplique los conocimientos adquiridos paraproblemas de mayor complejidad.

Comprender el concepto de compensación capacitiva en serie. Observar el efecto del desfase en los transformadores. Comparar las técnicas de compensación.

Procedimiento y Análisis

1. Observe la simulación del archivo 5barras – Case: 5 barras.Haga una impresión, apoyándose en el case information y limitmonitoring settings, de los estados de los buses. ¿Están todosdentro del límite establecido? ¿Cuál es el límite mínimo?Sustente las respuestas y presente una imagen del estado delos buses.

Todos los buses a excepción del bus2 están dentro de los límitesestablecidos.

El bus 2 está por debajo del límite permitido.




Vmin=(0.90 )∗(345kV )=310.50kV

2. Luego de haber observado el comportamiento de la simulación,en el caso de que los valores no se encuentren dentro de loslímites, ¿Cómo solucionaría los mismos? Implemente susolución, muestre los resultados apoyándose en el caseinformation y añada una imagen de la simulación con el estadode los buses. Explique por qué su solución es válida.

Nuestra solución sería colocar un banco de capacitores en paraleloa la carga del bus2.

Pensamos que es una solución válida porque al este suministrar lapotencia reactiva a la carga, el voltaje en el bus2 se eleva hastaun valor dentro de los límites establecidos.




3. De acuerdo a la norma americana para trasformadores delta –estrella o estrella – delta el voltaje y la corriente dealta, adelanta en 30º al voltaje y la corriente del lado debaja. Realice los cambios de ángulo de los trasformadores enla simulación. Con ayuda del case information, revise losestados de los buses. ¿Afecta a la potencia entregada loscambios en los ángulos de los transformadores? Expliquematemáticamente su respuesta.

El desfasamiento del ángulo de los transformadores no afectalos flujos de potencia real y reactiva porque eldesfasamiento que tiene la corriente se compensa con el delvoltaje dentro del conjunto de valores de potenciainvolucrados.

Después de diversos análisis se llegó a la conclusión de queno importa si el transformador esta en delta- estrella oestrella-delta para los efectos del cálculo de potencia.

Sec(+) Sec(-)

VA=¿N1

N2√3Va∠30° ¿

VA=¿

N1

N2√3Va∠−30°¿




La relación de voltaje línea a línea nominal del devanado enestrella al voltaje línea a línea nominal del devanado en delta es

igual a √3N1

N2 . Así cuando seleccionamos las bases del

voltaje línea a línea sobre los 2 devanados del transformador conesa misma relación obtendríamos en p.u.:

VA=Va∗1∠30°IA=Ia∗1∠30° sec(+)

VA=Va∗1∠−30°IA=Ia∗1∠−30° sec(-)

P=V∗I

Usando los voltajes antes y después de desfasar el ángulo queda:

P=(VA ) (IA )=[ (Va) (1∠30° )] [(Ia)(1∠30°)]=VaIa

P=(VA ) (IA )=(V¿¿a∠30°)∗(I¿¿a∠−30°)=VaIa¿¿

4. Abra el documento 5barrasSeriesCapacitor. En el mismo loscapacitores en serie se encuentran en servicio. Cambie esteestado a Bypassed. Observe el estado de los buses. Ahoracolóquelo nuevamente en servicio y observe las diferencias.¿Qué observa usted que ha ocurrido en el sistema? Explique elefecto de los capacitores.

Estado de los Buses con Capacitores en Serie fuera de Servicio




Estado de los Buses con Capacitores en Serie en Servicio

Podemos observar las variaciones que tenemos en los buses alconectar y desconectar los capacitores en serie, a su vez tener enclaro el funcionamiento de los mismos. Al tener los capacitores enserie fuera de servicio vemos que se da una reducción notable enlos buses, dejando estos valores fuera de los límites permitidos;mientras que al ponerlos en servicio se regulan los voltajes ytenemos una mayor estabilidad en nuestro sistema de potencia.

Para explicar el funcionamiento de los capacitores en serie esbueno referirnos primero a los capacitores en paralelo, donde comoya sabemos los mismos se encargan de suplir la potencia reactivade nuestras cargas y darnos así mejores valores en los voltajes,menores flujos de corriente y menores pérdidas en el sistema. Alutilizar capacitores en serie obtenemos casi los mismos efectospara nuestro sistema; tendremos mejoras en los voltajes, en elfactor de potencia y mayor transferencia de potencia en la línea.

Todos los cambios se deben a que a diferencia de los capacitoresen paralelo que suplen la potencia reactiva de nuestra carga, loscapacitores en serie reducen lo que es la reactancia inductiva dela línea y así tenemos un sistema de potencia con mayorestabilidad.

5. Utilizando la ecuación: %deCompensación=2Xbanco

Xlínea∙100.

Determine el porcentaje de compensación que se ha logrado en




la línea con la inclusión de los bancos de capacitores enserie. Mencione al menos dos consideraciones que según susanálisis deben tener el sistema al colocar capacitores enserie.

%deCompensación=2Xbanco

Xlínea∙100

%deCompensación=(2)(0.015)0.05

∙100

%deCompensación=60%

Entre las principales consideraciones que podemos mencionartenemos:

Basándonos en el funcionamiento de los generadores delsistema deberíamos considerar principalmente comotrabaja el mismo, es decir si se encuentra operandosobre-excitado o bajo excitado. Viendo esto podríamosdecir que al mantener nuestro sistema sin capacitores enserie el mismo estaría operando de manera sobre-excitada, mientras que al introducir dichos capacitoresoperaría bajo excitado puesto que se están reduciendolos consumos de las líneas de transmisión.

Al tomar en cuenta las líneas de transmisión del sistemadebemos ver como es el comportamiento de la misma yobservar inicialmente las cantidades de pérdidas depotencia que tenemos en ellas, tanto las reales como lasreactivas.

Para las líneas de transmisión también es bueno fijarnosen su impedancia, ya que de la misma depende parte de laestabilidad de nuestro sistema. Generalmente laresistencia de las líneas son muy bajas y tienden adespreciarse, en cambio las reactancias inductivaspueden ser tan altas que exigen cierta compensación parael mejoramiento de nuestros sistemas de potencia. Siendo




una opción de compensación para las líneas detransmisión, la introducción de los bancos decapacitores en serie.

6. Abra el ejemplo 5barrasx2lineas. En el mismo se observa quese ha colocado una línea en paralelo a la línea original queva de la barra 2 a la 4. Si desconecta la línea, tenemos lasituación original, mientras que si se cierran losinterruptores, se observa que el voltaje de la barra 2 es0,96 pu. Explique cómo al colocar la línea se puede lograruna compensación en el sistema. Básese en los principios decircuitos para explicar su respuesta. Además de la ventaja dela compensación mencione algunas otras ventajas de colocar lalínea en paralelo. ¿Existe alguna desventaja? Si es así,menciónela.

El colocar una línea en paralelo nos permite lograr unacompensación en el sistema primero por lo que conocemos porcircuitos, que 2 impedancias del mismo valor en paralelo producenuna impedancia equivalente con la mitad del valor original.

Zeq=(1Z+

1Z )

−1=Z2

Y segundo porque las líneas en paralelo producen un efectocapacitivo que suple potencia reactiva al sistema.




Ambas circunstancias proporcionan menores perdidas en la línea einyectan potencia reactiva lo que ayuda a aumentar el voltaje enlos buses.

Otra ventaja de colocar líneas en paralelo es que si una falla sepuede seguir transmitiendo potencia por la otra haciendo losajustes necesarios.

7. Con respecto a los transformadores regulantes, ¿cree ustedque variar la relación de vueltas podrá mejorar los valoresde los buses en el sistema? Explique su respuesta.

La mayoría de los transformadores suministran derivacionessobre los devanados, todo esto con el fin de ajustar larelación de transformación (con el cambio de las tomas).

El transformador cambiador de toma con carga (LTC) otransformador cambiador de toma sobre carga (TCUL), es aquelen donde se puede hacer un cambio en la toma mientras eltransformador está energizado. Esta derivación de LTC es laque utilizamos para variar la relación de vueltas en lostransformadores regulantes, que como ya sabemos son aquellosdiseñados para ajustes de voltaje en pequeñas cantidades.

Sabiendo esto podemos decir que efectivamente en lostransformadores regulantes la variación de vueltas si nosayudaría a mejorar los valores de los buses en el sistema,pero todo depende de los ajustes que hagamos al mismo. Esbueno mencionar que los transformadores regulantes paraajustar la magnitud del voltaje pueden colocarse en unextremo de la línea, haciendo con esto que la línea transmitauna potencia reactiva alta o baja.

8. Abra el caso 5barratapregulator. En el mismo se observa eluso de transformadores regulantes en donde se varía el tap(relación de vueltas). Plantee en qué relación de tap se




logra voltajes en todas las barras adecuados para el sistemay presente una imagen con los voltajes de las barras.

Valores de los Tap para Voltajes correctos en los Buses

Estados de los Buses con Transformador Regulante

Un Transformador Regulante nos es de gran ayuda en nuestrossistemas de potencia, ya que el mismo nos permite hacer unaserie de reducciones en la tensión y de igual forma controlarel ángulo de fase de la misma. Podemos hacer las regulacionescon ayuda del ángulo de desfasamiento o de la derivación LTC,de acuerdo a estas variaciones así mismo serán nuestroscambios en el sistema.




Esta serie de reducciones en la magnitud son pequeñas, esdecir que nos sirve para regular nuestro sistema en pequeñascantidades, que es lo que hemos hecho en esta parte. Dondepodemos observar como al hacer pequeñas variaciones del tapnuestro sistema es estabilizado, es decir que los voltajes delos buses se encuentran dentro de los límites permisibles.

9. De los casos observados, analice cuál de ellos es el más ymenos ventajoso. Presente un análisis individual y expliquesu respuesta de acuerdo a distintos puntos de vista y no sebasen solamente en la eficiencia de la línea.

Capacitores en Serie:

Como hemos podido aprender durante la experiencia loscapacitores en serie se encargan de compensar las caídas devoltaje de las líneas de transmisión, provocando mejoras enla regulación del voltaje, en el factor de potencia y en elaumento de la transferencia de potencia.

Estos capacitores se encargan de introducir reactanciacapacitiva (negativa) a la línea, en donde tenemos reactanciainductiva (positiva). Al ser colocados en serie en nuestraslíneas de transmisión nos ayudan a reducir la impedancia dela misma, permitiéndonos así regular el voltaje y aldisminuir la caída de voltaje en la línea permite aumentar latransferencia de potencia.

Una de las ventajas al utilizar los capacitores en serie esque al aumentar la transferencia de potencia a través de lalínea nos permiten un aprovechamiento más eficiente de lamisma, así como pospone inversiones de capital en laadquisición de nuevos equipos como generadores, líneas, entreotros.

Mientras que por otro lado tenemos una gran desventaja por lautilización de estos dispositivos y es que los circuitos que




tienen reactancia inductiva en serie con reactanciacapacitiva pueden formar un circuito resonante serie con unafrecuencia resonante. Esto se puede dar con cualquier tipo dedisturbio en nuestro sistema como cambios súbitos de carga yfallas en el mismo.

Ya sabemos que al insertar capacitores en serie la potenciade transmisión aumenta, el voltaje generado usualmentedisminuye y la corriente aumenta, por lo que hay que analizarsi el cable puede soportar dicha corriente. De igual formaobservamos que la inserción del capacitor altera nuestrofactor de potencia, por lo que es necesario realizardetenidamente el estudio del capacitor para no variar muchonuestro factor de potencia.

La principal desventaja de la utilización de estosdispositivos es que un capacitor serie no es fácil decontrolar, además de que requiere de otros dispositivosautomáticos de protección para desviar las altas corrientesdurante fallas. Estos capacitores en serie provocanoscilaciones de baja frecuencia las cuales pueden dañar losgeneradores de nuestros sistemas.

Analizando detenidamente la utlización de capacitores enserie podemos ver que no sería de los más eficientes paranuestros sistemas, ya que generalmente se basa en el aumentode la transferencia de potencia, más no en las pérdidas y enel flujo de corriente. De igual manera vemos que podríamosafectar nuestro sistema notablemente con el cambio del factorde potencia.

Uso de transformadores regulantes en donde se varía el tap(relación de vueltas):

Haciendo un análisis individual desde el punto de vista de lautilización de un transformador regulante en donde se varíeel tap o toma o por decirlo de otra manera, la relación devueltas, como ya hemos podido darnos cuenta a lo largo de la




carrera en un sistema eléctrico o mejor dicho un sistema depotencia los valores de las tensiones o voltajes no son losmismos que se requieren en cada punto de la red o sistema,principalmente por variación de la carga, ya sea por la horadel día o por algún otro motivo, ya que las caídas o subidasde voltajes dependen de la demanda que tengamos en el puntode alimentación y del valor de la carga propiamentealimentada. Por ende la mayoría de los transformadores adiferencia de los que hemos visto en el salón de clases, notienen una relación de transformación fija, entonces estasvariaciones en la transformación de tensión que pueden lograrestas máquinas eléctricas las podemos lograr utilizando unaserie de taps o cambiadores de derivación, estos dispositivoslo que hacen es que cambian la posición para así modificar elnúmero de espiras, normalmente estos taps se colocan en ledevanado de alto voltaje o lado de alta, aunque tambiénpueden colocarse en el lado de baja.

Sin embargo viendo este caso desde el punto de vistaeconómico, no es indiferente el empleo o colocar los tomas encualquiera de los 2 devanados, ya que no es nada económico ypor ende no es rentable ponerlos en el lado de baja o, paraser más generales colocarlos devanados con tensionesrelativamente bajas. Los taps deberían colocarse paraelevadas tensiones.

Si ambos, quiero decir primario y secundario son para altastensiones desde el punto de vista del tap es aceptable por nodecir rentable ponerlo en cualquiera de los 2 devanados.Aunque si este caso se nos presenta es preferible colocar eltap en el lado de donde queremos hacer una variación en latensión. El objetivo es poder llevar al transformador a unaoperación con la mayor economía, trabajando, en todos loscasos, con la misma inducción. Disminuir las pérdidas tantoenergéticas como económicas, desde todos los puntos de vistaesto es lo que queremos lograr.




Líneas en Paralelo:

Para el caso de las líneas en paralelo debemos analizar muybien lo que deseamos hacer ya que representan una granventaja en eficiencia pero a un alto costo.

Entonces basándonos en un buen estudio del proyecto, lainversión, la geografía de la zona y la potencia a trasmitirpodemos decidir si usar este método.

Como parte de las ventajas de este método tenemos que reducela impedancia de la línea a la mitad de su valor,permitiéndonos esto transmitir mayor potencia real y potenciaaparente ya que las pérdidas en estas se reducen. Tambiénbeneficia el valor de los voltajes en los buses ya que estosno disminuyen tanto de su valor nominal. Manteniéndose enniveles más aceptables.

Otra ventaja que proporciona este método es el efectocapacitivo que proveen al sistema de potencia aparente. Deesta manera se elevan los voltajes de los buses y la potenciaa transmitir no es tan grande lo que incurre en menospérdidas.

La desventaja de este método es el doble costo de inversiónal ser el doble del cableado necesario y la adaptación delsistema de postes y sujeciones por ser mayor el peso de loscables y el espacio que ocuparan.

10. Por último presente una breve conclusión de laexperiencia.

Grandes cantidades de potencia pueden ser transmitidaseficientemente, dentro de valores de voltajes deseados, si seaplica la compensación serie la líneas de transmisión, estoselementos compensadores se deben colocar en ciertos puntos a lolargo de la línea. La compensación serie nos sirve para reducir la




impedancia serie de la línea, impedancia de la línea es elprincipal factor en la caída de voltaje y la característica masimportante en la búsqueda de lograr transmitir la mayor potenciaposible a través de la línea de transmisión.

Con la realización de este proyecto final de la asignatura desistemas de potencia hemos logrado aplicar los conocimientosadquiridos a través del semestre, tanto lo aprendido al utilizarel programa power world simulator como en el salón de clases.

También hemos logrado darnos cuenta de la importancia que tiene lacompensación capacitiva en serie en un sistema de potencia, ya quecomo futuros ingenieros eléctricos de este país debemos conocermuy bien los métodos y las soluciones para resolver problemas yhacer proyectos con miras hacia una producción y transmisióneficiente y a bajos costos de la energía eléctrica. Es deimportancia esta compensación ya que los grandes parquesgeneradores de energía como lo son las hidroeléctricas en el áreade Chiriquí y bocas del toro están localizados a muchos kilómetrosde distancia de las grandes cargas como lo son la ciudad capital yla provincia de colon y se debe transmitir esta energía, estapotencia electricq generada a dichos centros de cargas.

Con respecto al efecto en el desfase de los transformadores esteno afecta los flujos de potencia real y reactiva porque eldesfasamiento que tiene la corriente se compensa con el delvoltaje dentro del rango de valores de potencia que queremos.

Bueno a mí por todo lo expuesto anteriormente me parece que lamejor técnica para compensar es el uso de capacitores en serie,viéndolo desde una perspectiva económica es más rentable el uso decapacitores que la construcción de líneas en paralelo y además esmás sencillo y rápido.

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