Análisis Esquema de Conexión Transformador de Potencia

 

 

ING. MANUEL CONDE V. C.I.: V-18.078.986.

 ANÁL  AN ÁLIS ISIS IS DE DEL L ES ESQU QUEM EMA A DE CO CONE NEXI XIÓN ÓN DEL DEL TRA TRANSFO NSFORM RMAD ADOR OR DE 300 MVA, 115/34.5 kV. SUBESTACIÓN PRINCIPAL. SIDERÚRGICA NACIONAL.

Informe Técnico Final, Abril del 2013.

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

ÍNDICE GENERAL  1. INTRODUCCIÓN

3

2. ALCANCE

5

3. MODELOS DE CARGAS NO LINEALES

6

3.1. HORNO DE ARCO ELÉCTRICO (EAF) 

6 

6 

3.1.1. Fundamentos teóricos 3.1.2. Datos y especificaciones especificaciones técnicas

13 

3.1.3. Cálculos asociados

17 

3.1.4. Modelo en PSCAD

23 

3.2. HORNO DE CUCHARA (LF) 

27 

3.2.1. Fundamentos teóricos

27 

3.2.2. Datos y especificaciones especificaciones técnicas

28 

3.2.3. Cálculos asociados

30 

3.2.4. Modelo en PSCAD

31 

3.3. REACTORES CONTROLADOS POR TIRISTORES (TCR´S) 

33 

3.3.1. Fundamentos teóricos

33 

3.3.2. Datos y especificaciones especificaciones técnicas

36 

3.3.3. Cálculos asociados

36 

3.3.4. Modelo en PSCAD

39 

4. ESQUEMAS DE SIMULACIÓN, RESULTADOS Y ANÁLISIS RESPECTIVOS 4.1. TX DE 300 MVA CON CONEXIÓN DYN11 Y RESISTOR DE PUESTA A TIERRA  

40 41 

4.1.1. EAF bajo Fundición inicial (Arco activo) activo)

41 

4.1.2. EAF bajo Fundición inicial, con pérdida de un electrodo

44 

4.1.3. EAF bajo Fundición inicial, con una condición de contingenci contingencia a

46 

4.1.4. EAF bajo Refinamiento (Arco estable)

47 

4.2. TX DE 300 MVA CON CONEXIÓN DD0 Y TX ZIG-ZAG DE PUESTA A TIERRA  

50 

4.2.1. EAF bajo Refinamiento Refinamiento

50 

4.2.2. EAF bajo Fundición inicial, con pérdida de un electrodo

50 

4.2.3. EAF bajo Fundición inicial, con una condición de contingenci contingencia a

50 

5. CONCLUSIONES

50

6. RECOMENDACIONES

52

7. LISTA DE REFERENCIAS

52

8. ANEXOS

54 2

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

 ANÁL  AN ÁLIS ISIS IS DE DEL L ES ESQU QUEM EMA A DE CO CONE NEXI XIÓN ÓN DE DEL L TR TRAN ANSF SFOR ORMA MADO DOR R DE 30 300 0 MV MVA, A, 115/34.5 kV. SUBESTACIÓN PRINCIPAL. SIDERÚRGICA NACIONAL. Informe Técnico Final, Abril del 2013. Elaborado por: Ing. Manuel Conde V.

1. INTRODUCCIÓN La red de potencia de los hornos de la Siderúrgica Nacional está conformada, aguas arriba, por una barra con tensión trifásica de 115 kV, que alimenta a un transformador de relación 115/34.5 kV y potencia de 300 MVA. Aguas abajo, con tensión nominal de 34.5 kV y nivel de aislamiento (BIL) de 72.5 kV, se alimenta una barra llamada “Dirty Bus” (Barra sucia). De la cual se derivan los circuitos asociados al Horno de Arco Eléctrico (EAF por sus siglas en inglés), Horno de Cuchara (LF), sistema de Compensación Estática de VAR1  (SVC) y los respectivos filtros pasivos de armónicos. Cada

horno

estará

alimentado

mediante

un

transformador

con

primario en 34.5 kV, siendo el del EAF de 220 MVA, y el del LF de 36 MVA. El

transformador

de

300

MVA

señalado,

fue

definido

en

la

ingeniería básica con un esquema de conexión Dyn11, y una resistencia de puesta a tierra de 400 A, 10 s. Ahora bien, considerando el comportamiento no lineal de cargas de envergadura como lo son el EAF, LF y los dos TCR’s asociados al 1

 El sistema cuenta con dos TCR’s (Reactores Controlados Controlados por Tiristores) de 165 MVAr cada uno. 3

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

sistema SVC, la cantidad de armónicos de corriente en esta red ha de considerarse

elevada.

Adicionalmente,

el

EAF,

bajo

condiciones

específicas de operación (Fundición inicial), representa una carga altamente desbalanceada; siendo p.ej. un caso extremo, la pérdida de un electrodo. Tomando en cuenta estos dos aspectos nocivos para el sistema (armónicos de corriente y desbalances significativos), se crea la preocupación de que el transformador de 300 MVA, con un esquema de conexión Dyn11 y resistencia de puesta a tierra, resulte afectado en función de sus límites operativos. Dicha preocupación se basa en los efectos que los armónicos de corriente y desbalances descritos, pueden tener sobre el transformador y los distintos elementos asociados. Las pérdidas I2R, causadas por el Efecto Joule, son influenciadas por los armónicos de corriente. Al incrementarse el contenido armónico de una onda de corriente se obtienen valores RMS mayores, y por lo tanto mayores pérdidas y aumento de temperatura. Adicionalmente se tiene un incremento en la resistencia de los elementos conductores debido a la dependencia a la frecuencia (Efecto skin). Todo esto puede traer como consecuencia un posible sobrecalentamiento en los devanados del transformador, en la resistencia de puesta a tierra, entre otros. Igualmente el conductor neutro, al ser aterrado, puede también presentar sobrecalentamiento debido a los armónicos de corriente de secuencia cero2. En cuanto a los desbalances, las componentes fundamentales de las corrientes formarán un sistema trifásico desequilibrado, y su sumatoria será distinta de cero. Se pudiera generar entonces una componente fundamental de corriente en el neutro, cuya magnitud será proporcional a los desbalances. Magnitudes elevadas contribuirían al sobrecalentamiento del neutro.

2 Éstos

armónicos de corriente al estar en fase (homopolares), en una conexión Y con el neutro aterrado, son aditivos (por el neutro circulará una corriente igual a 3I0). 4

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

De tal manera que, se hace evidente la necesidad de evaluar este esquema

de

conexión

(Dyn11)

para

el

transformador

de

300

MVA,

determinando si es el más conveniente. En caso de que no lo sea, se deben plantear y estudiar otros esquemas de conexión que optimicen el flujo de armónicos en la red, así como la respuesta frente a desbalances significativos. Teniendo p.ej., una conexión Dd0 con transformador zig-zag de puesta a tierra.

2. ALCANCE En primera instancia, este estudio se encargará de elaborar modelos de las cargas no lineales, que al ser implementados en distintos escenarios de análisis, reflejen un comportamiento lo más cercano posible a las cargas reales proyectadas. Tales escenarios de análisis se plantean en función de las interrogantes descritas en párrafos anteriores, respecto al adecuado funcionamiento o no del transformador de 300 MVA y su esquema de conexión,

bajo

las

características

operativas

de

la

red.

Los

escenarios irán orientados entonces a examinar: -

Cargas operando en estado estable.

-

Condiciones transitorias bajo las cuales se tengan las mayores magnitudes de armónicos de corriente en el sistema.

-

Condiciones transitorias bajo las mayores desbalances en las cargas.

cuales

se

produzcan

los

Toda esta información señalada (modelos de cargas no lineales y escenarios

de

análisis)

se

unifica

mediante

la

herramienta

de

simulación adecuada. Para el estudio en cuestión, se selecciona el software de simulación PSCAD (Power Systems Computer Aided Design, o Diseño asistido por computadora de Sistemas de Potencia), en su versión 4.2. Las diversas posibilidades de análisis en el dominio del tiempo, y capacidades de simulación para eventos transitorios, hacen 5

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

de

PSCAD

el

instrumento

ideal

para

llevar

a

cabo

el

análisis

requerido. En base a los resultados obtenidos mediante el uso de la herramienta de simulación y los análisis respectivos, se toma una decisión

orientada

al

descarte,

aceptación

y/o

modificación

del

esquema de conexión Dyn11. Tales modificaciones también deben ser evaluadas bajo los mismos escenarios de simulación. A

manera

de

resumen

se

plantean

entonces

los

siguientes

objetivos: 1.  Obtener los datos y especificaciones técnicas necesarias. 2.  Plantear los escenarios de análisis. 3.  Realizar cálculos matemáticos y aplicar, en base a éstos, la herramienta de simulación escogida. 4.  Presentar informe con cálculos, conclusiones y características técnicas a ser modificadas en los equipos existentes y/o de nuevos equipos a ser adquiridos.

3. MODELOS DE CARGAS NO LINEALES En esta sección se aglomeran aspectos teóricos y prácticos, necesarios para plantear modelos de las cargas no lineales proyectadas en esta red de potencia. Dichos modelos se elaboran en función de su aplicación en PSCAD.

3.1. HORNO DE ARCO ELÉCTRICO (EAF) Este apartado abarca el transformador del EAF (de 220 MVA) y los distintos elementos que conforman el circuito secundario del horno.

3.1.1. Fundamentos teóricos El EAF es una carga no lineal, es decir, no consume una corriente sinusoidal cuando es alimentado por voltajes sinusoidales de 6

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

la misma frecuencia. Tal como señala la norma IEEE 519-1992 (1993, pág. 7), dicho cambio en la naturaleza de la onda sinusoidal de corriente consumida, resulta en un flujo de armónicos de corriente en el sistema de potencia. Una carga no lineal es considerada entonces como una fuente de armónicos de corriente (distorsión). Un

modelo

adecuado

del

EAF

debe

englobar

sus

distintas

características para las condiciones de operación, definidas por su funcionamiento. Para este modelo, se tomaría en cuenta su respuesta a frecuencia fundamental y respuestas armónicas. La herramienta de simulación (PSCAD) resuelve entonces el circuito mediante el teorema de superposición. Esto implica que se ejecuten cálculos en la red en base a tensiones y corrientes para cada frecuencia de manera separada. La suma de estas respuestas individuales constitu constituye ye la respuesta total del sistema a los armónicos de corriente. En función de la respuesta armónica, Gandhare & Lulekar (2007), desarrollaron

una

investigación

donde

analizan

los

resultados

obtenidos en una acería3. Señalan que los hornos de arco eléctrico, actúan como fuentes de armónicos de corriente del 2do al 9no orden. Con todos los datos recabados concluyeron que los EAF funcionan en dos etapas: 1.  Arco

activo (Inicio de la Fundición):

En esta etapa el horno

acaba de ser cargado con chatarra y la fundición se inicia con un arco eléctrico inestable y aleatorio. La inestabilidad y no linealidad armónicos

son de

mayores,

corriente

al

igual

que

la

magnitud

generados.

Esta

etapa

de

los

comprende

las

condiciones 1 y 2 observadas en la Figura 1, y el inicio de la tercera.

3 La

acería pertenece al Lloyds Group y se encuentra ubicada en Wardha, Estado de Maharashtra, India. Estudiaron dos EAF de corriente alterna de 60 t, 40 MVA, 33/0.545-0.150 kV c/u. 7

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Figura 1: Primeros períodos característicos característicos del funcionamiento de un EAF. Fuente: Electric Furnace Steelmaking, Ciotti & Pelfrey (pág. 40).

2.  Arco

estable:

Cuando el proceso de fundición va progresando, el

arco eléctrico se estabiliza, pero la corriente todavía puede contener distorsiones de baja frecuencia.

La temperatura y el

calor generado por el arco son elevados al momento en que el acero se encuentra en estado líquido, y la conducción térmica es baja. Por lo que las características del arco eléctrico se comienzan

a

resistencia. 

prácticamente

aproximar

La

onda

sinusoidal

al

de

comportamiento

corriente

(muy

poca

lineal

observada distorsión).

de

una

entonces Esta

es

etapa

comprende desde condición 3 de la Figura 1, hasta la última condición operativa mostrada en la Figura 2.

8

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Figura 2: Demás períodos característicos característicos del funcionamiento de un EAF. Fuente: Electric Furnace Steelmaking, Ciotti & Pelfrey (pág. 40).

Para complementar la información dada por Gandhare & Lulekar, se acude a la norma IEEE 519-1992 (1993, págs. 22, 23). En su sección N° 4 titulada “Generación de Armónicos”, presenta una tabla con el contenido armónico típico de las corrientes de un horno de arco usado para la producción de acero, en función de las dos etapas del ciclo de fundición descritas anteriormente. Dicha tabla se muestra a continuación:

Tabla 1: Armónicos de corriente típicos de un horno de arco eléctrico. Fuente: IEEE Std 519-1992 (pág. 23).

 Armó  Ar móni nico co de corr corrie ient nte e en % de la fundamental Condición del Horno Fundición inicial (Arco activo) Refinamiento (Arco estable)

9

Orden del armónico 2 3 4 5 7 7.7 5.8 2.5 4.2 3.1 0.0 2.0 0.0 2.1 0.0

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

La norma hace énfasis en que otros hornos exhibirán modelos algo diferentes de armónicos de corriente, pero los valores dados en la tabla anterior pueden ser usados en estudios de armónicos, si no están disponibles más datos específicos para un horno en particular. En definitiva, un EAF es típicamente modelado mediante fuentes de corriente para estudios de armónicos. Las fuentes de corriente son representadas coeficientes

a

través

de

Fourier

de

las

pueden

series cambiar

de para

Fourier, cada

donde

etapa.

los

Dichos

coeficientes coeficiente s son seleccionados entonces en función de los armónicos de corriente típicos indicados en la Tabla 1. En función de la respuesta fundamental, Vervenne, Van Reusel & Belmans (2006), señalan que un EAF es usualmente representado con una inductancia en serie con una resistencia. Para poder calcular tal impedancia, se deben tratar algunos aspectos teóricos asociados al circuito de potencia del horno. Éste se puede observar en la Figura 3. Se

distinguen

dos

secciones,

la

alimentación

de

potencia

primaria y el circuito secundario, siendo de interés éste último. El circuito secundario del EAF comprende desde la salida de los devanados secundarios de los transformadores de horno, hasta la punta de los electrodos (Ciotti & Pelfrey). Consiste de los siguientes componentes: 1.  El

conexionado

en

delta

de

los

devanados

secundarios

del

transformador de horno. 2.  Los cables flexibles usados para suministrar energía a los electrodos. 3.  Las placas de contacto a las cuales llegan los cables flexibles, para conducir finalmente la corriente hasta el electrodo. 4.  Los electrodos.

10

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Figura 3: Circuito de potencia de un horno de arco eléctrico. Fuente: Electric Furnace Steelmaking, Ciotti & Pelfrey (pág. 29).

En base a los datos y especificaciones técnicas suministradas sobre el EAF y su equipamiento, haciendo uso a su vez de las curvas características de potencia para hornos de arco, mostradas en la Figura 4; los calculados.

valores

de

inductancia

y

resistencia

pueden

ser

Las mencionadas curvas características permiten determinar, en base a un parámetro conocido de la operación real para la cual se proyecta el EAF, otros parámetros operativos de interés, típicos en el funcionamiento del horno. En la Figura 4 se notan tres rangos de operación, que en función del factor de potencia, se describen como: 11

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

a.  Factor de potencia por encima a 0.85, es considerada la región de operación bajo arco activo (inicio de la fundición). b.  La operación para la etapa de arco estable (refinamiento) tiene un factor de potencia que oscila entre 0.80 y 0.65 para hornos de gran tamaño, como el analizado en el presente estudio. c.  La operación con un factor de potencia por debajo de 0.65, es considerada una región de consumo de potencia antieconómica. A pesar de que el arco es estable, las pérdidas en el circuito son muy grandes y hacen que la operación sea ineficiente.

Figura 4: Curvas características de potencia para la operación de hornos de arco eléctrico. Fuente: Electric Furnace Steelmaking, Ciotti & Pelfrey (pág. 37).

12

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

3.1.2. Datos y especificaciones técnicas En la Figura 5 se tiene el esquema de conexión de los elementos que forman al EAF:

Figura 5: Esquema de conexión proyectado para el EAF, de 220 MVA. Fuente: Technical Specification, Specification, Electrical Electrical Equipment and and Automation - SMP (SMS Siemag, Sep. 2009, Rev.0).

El transformador del EAF está proyectado bajo las siguientes especificaciones técnicas:

Tabla 2: Especificaciones técnicas del transformador del EAF. Fuente: Technical Specification, Specification, Electrical Electrical Equipment and and Automation - SMP (SMS Siemag, Sep. 2009, Rev.0).

Transformador del EAF Potencia nominal Voltaje primario de operación Frecuencia Impedancia, aprox.

220 MVA (continuamente) 34,5 kV (+4/-5 %) 60 Hz 10 %

Rango de voltajes secundarios -Potencia constante -Corriente constante

1500 V – 1400 V 1400 V – 900 V

13

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Máxima corriente en secundario Conexión del secundario Cambiador de Taps Número de Taps

90.7 kA Delta ON-LOAD (Bajo carga) 25

Un dato de interés que se puede extraer de la Figura 5, es que la cuba del EAF es aterrada. Lo cual repercute en la magnitud de los armónicos de secuencia cero que pudieran estar presentes en las ondas de corriente de los arcos eléctricos que se generan en el horno. Este aspecto será tratado con mayor profundidad en secciones posteriores del presente informe. Adicionalmente, en la Tabla 3, se presentan las especificaciones técnicas bajo las cuales se proyecta al EAF:

Tabla 3: Especificaciones técnicas del EAF. Fuente: Plant Description and Main Technical Data (SMS Siemag, Sep. 2009, Rev.0).

Item

Unidad

Tipo de Horno Capacidad Potencia del Transformador Potencia Activa (máx.) Temperatura de Operación

t M MVA VA MW °C

Parámetro AC-EAF 200 220 158 1620

En la Figura 6 se puede observar el ciclo de carga completo (perfil de potencia) bajo el cual se espera que el EAF funcione. Gandhare & Lulekar (2007) señalan que la etapa de arco activo tiene una duración de 5 a 8 min, luego de los cuales la corriente retoma su naturaleza sinusoidal, dando inicio a la etapa de arco estable. De tal manera que, en función de la Figura 6, para la etapa de arco activo se tiene entonces un consumo de potencia igual a 90 MW. Para la etapa de arco estable se logra el consumo máximo de potencia, de 158 MW. Estas potencias primarias (curva “Primary MW” en Figura 4) serán utilizadas para el cálculo de las impedancias correspondientes a la respuesta fundamental del horno para cada condición operativa.

14

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Figura 6: Perfil de Potencia del EAF. Fuente: Load & Harmonic Study for SMS Siemag Supply (SMS Siemag, 2011, Rev. 1-00).

En cuanto a la respuesta armónica, las fuentes de corriente a utilizar para su representación, se configuran en PSCAD en base a dos parámetros principales. Uno de ellos es la magnitud (módulo) del armónico de corriente, que se obtiene en base a la Tabla 1. El otro parámetro es el ángulo asociado, el cual debe ser ajustado para que el modelo del horno tenga un comportamiento lo más cercano posible a la realidad. Los ángulos para cada uno de los armónicos de corriente a inyectar, influyen en el grado de desequilibrio que el EAF posee como carga. Afectando evidentemente las componentes de secuencia para cada armónico de corriente. Considerando lo señalado en el párrafo anterior, dichos ángulos se obtienen en base a mediciones realizadas en campo por el autor del presente informe en otro horno en funcionamiento funcionamiento4, para cada condición operativa:

4

 Las mediciones se realizaron en un horno de arco eléctrico sumergido (SEAF), perteneciente a la empresa FerroVen (Grupo FerroAtlántica) ubicada en Pto. Ordaz, Estado Bolívar, Venezuela. El SEAF es de corriente alterna, 36 MVA, 20/0.290-0.170 kV, usado para la producción de Ferromanganeso y Silicomanganeso. 15

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

1.  Fundición

inicial

(Arco

activo):

Las

ondas

de

corriente

registradas en campo, en el lado primario del transformador del horno, para cada fase se muestran en el Anexo A. Corresponden a un arranque del horno, donde las señales capturadas exhiben gran distorsión,

con

desbalances

significativos

entre

las

fases.

Luego del procesamiento y la aplicación del análisis de Fourier con PSCAD, se obtienen los siguientes armónicos de corriente: 

Tabla 4: Armónicos de corriente para muestra en campo del arranque del SEAF bajo arco activo. Fuente: Obtenidos mediante PSCAD. 5 Irms Máx.(A) Ángulo VM  (°) H_I:2

H_I:3

H_I:4

H_I:5

H_I:7

2.  Refinamiento

Fa  Fa  Fb Fc Fa Fb Fc Fa Fb Fc Fa Fb Fc Fa Fb Fc

376.836057 48.71293 34.956745 198.887558 44.424665 28.920427 205.760011 32.487836 25.207871 142.670575 23.855786 17.564649 71.167574 15.520708 7.400131

(Arco estable):

-3.883 -164.160 88.304 155.671 -28.734 99.244 -121.652 80.488 -5.149 -87.346 131.190 31.494 69.780 -131.278 23.730

Las ondas de corriente registradas

en campo, en el lado primario del transformador del horno, para cada fase se muestran en el Anexo B. Se observa poca distorsión en las señales, con un bajo nivel de desequilibrio entre fases. Aplicando el mismo procedimiento, se obtienen los siguientes armónicos de corriente: 

5

 Ángulo cuando la magnitud del armónico de corriente alcanza su máximo valor RMS en la muestra analizada. 16

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Tabla 5: Armónicos de corriente para muestra en campo del SEAF bajo arco estable. Fuente: Obtenidos mediante PSCAD. Irms Máx.(A) Ángulo VM(°) H_I:3

H_I:5

Fa Fb Fc Fa

1.165239 2.751122 2.436059 1.709436

179.937 -127.569 16.137 -143.638

Fb Fc

1.78342 1.516441

-5.457 81.605

3.1.3. Cálculos asociados A

continuación

se

detallan

los

cálculos

realizados

para

determinar los parámetros necesarios para la obtención de la respuesta fundamental y armónica, para cada condición operativa, acorde al modelo del EAF planteado: 1.  Fundición inicial (Arco activo): Para la respuesta fundamental, tal como se explicó, el EAF se representa con una inductancia en serie con una resistencia para cada



fase. Dicha impedancia ( ) corresponde a la Parte 2 (Circuito secundario del horno) de la Figura 3, y se obtiene mediante:

 =  −  

(1)

Donde la , es igual a la impedancia del transformador del EAF y la , se obtiene mediante mediante: :





√ 3  =    Para obtener la

(2)

 , se hace uso de la potencia primaria de 90

MW, que en función de la Figura 6, se conoce que consume el EAF bajo la condición de arco activo. Dicha potencia se debe ubicar en la curva 17

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

respectiva (Primary MW) de la Figura 4. Para ello, se calcula la potencia primaria en valores por unidad (pu). Asumiendo un valor base de 158 MW, es decir, la potencia activa máxima del EAF, se tiene:

 =  90   = 0.57   158  Ahora bien, en base a las curvas características de potencia de (3)

la Figura 4, se determinan los siguientes datos:

 = 0.4     = 0.96  De tal manera que para la condición de arco activo, el EAF es una carga prácticamente resistiva. Es importante aclarar que, tal como señalan Ciotti & Pelfrey (pág. 35), la curva de potencia primaria (Primary MW) de la Figura 4 se obtiene en base a la siguiente ecuación:

( +  + ) ( )   3    =   10

(4)

Donde, en función de la Figura 3: -

 es la resistencia del transformador del EAF.  es la resistencia del circuito secundario del horno.  es la resistencia del arco. Realizando los cálculos en el primario del transformador del

EAF, a 34.5 kV, el valor base para determinar la asume como:

   en amperes se

  =  √ 220  = √  33 3(34. 5 ) ) = 3681.654   18

(5)

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Por consiguiente:

 = (0.4 )(3681.654 ) = 1472.662   Para la corriente de arco ( ) del EAF el valor base, acorde a (6)

los datos de la Tabla 2, se asume como:

á = √ 3(90.7 ) = 157.097   Pudiendo calcular entonces una    para la etapa de arco activo (7)

igual a:

 = (0.4 )(157.097 ) = 62.839   Utilizando la Ecuación 2 para calcular la  , se tiene:  34.5 √ 3  = 1472.662  = 13.526∠16.26° Ω = (12.985+3.787) Ω  Para determinar la  , de la Tabla 2 se conoce que la impedancia (8)

(9)

aproximada del transformador del EAF es de 10 %. Asumiendo una relación

  de 8, acorde a recomendaciones dadas por Ciotti &

 /

Pelfrey (pág. 29), y refiriendo dicha impedancia al lado de alta del transformador (34.5 kV), se tiene:

 ( ) 34. 5   = [(0.012+0.01)] (220 ) = (0.067+0.537) Ω  Calculando finalmen finalmente te  con la Ecuación 1:

, . = (12.91818++ 3.25) Ω  19

(10)

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Ciotti & Pelfrey (pág. 39) señalan que la condición de fundición inicial (arco activo) se realiza a un tap de voltaje intermedio, como p.ej. el tap #3 en un transformador del EAF que tuviese 6 taps. Por lo tanto, considerando la consigna de corriente constante en el rango de voltajes secundarios presentados presentados en la Tabla 2; la relación de voltaje para el transformador del EAF bajo arco activo, se asume en 34.5/1.15 kV. Refiriendo entonces la  al secundario del transformador:



 1. 1 50  ,. = [(12.918+ 918 + 3.25) Ω]  34.5   = (14.353+3.611) Ω 

(11)

Tomando en cuenta que el modelo del EAF es trifásico, los autores referidos explican que en instalaciones de hornos donde los circuitos secundarios de sus transformadores se conectan en delta, numerosas pruebas realizadas y los respectivos resultados obtenidos, indican que los valores de impedancia para cada fase varían entre ±2 al 5 %. De tal manera que la respuesta fundamental del EAF para la condición operativa bajo estudio, queda estructurada acorde a los parámetros de resistencia e inductancia presentados por fase en la siguiente tabla:

Tabla 6: Respuesta fundamental del EAF bajo arco activo.

Fases

Fa (Ref.) Fb (-5%) Fc (+5%)

R (mΩ)

L (µH)

14.353

9.578

13.635

9.098

15.071

10.057

Para la respuesta armónica, los módulos de los armónicos de corriente se calculan en base a la

  obtenida

en la Ecuación 8,

haciendo uso a su vez de los % dados en la Tabla 1. Los ángulos asociados ya fueron discutidos y presentados en párrafos anteriores. De tal manera que la respuesta armónica del EAF para la condición de 20

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

arco activo, se configura acorde a los parámetros dados en la siguiente tabla:

Tabla 7: Respuesta armónica del EAF bajo arco activo. IEEE 519 (% H_I:1) H_I:1

H_I:2

H_I:3

H_I:4

H_I:5

H_I:7

2.  Refinamiento

Fa Fb Fc Fa Fb Fc Fa Fb Fc Fa Fb Fc Fa Fb Fc Fa Fb Fc

Irms (kA)

100

7.7

5.8

2.5

4.2

3.1

Ángulo (°)

62.839 65.981 59.697 4.839 5.081 4.597 3.645 3.827 3.462 1.571 1.649

-3.883 -164.160 88.304 155.671 -28.734 99.244 -121.652 80.488

1.492 2.639 2.771 2.507 1.948 2.045 1.851

-5.149 -87.346 131.190 31.494 69.780 -131.278 23.730

N/A

(Arco estable):

El proceso a seguir para la determinación de la respuesta fundamental del EAF bajo arco estable, es el mismo ya expuesto para la condición de arco activo. En tal sentido, se profundizarán entonces las diferencias en los datos a usar. En primer lugar, la potencia primaria es de 158 MW ó 1.0 pu. En base a las curvas características de potencia de la Figura 4, se determinan los siguientes datos:

 = 1.0     = 0.707  21

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Ciotti & Pelfrey (pág. 35) explican que cuando el horno se opera a un factor de potencia de 0.707, los MW y MVAR’s se igualan, ocurriendo la máxima transferencia de potencia en el sistema para dicho punto de operación.

La

 para la etapa de arco estable es igual a:  = 157.097   Al calcular la   referida al lado primario del transformador del

EAF, se obtiene:

, . = (3.758+ 58 + 3.288) Ω  Los autores referidos, señalan que la condición de refinamiento (arco estable) se realiza al tap de voltaje más elevado. Por lo tanto, considerando la consigna de corriente constante en el rango de voltajes secundarios presentados presentados en la Tabla 2; la relación de voltaje para el transformador del EAF bajo arco estable, se asume en 34.5/1.40

 al secundario del transformador: ,.  = (6.189+5.415) Ω 

kV. Refiriendo entonces la

Finalmente, la respuesta fundamental del EAF para la condición operativa bajo estudio, queda estructurada acorde a los parámetros de resistencia e inductancia presentados por fase en la siguiente tabla:

Tabla 8: Respuesta fundamental del EAF bajo arco estable.

Fases

R (mΩ)

L (µH)

Fa Fb

6.189 6.512

14.36 15.22

Fc

6.343

14.77

22

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

La respuesta armónica del EAF para la condición de arco estable, se configura acorde a los parámetros dados en la siguiente tabla:

Tabla 9: Respuesta armónica del EAF bajo arco estable. IEEE 519 (% H_I:1) H_I:1

H_I:3

H_I:5

Fa Fb Fc Fa Fb Fc Fa Fb Fc

Irms (kA) 157.097 149.456 153.351 3.142 2.989 3.067 3.299 3.139 3.220

100

2.0

2.1

Ángulo (°) N/A 179.937 -127.569 16.137 -143.638 -5.457 81.605

3.1.4. Modelo en PSCAD En el Anexo C se presenta el esquema general de simulación que se realiza con el software PSCAD. Éste esquema se va adecuando en función de los distintos escenarios de análisis planteados. Para ello se van modificando algunos de los elementos que componen dicho esquema, donde tales modificaciones serán detalladas en secciones posteriores del presente informe. En el anexo en cuestión se observan varios componentes que conforman la red de potencia bajo estudio, desde el equivalente de la red externa de alimentación, hasta las distintas cargas proyectadas. Entre ellas se tiene al EAF, que se muestra en la Figura 7. En primer lugar, se puede observar el transformador del EAF. Éste se configura en función de las especificaciones técnicas dadas en la Tabla 2. El esquema de conexión es Dd0, y la relación de voltaje para este caso en particular es de 34.5 kV/1150 V, que corresponde a la condición de arco activo.

23

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Figura 7: Modelo del EAF en PSCAD.

Adicionalmente se tiene el módulo del EAF, que corresponde a un bloque titulado “Arm I EAF”. Los módulos son definidos en PSCAD como un tipo especial de componente, donde la función básica del modelo se describe mediante una combinación de otros componentes básicos. Es decir, dentro de dicho bloque se combinan distintos elementos que conforman la respuesta fundamental y armónica del modelo del EAF, en función de los cálculos asociados descritos. Lo cual se puede apreciar en la siguiente figura: h i 1t

h i2t

   F    A    E _   a    i

1  4  .  3   5   3   [   m  o h  m  ]  

   F    A    E _    b    i    F    A    E _   a   v

   ]    H   u    [    8    7    5  .    9

h i3t

1   3  .  6   3   5   [   m  o h  m  ]  

   F    A    E _   c    i

1   5  .  0  7  1   [   m  o h  m  ]  

   ]    H   u    [    8    9    0  .    9

   ]    H   u    [    7    5    0  .    0    1

i    0   _ E  A  F 

Figura 8: Respuesta fundamental y armónica del modelo del EAF en PSCAD. 24

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Se observa la respuesta fundamental por fase representada en una impedancia (R-L), que para el caso particular de la Figura 8, comprende la condición operativa de arco activo. Los parámetros se extraen de la Tabla 6.

En cuanto a la respuesta armónica se tienen las fuentes de corriente asociadas, que para la condición de arco activo, se configuran con los datos de la Tabla 7 (Módulo y ángulo). Otro parámetro de interés requerido para el ajuste de las fuentes de corriente es la frecuencia, la cual es dependiente del armónico de corriente a inyectar, p.ej. 5to armónico, su frecuencia es de 300 Hz. Las fuentes se colocan en orden consecutivo, donde la inmediatamente próxima

a

la

impedancia

corresponde

al

2do

armónico

(120

Hz),

incrementándose sucesivamente la frecuencia hasta el 7mo armónico. En

la

Figura

8

también

se

muestran

algunas

señales

de

adquisición de datos. Éstas se denominan “ia_EAF” y “va_EAF”, para la fase a, y tal como indican sus nombres permiten obtener corrientes y tensiones respectivamente en valores instantáneos. Dichas señales son graficadas facilitando los análisis necesarios para los escenarios de simulación planteados. A su vez, la señal “va_EAF” se utiliza como parámetro de entrada de un componente de PSCAD denominado “Medidor de Valor Eficaz (RMS)”, para obtener entonces el valor eficaz (True RMS) de la onda de tensión del circuito secundario del EAF. Lo cual se detalla en la Figura 9, aclarando que el valor obtenido es un voltaje de fase.

EAF : Va_EAF va_EAF

RMS

Va_EAF

669.593

Figura 9: Obtención de voltaje RMS del circuito secundario del EAF en PSCAD. 25

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Las señales de corriente para cada fase (ia, ib, ic _EAF) se utilizan también para realizar un análisis de Fourier. Esto se logra mediante un componente de PSCAD denominado “Explorador de Frecuencias en Línea”. Dicho componente realiza una transformada rápida de Fourier (FFT), y en el modelo del EAF, se configura para determinar las componentes de secuencia de los armónicos de corriente presentes en las señales para cada fase. La magnitud de los armónicos es en valores RMS y hasta el orden 7. La salida de este componente se observa gráficamente gráficament e en espectros de magnitud, donde en la siguiente figura se coloca como ejemplo la secuencia positiva (Sec+):

XA

Mag+ Mag- Mag0 (7) (7) (7 ) Ph+ (7) F FT

ib_EAF XB

Ph(7)

ia_EAF

ic_EAF XC

F = 60.0 [Hz] d cA cA

dc cB B

Ph0 (7) dc cC C

Sec+ 60.0

0.0

1

2

3

kA

4

5

6

7

[1] 44.9737

Figura 10: Obtención de componentes de secuencia de los armónicos de corriente del EAF en PSCAD.

Es importante mencionar que la norma IEEE 141-1993 (1994, págs. 448, 449) señala que en circuitos trifásicos balanceados, donde las corrientes

son

iguales

y

están

desfasadas

120°

eléctricos,

los

armónicos pueden ser considerados como componentes de secuencia. El segundo armónico tiene 240° eléctricos (en base a 60 Hz) entre sus fasores,

el

tercero

360°

eléctricos,

etc.

Sin

embargo,

si

las

corrientes no son balanceadas, como ocurre con el EAF, cada armónico

26

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

tiene sus propias componentes de secuencia. P.ej., el tercer armónico, a 180 Hz, tendrá su propio grupo de componentes de secuencia.

3.2. HORNO DE CUCHARA (LF) Este apartado abarca el transformador del LF (de 36 MVA) y los distintos elementos que conforman el circuito secundario de este horno.

3.2.1. Fundamentos teóricos El LF, al igual que el EAF, es una carga no lineal. Por lo tanto se considera también como una fuente de armónicos de corriente. Su modelo es muy similar al modelo del EAF ya desarrollado, considerando una respuesta a frecuencia fundamental y respuestas armónicas. Sin embargo existen diferencias en la operación y funciones básicas del LF respecto al EAF, las cuales deben ser profundizadas para realizar las adecuaciones necesarias. El EAF ha evolucionado en un medio rápido y de bajo costo para fundir

chatarra,

con

el

objetivo

principal

de

incrementar

la

productividad. Adicionalmente, operaciones específicas de refinación destinadas a mejorar la calidad del producto son llevadas a cabo, en la mayoría de los casos, en hornos de cuchara (LF). Esto permite que el EAF se concentre en la fundición de la chatarra y la eliminación de impurezas mediante reacciones de oxidación. Ajustes químicos y de temperatura son realizados de manera más óptima en el LF. (EPRI Center for Materials Production, 1997, pág. 5) Acorde

a

lo

señalado,

el

modelo

del

LF

funcionará

permanentemente bajo la condición de refinamiento (arco estable), ya detallada en el modelo del EAF.

27

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

De tal manera que, en función de la respuesta armónica el LF se modela también mediante fuentes de corriente. Los coeficientes de Fourier son seleccionados en función de los armónicos de corriente típicos indicados en la Tabla 1, para la condición de arco estable.

En función de la respuesta fundamental, el LF se representa también con una inductancia en serie con una resistencia. El procedimiento de cálculo es igual al ya explicado en el modelo del EAF.

3.2.2. Datos y especificaciones técnicas En la Figura 11 se tiene el esquema de conexión de los elementos que forman al LF:

Figura 11: Esquema de conexión proyectado para el LF, de 36 MVA. Fuente: Technical Specification, Specification, Electrical Electrical Equipment and and Automation - SMP (SMS Siemag, Sep. 2009, Rev.0). 28

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

El transformador del LF está proyectado bajo las siguientes especificaciones técnicas:

Tabla 10: Especificaciones Especificaciones técnicas del transformador transformador del LF. Fuente: Technical Specification, Specification, Electrical Electrical Equipment and and Automation - SMP (SMS Siemag, Sep. 2009, Rev.0).

Transformador del LF

Potencia nominal Voltaje primario de operación Frecuencia Impedancia, aprox. Rango de voltajes secundarios -Potencia constante -Corriente constante Máxima corriente en secundario Conexión del secundario Cambiador de Taps Número de Taps

36 MVA (continuamente) 34,5 kV (+4/-5 %) 60 Hz 7 % 515 V – 465 V 465 V – 300 V 42.2 kA Delta ON-LOAD (Bajo carga) 8

Para la respuesta armónica, de la misma manera que en el desarrollo del modelo del EAF, los ángulos para cada uno de los armónicos de corriente a inyectar, se obtienen en base a mediciones realizadas en campo por el autor del presente informe en otro horno en funcionamiento6, para la condición operativa de arco estable: 1.  Refinamiento

(Arco estable):

Las ondas de corriente registradas

en campo, en el lado primario del transformador del horno, para cada fase se muestran en el Anexo D. Luego del procesamiento y la aplicación del análisis de Fourier con PSCAD, se obtienen los siguientes armónicos de corriente:

Tabla 11: Arm. de corriente para muestra en campo del otro SEAF, bajo arco estable.

H_I:3

6

Fa Fb Fc

Irms Máx.(A)

Ángulo VM(°)

6.451645 5.792722 3.384696

-74.559 87.634 -139.541

 En este caso las mediciones se realizaron en otro SEAF, que también pertenece a la empresa FerroVen (Grupo FerroAtlántica). Este SEAF es de corriente alterna, 61.71 MVA, 20/0.339-0.177 kV, usado para la producción de Ferrosilicio. 29

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

H_I:5

Fa Fb Fc

3.443885 2.959508 3.891985

116.201 -125.657 -26.693

3.2.3. Cálculos asociados Para la determinación de la respuesta fundamental del LF bajo su única condición operativa de arco estable, el dato a ingresar en las curvas características de potencia de la Figura 4, se asume como un

   igual a 0.707. Recordando que a tal factor de potencia ocurre la

máxima transferencia de potencia en el sistema. Se escoge este dato porque no se dispone de un perfil de potencia del LF. En base a la Figura 4 se determina entonces que la

 es igual a

1.0 pu. Realizando los cálculos en el primario del transformador del LF, a 34.5 kV, el valor de

Para la

  en amperes es igual a:  = 602.452  

 se tiene:  = 73.093    referida al lado primario del transformador del

Al calcular la LF, se obtiene:

 , . = (23.09292++ 21.08383) Ω 

Considerando la consigna de corriente constante en el rango de voltajes secundarios presentados en la Tabla 10, la relación de voltaje para el transformador del LF, se asume en 34.5/0.465 kV. Refiriendo la

 al secundario del transformador: , .  = (4.195+ 95 + 3.8833) Ω  30

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Finalmente, la respuesta fundamental del LF, queda estructurada acorde a los parámetros de resistencia e inductancia presentados por fase en la siguiente tabla:

Tabla 12: Respuesta fundamental del LF. Fa Fb Fc

Fases

La

respuesta

armónica

del

R (mΩ) 4.195 4.293 4.591

LF

L (µH) 10.16 10.42 11.21

se

configura

acorde

a

los

parámetros dados en la siguiente tabla:

Tabla 13: Respuesta armónica del LF. IEEE 519 (% H_I:1) H_I:1

H_I:3

H_I:5

Fa Fb Fc Fa Fb Fc Fa Fb Fc

Irms (kA) 73.093 71.443 66.86 1.462 1.429 1.337 1.535 1.500 1.404

100

2.0

2.1

Ángulo (°) N/A -74.559 87.634 -139.541 116.201 -125.657 -26.693

3.2.4. Modelo en PSCAD En la Figura 12 se muestra el modelo en PSCAD del LF. En primer lugar se puede observar su transformador, el cual se configura en función de las especificaciones técnicas dadas en la Tabla 10. El esquema de conexión es Dd0, y la relación de voltaje es de 34.5kV/465V.

31

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Figura 12: Modelo del LF en PSCAD.

En lo que respecta al módulo del LF, en la Figura 13 se pueden apreciar los distintos componentes que lo conforman: h i1 t

hi 2t

   F    L _   a    i

4  . 1   9   5   [   m  o h  m  ]  

   ]    H   u    [    6    1  .    0    1

hi 3 t

   F    L _    b    i

4  . 2   9   3   [   m  o h  m  ]  

   F    L _   c    i

4  .  5   9  1   [   m  o h  m  ]  

   ]    H   u    [    2    4  .    0    1

   ]    H   u    [    1    2  .    1    1

i    0   _ L  F 

Figura 13: Respuesta fundamental y armónica del modelo del LF en PSCAD.

Las señales de corriente para cada fase (ia, ib, ic _LF), al igual que en el módulo del EAF, se utilizan para realizar un análisis de Fourier, obteniendo así las componentes de secuencia de los armónicos de corriente presentes en las señales.

32

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

3.3. REACTORES CONTROLADOS POR TIRISTORES (TCR´S) Este apartado abarca el modelado de los dos TCR’s, de 165 MVAr cada uno, proyectados para la red de potencia bajo estudio.

3.3.1. Fundamentos teóricos La Compensación Estática de VAR’s (SVC) con TCR’s es un medio efectivo y confiable para el control de reactivos y la regulación de tensiones. Una predicción exacta de su comportamiento en el sistema depende de la manera en que los TCR’s sean modelados. Para ello se debe

profundizar

en

los

principios

básicos

que

rigen

su

funcionamiento. Un TCR es una reactancia conectada en serie con una válvula Sun, Zheng & Xu (2006) señalan que a

bidireccional de tiristores.

frecuencia

fundamental,

un

TCR

opera

como

un

reactor

variable. 

estructura y forma de onda se muestran en la Figura 14, donde

Su

 es el

ángulo de disparo del tiristor 1, que conduce entre el período de

 y . El ángulo de disparo del tiristor 2 está atrasado 180° respecto a .

tiempo

Figura 14: TCR y sus formas de onda. Fuente: A New Method to Model the Harmonic Generation Characteristics Characteristics of the Thyristor Controlled Reactors (Sun, Zheng, & Xu, 2006).

33

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

El

parámetro

que

limita

el

funcionamiento

de

un

TCR

en

aplicaciones aplicacione s de SVC es la variación de su reactancia equivalente, para que el SVC pueda entonces mantener la tensión de la barra donde se encuentre instalado a un valor fijo especificado (Sun, Zheng, & Xu, 2006). En el caso de la red de potencia bajo estudio, dicha tensión es igual a 34.5 kV. Tal variación de la reactancia equivalente, se traduce en la práctica en que la corriente del TCR oscila entre un valor máximo (determinado por el voltaje de alimentación y la inductancia del reactor) y un valor mínimo, cercano a cero amperes. Esta modificación se consigue variando el ángulo de disparo corriente se obtiene cuando

.

El valor máximo de

 es igual a 90°, punto en el cual el TCR

está en plena conducción. A medida que

 se incrementa por encima de

 discontinua y no sinusoidal. Lo señalado se puede observar de forma 90°, hasta un máximo de 180°, la corriente disminuye y se vuelve

gráfica en la siguiente figura:

Figura 15: Funcionamiento de un TCR. Fuente: A New Method to Model the Harmonic Generation Characteristics Characteristics of the Thyristor Controlled Reactors (Sun, Zheng, & Xu, 2006).

34

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

La Figura 15 evidencia que, dependiendo de una

corriente

sinusoidal

cuando

es

, un TCR no consume

alimentado

por

voltajes

sinusoidales de la misma frecuencia. Demostrando su no linealidad como carga, y por lo tanto se considera como una fuente de armónicos de corriente. En función de los datos y especificaciones técnicas disponibles, el modelo de los TCR’s se elabora siguiendo las mismas pautas ya explicadas para el modelo del EAF y del LF. Es decir, se considera una respuesta a frecuencia fundamental y respuestas armónicas, para que PSCAD

resuelva

entonces

el

circuito

mediante

el

teorema

de

superposición. En el caso de la respuesta armónica, la norma IEEE 519-1992 (1993, págs. 23, 24) indica las amplitudes máximas de los armónicos de corriente en un TCR hasta el orden 25. En la siguiente tabla se presentan dichos armónicos pero hasta el orden 11, límite para el cual se desarrolla el modelo:

Tabla 14: Amplitudes máximas de armónicos de corriente en un TCR. Fuente: IEEE Std 519-1992 (pág. 24). Orden de Armónico Presente 1 100 % 3 13.78 % 5 5.05 % 7 2.59 % 9 1.57 % 11 1.05 %

La norma en cuestión aclara que las amplitudes máximas indicadas no ocurren al mismo ángulo de disparo. Adicionalmente, los valores son expresados en porcentaje de la amplitud de la componente fundamental a conducción total.

35

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

En función de la respuesta fundamental, ya se ha señalado que el TCR se modela como una reactancia variable, donde su obtención será profundizada en los “Cálculos asociados”.

3.3.2. Datos y especificaciones técnicas En la Figura 16 se tiene el esquema de conexión de los dos TCR’s proyectados:

Figura 16: Esquema de conexión de los dos TCR’s proyectados, de 165 MVAr c/u. Fuente: Ansaldo Sistemi Industriali S.p.A. Plano SMS SIEMAG – EPSSN. (2011).

Los TCR’s son alimentados de la barra denominada “Dirty Bus”, a 34.5 kV. Como indica la figura, tienen una conexión delta, siendo cada uno de 165 MVAr.

3.3.3. Cálculos asociados Para la respuesta fundamental, se obtienen valores límites de inductancia, en función de los MVAr que consumen los TCR’s. En base a 36

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

la potencia reactiva nominal, igual a 165 MVAr (55 MVAr por fase), se tiene:

  (34.5 )         =    = 55   = 21.641 Ω 

(12)

De donde se calcula el siguiente valor de inductancia:

 = 0.057   Considerando un consumo mínimo de reactivos en los TCR igual a 30 MVAr (10 MVAr por fase) se obtiene una inductancia igual a:  

  = 0.316   Ahora bien, en PSCAD se realiza un control manual que permite tener una inductancia variable dentro de estos límites obtenidos, cuya modificación se realiza en función de mantener la tensión en la barra (“Dirty Bus”) lo más cercana posible a 34.5 kV. Si al ejecutar la simulación en PSCAD para una condición operativa dada, la tensión obtenida en la barra es superior a 34.5 kV, quiere decir que se debe incrementar el consumo de MVAr en los TCR’s para disminuir las tensiones y fijarlas a un valor más cercano al nominal. Para ello se disminuye, con el control manual en PSCAD, el valor de la inductancia variable de los TCR’s. En el otro caso, que al ejecutar la simulación en PSCAD la tensión en la barra sea inferior a 34.5 kV, se realiza lo contrario, es decir, se aumenta el valor de la inductancia variable de los TCR’s. De tal manera que, se tiene un control manual y simplificado del consumo de reactivos de los TCR’s en función de la tensión nominal de la barra, de 34.5 kV. 37

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Para la respuesta armónica, los módulos de los armónicos de corriente

se

calculan

en

base

a

la

amplitud

de

la

componente

fundamental a conducción total, y se aplican los % dados en la Tabla 14. Asumiendo condiciones balanceadas, se tiene:

 =  √ 3() =  165 5 ) ) = 2761.24 ∠∠−− 90°   √ 3(34.

(13)

Pasando de valores de línea a valores de fase, considerando que los TCR tienen una conexión delta:

 = 1594. 1594.203 ∠ − 60°   La

respuesta

armónica

de

los

TCR,

asumiendo

condiciones

balanceadas para la determinación de los ángulos, se configura acorde a los parámetros dados en la siguiente tabla: Tabla 15: Respuesta armónica de los TCR. IEEE 519 (%) H_I:1

Fa Fb Fc Fa

Fb Fc Fa H_I:5 Fb Fc Fa H_I:7 Fb Fc Fa H_I:9 Fb Fc Fa H_I:11 Fb Fc

H_I:3

100

13.78

5.05

2.59

1.57

1.05 38

Irms (A)

Ángulo (°)

1594.203 1594.203 1594.203 219.681

-60 -180 -300 -180

219.681 219.681 80.507 80.507 80.507 41.290 41.290 41.290 25.029 25.029 25.029 16.739 16.739 16.739

-180 -180 -300 -180 -60 -60 -180 -300 -180 -180 -180 -300 -180 -60

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

3.3.4. Modelo en PSCAD En la Figura 17 se muestra el modelo en PSCAD de los TCR’s.

Dity Bus

      A

B

h i1t

 

h i 2t

vDB

      A

C

h i3 t

h i1 t

 Arm I TCR2

L _TC R2 L _ TC Rs

 

C

hi 2 t

hi 3t

 Arm I TCR1

vb Qb Out L _TC R1 vDB Ql _TC R2 L _ TCR s

TCRs

B

vb Qb Ou Ou t vDB Ql _ TCR 1

L_TCRs

Ql_TCR1 TCRs L_TCRs_Control 0.316

142.297

Subir VDB

TCRs Ql_TCR2

H

Bajar VDB 0.057

142.297

0.06736

Figura 17: Modelo de los TCR’s en PSCAD.

Se pueden observar los módulos de los TCR’s titulados “Arm I TCR1” y “Arm I TCR2”, conectados a la barra denominada “Dirty Bus”, a 34.5 kV. Debajo de los módulos se tiene un control deslizable titulado “L_TCRs_Control”, mediante el cual se regula el valor de la inductancia variable para los dos TCR’s, de manera simultánea, entre los límites ya calculados. Adicionalmente se coloca una medición de los MVAr consumidos por los TCR’s, que en la figura en cuestión es de 142.297 MVAr. Ambos TCR’s son de iguales características, por lo tanto sus módulos son también iguales. En la siguiente figura se pueden apreciar los distintos componentes que lo conforman:

39

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986. h i1 t

hi 2t

h i 3t

   1    R    C    T _   a    i

   1    R    C    T _   a    i   c

L   _ T   C  R 1 

L   _ T   C  R 1 

+ 

L   _ T   C  R 1 

+ 

+ 

Figura 18: Respuesta fundamental y armónica del modelo de los TCR’s en PSCAD.

Se tienen las inductancias variables para cada fase, denominadas “L_TCR1”, que son reguladas por el control deslizable ya expuesto. Para la respuesta armónica, se pueden observar las distintas fuentes de corriente, que son configuradas en base a la Tabla 15. Adicionalmente la conexión delta, tal como indican los datos y especificaciones técnicas presentadas. Las señales de corriente que se toman de la fase a, se utilizan para realizar un análisis de Fourier, obteniendo sus armónicos de corriente hasta el 7mo orden.

4. ESQUEMAS DE SIMULACIÓN, RESULTADOS Y ANÁLISIS RESPECTIVOS En

esta

sección

se

presentan

los

distintos

esquemas

de

simulación realizados en PSCAD, basados en los escenarios de análisis planteados para el estudio del transformador de 300 MVA y su esquema de conexión. En el software de simulación se implementan los modelos explicados en la sección anterior para el EAF, LF y TCR’s. Además se utilizan modelos propios de PSCAD para los demás elementos de la red de

potencia

como

lo

son:

equivalente

de

la

red

externa

de

alimentación, transformador de 300 MVA, filtros pasivos de armónicos, etc. La información asociada a la obtención de parámetros para la 40

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

configuración de dichos modelos se obtuvo de datos y especificaciones técnicas suministradas.

4.1. TX DE 300 MVA CON CONEXIÓN DYN11 Y RESISTOR DE PUESTA A TIERRA Se comienza analizando el esquema de conexión definido en la ingeniería básica, siendo Dyn11, y una resistencia de puesta a tierra de 400 A, 10 s.

4.1.1. EAF bajo Fundición inicial (Arco activo) El esquema de simulación realizado en PSCAD se presenta en el Anexo F (del 1 al 13). Es importante aclarar que el Anexo F.1 es el esquema general de simulación, los siguientes 12 son los distintos módulos creados tanto para los modelos de las cargas no lineales, como para análisis detallados de señales de medición colocadas en la red de potencia bajo estudio. De los resultados obtenidos al ejecutar la simulación en PSCAD, destacan: -

Bajo la condición operativa de arco activo, donde el EAF tiene una generación importante de armónicos de corriente, la conexión del neutro del transformador de 300 MVA, con una resistencia de puesta a tierra, presenta una corriente muy cercana a 0 A.

-

La carga del transformador de 300 MVA es cercana al 40 %, en función

de

su

corriente

nominal

(Irms).

Los

armónicos

de

corriente presentes en los devanados son de muy baja magnitud. Se evidencia una componente fundamental de secuencia negativa, de baja magnitud, producto de los desbalance inherentes al funcionamiento de las cargas proyectadas.

41

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

-

Los TCR’s son regulados para consumir 142.297 MVAr, cada uno con un valor de inductancia igual a 0.06736 H. Este ajuste permite obtener tensiones en la barra “Dirty Bus” cercanas a 34.5 kV, siendo la mayor, Vab = 34.86 kV.

-

En el módulo del EAF (Anexo F.3), se puede observar la distorsión en la onda de corriente de la fase a (Graphs EAF) producto de los armónicos de corriente inyectados bajo arco activo.

Al

analizar

las

componentes

de

secuencia

armónicos de corriente presentes en las señales, magnitudes

de

la

secuencia

cero

son

de

los

destaca que las

prácticamente

nulas. 

Se

tiene cierto contenido armónico para la secuencia positiva y negativa. -

De la Ecuación 6 (a 34.5 kV) se determinó que la corriente en el primario del transformador del EAF, para la condición de arco activo, sería igual a 1472.662 A. En el Anexo F.4, al analizar las señales de corriente asociadas al funcionamiento del EAF, se obtienen corrientes en valores RMS (siendo la mayor igual a 1553.7 A), que considerando el contenido armónico presente, son muy cercanas al valor calculado. Lo cual evidencia la adecuada implementación y comportamiento del modelo del EAF desarrollado para PSCAD.

-

En el mismo anexo F.4, se puede observar como el modelo de transformador de PSCAD, efectivamente respeta la relación de vueltas

para

los

armónicos

de

corriente

presentes

en

sus

devanados. -

Para el módulo del LF, en el Anexo F.5, destaca al igual que el EAF, que las magnitudes de la secuencia cero para los armónicos de corriente inyectados son también prácticamente nulas. 42

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

-

Al igual que el EAF, el Anexo F.6, evidencia la adecuada implementación y comportamiento del modelo del LF desarrollado para PSCAD, en función de los cálculos realizados.

-

En

los

módulos

de

los

TCR’s,

específicamente

en

la

parte

inferior del Anexo F.7, se puede observar que los 3ros armónicos de corriente, que al ser los TCR’s simulados como cargas balanceadas son iguales a los armónicos de secuencia cero, están presentes como valores de fase pero no como valores de línea. -

Del Anexo F.9 al F.13 se tienen los módulos de análisis de las señales de corriente tomadas para cada uno de los filtros pasivos de armónicos proyectados en la red de potencia. Para cada filtro se tiene una componente fundamental de corriente, asociada

a

la

inyección

de

MVAr

dada

en

los

datos

y

especificaciones técnicas suministradas. Destaca la absorción de los armónicos de corriente presentes en el sistema, en función de las frecuencias de resonancia a las cuales se sintoniza cada filtro. Los filtros que absorben mayor contenido armónico son los de orden 2, 3 y 5. Al analizar estos resultados se concluye que los armónicos de corriente de secuencia cero son efectivamente controlados aguas abajo, es decir, no afectan al transformador de 300 MVA, con esquema de conexión Dyn11, ni al neutro de su devanado secundario.

En el caso del EAF y el LF, sus transformadores asociados tienen una conexión delta en sus devanados secundarios. El modelo de dichos transformadores

(con

conexión

delta)

en

secuencia

cero

está

representado por una impedancia infinita (circuito abierto), por lo tanto, los armónicos de corriente de secuencia cero no pueden fluir (Bean, Chackan, Moore, & Wentz, 1959, pág. 263). 43

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

En el caso de los TCR’s, los armónicos de corriente de secuencia cero no se presentan como valores de línea, debido a sus esquemas de conexión en delta. Con lo cual, tales armónicos permanecen circulando siempre dentro de dicha delta, es decir, como valores de fase (Dugan, 1996, pág. 134). Los otros componentes de secuencia de los armónicos de corriente generados, son absorbidos de manera adecuada por los distintos filtros pasivos proyectados. Esto permite que el transformador de 300 MVA no presente corrientes en valores RMS excesivas.

4.1.2. EAF bajo Fundición inicial, con pérdida de un electrodo El esquema de simulación realizado en PSCAD se presenta en el Anexo G (del 1 al 4). Con esta simulación se busca analizar condiciones transitorias bajo las cuales se produzcan los mayores desbalances en las cargas, considerando para ello la pérdida de un electrodo en el EAF como un caso extremo de desequilibrio en el sistema. Para ello, en el Anexo G.3, se puede observar la simulación de la pérdida del electrodo en la fase c, colocando una resistencia considerable (1K Ω, buscando simular un circuito abierto) como respuesta fundamental. Es importante aclarar que como la finalidad de esta simulación es analizar los efectos de un desbalance considerable en el neutro del transformador de 300 MVA, la respuesta armónica de todas las cargas no lineales se ha anulado. De los resultados obtenidos al ejecutar la simulación en PSCAD, destacan: -

Tomando en cuenta un caso extremo de desbalance en el sistema, como

lo

es

la

pérdida

de 44

un

electrodo,

el

neutro

del

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

transformador de 300 MVA presenta una corriente muy cercana a 0 A. -

El Anexo G.2 evidencia que, producto del desbalance simulado, se tiene

una

componente

fundamental

de

secuencia

negativa

considerable. Sin embargo, ninguna de las corrientes obtenidas para los devanados primario o secundario superan los límites nominales. -

Los TCR’s se mantienen con el valor de inductancia igual a 0.06736 H, tomando en cuenta que el EAF y LF operan bajo las mismas respuestas fundamentales que el escenario de análisis estudiado anteriormente. Destaca que las tensiones en la barra no presentan desbalances considerables.

-

En el Anexo G.4 se pueden verificar los efectos producidos por el desequilibrio simulado. Al

analizar

los

resultados

se

concluye

que

el

neutro

del

transformador transformad or de 300 MVA no resulta afectado por una condición extrema de desbalance en el sistema, como lo es la pérdida de un electrodo en el EAF.

Lo señalado en el párrafo anterior se debe nuevamente a la conexión delta del secundario del transformador del EAF. El uso de tal esquema de conexión se debe a parámetros operativos asociados al EAF. Ciotti & Pelfrey (pág. 29) señalan que mediciones en campo y cálculos teóricos comprueban los grandes desequilibrios entre las resistencias (R) y reactancias (jX) que componen los circuitos secundarios de los EAF trifásicos. Las causas de estos desequilibrios eléctricos son: 1.  Distancias desiguales de los conductores, y 45

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

2.  Acoplamiento común desigual de los flujos entre las tres fases del circuito. Para resolver esta condición, se introdujo la conexión en delta al circuito secundario del EAF. Con ello, el acoplamiento mutuo entre fases es teóricamente igualado minimizando entonces los desequilibrios entre las resistencias y reactancias que componen los circuitos secundarios. Como información complementaria, Kosow (1993, pág. 621) indica que la conexión en delta tiene la ventaja, en los sistemas deltaestrella, de mantener el neutro en el centro geométrico de los voltajes de fase y de línea de la estrella del secundario. Es decir, la conexión delta-estrella como la del transformador de 300 MVA, es más estable respecto a cargas desequilibradas, debido a que la delta redistribuye parcialmente cualquier desbalance que se presente. Lo cual explica que las tensiones en la barra “Dirty Bus” no presenten desbalances considerables.

4.1.3. EAF bajo Fundición inicial, con una condición de contingencia El esquema de simulación realizado en PSCAD se presenta en el Anexo H (del 1 al 8). Este escenario de análisis plantea el estudio de una condición de contingencia, considerando que uno de los filtros pasivos de armónicos queda fuera de servicio. El filtro que se simula como F/S es el de orden 5, el cual en los casos analizados previamente realiza la mayor absorción de armónicos de corriente. Este escenario se toma en cuenta debido a las recomendaciones dadas por la norma IEEE 1531 (2003). De los resultados obtenidos al ejecutar la simulación en PSCAD, destacan: 46

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

-

En cuanto al transformador de 300 MVA, en el Anexo H.2, se puede observar un contenido importante de armónicos de corriente en los devanados, tanto en secuencia positiva como negativa. Sin embargo, no se presentan corrientes en valores RMS excesivas, superiores a las nominales.

-

Los TCR’s son regulados para consumir 109.344 MVAr, garantizando una tensión en barra cercana a 34.5 kV.

-

Destaca en los Anexos H.5 al H.8, en los módulos de análisis para los filtros pasivos de armónicos, un contenido importante del 5to armónico de corriente. Esto se puede apreciar con gran claridad, en el Anexo H.8, para el filtro de 6to orden. El 5to armónico de corriente alcanza elevados valores, superiores a los 3000 A. Al analizar los resultados se concluye que el transformador de

300 MVA no resulta afectado por una condición de contingencia, contingencia, como lo es

la

puesta

fuera

de

servicio

de

uno

de

los

filtros

pasivos

de

armónicos. 

Las elevadas magnitudes del 5to armónico de corriente pudieran ser reflejo de alguna condición de resonancia serie, que ocurre cuando la impedancia del sistema se altera colocando uno de sus filtros fuera de servicio.

4.1.4. EAF bajo Refinamiento (Arco estable) El esquema de simulación realizado en PSCAD se presenta en el Anexo I (del 1 al 10). De los resultados obtenidos al ejecutar la simulación en PSCAD, destacan:

47

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

-

Bajo la condición operativa de arco estable, la conexión del neutro del transformador de 300 MVA, con una resistencia de puesta a tierra, presenta una corriente muy cercana a 0 A.

-

La carga del transformador de 300 MVA es cercana al 70 %, en función de su corriente nominal (Irms). Los armónicos de corriente presentes en los devanados son de muy baja magnitud, evidentemente menores que para la condición de arco activo.

-

Los TCR’s son regulados para consumir 75.1671 MVAr, cada uno con un valor de inductancia igual a 0.1261 H. Esto obedece a que el EAF bajo arco estable posee un factor de potencia igual a 0.707. Este ajuste permite obtener tensiones en la barra “Dirty Bus” cercanas a 34.5 kV.

-

En el módulo del EAF (Anexo I.3), se puede observar la baja distorsión en la onda de corriente de la fase a (Graphs EAF) producto al menor contenido armónico del EAF bajo arco estable.

-

Al comparar los cálculos asociados para la condición de arco estable, respecto a los resultados obtenidos en el Anexo I.4, se evidencia igualmente la adecuada implementación y comportamiento del modelo del EAF desarrollado para PSCAD.

-

Del Anexo I.5 al I.9 se tienen los módulos de análisis de las señales de corriente tomadas para cada uno de los filtros pasivos de armónicos proyectados en la red de potencia. Destaca la absorción de los armónicos de corriente presentes en el sistema, en función de las frecuencias de resonancia a las cuales se sintoniza cada filtro.

48

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

-

En el Anexo I.10 se tiene un módulo adicional de análisis para la verificación del cumplimiento de los límites de THDi en el PCC, acorde a las recomendaciones dadas en la norma IEEE 5191992. Tanto el análisis de THDi total por fase, así como el individual para cada orden armónico (hasta el 7mo), cumple con holgura los límites establecidos. Al analizar los resultados se concluye que el transformador de

300 MVA, con esquema de conexión Dyn11, funciona de manera adecuada bajo arco estable.

El cabal cumplimiento de los límites de THDi recomendados por la norma IEEE 519-1992 para una condición operativa en estado estable, como lo es el refinamiento, comprueba la adecuada absorción de armónicos de corriente por los distintos filtros pasivos proyectados en la red de potencia bajo estudio. Luego

de

analizar

los

distintos

escenarios

operativos

planteados, se concluye que el neutro del transformador de 300 MVA no resulta afectado en forma alguna por los desequilibrios inherentes a la red de potencia, ni por armónicos de corriente de secuencia cero. Adicionalmente, el transformador de 300 MVA, con un esquema de conexión Dyn11, opera de manera adecuada en función de sus límites operativos para todos los escenarios de análisis planteados. Por lo tanto, en base a los resultados obtenidos mediante el uso de

la

herramienta

de

simulación

y

los

análisis

respectivos,

se

recomienda finalmente finalmente la aceptación del esquema de conexión Dyn11, con resistor de puesta a tierra.

Si se requiere verificar el dimensionamiento de la resistencia de puesta a tierra, definida en la ingeniería básica en 400 A, 10 s, se debe considerar que su objetivo principal es limitar la corriente 49

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

máxima de falla de fase a tierra a un determinado valor, que no cause daño a equipos pero que sea suficiente para operar las protecciones asociadas.

Cualquier

consideración

en

función

de

armónicos

de

corriente y desbalances inherentes al sistema debe ser descartada.

4.2. TX DE 300 MVA CON CONEXIÓN DD0 Y TX ZIG-ZAG DE PUESTA A TIERRA Luego de haber determinado que el esquema Dyn11 funciona adecuadamente, el esquema de conexión Dd0 con transformador zig-zag de puesta a tierra se plantea en PSCAD a manera de comprobación.

4.2.1. EAF bajo Refinamiento El esquema de simulación realizado en PSCAD se presenta en el Anexo J (del 1 al 5).

4.2.2. EAF bajo Fundición inicial, con pérdida de un electrodo El esquema de simulación realizado en PSCAD se presenta en el Anexo K (del 1 al 3).

4.2.3. EAF bajo Fundición inicial, con una condición de contingencia El esquema de simulación realizado en PSCAD se presenta en el Anexo L (del 1 al 6).

5. CONCLUSIONES En función del alcance planteado para el estudio en cuestión, se presentan las siguientes conclusiones: 1.  Los modelos de las cargas no lineales desarrollados, para el EAF, LF y TCR’s; pudieron ser implementados en los distintos escenarios

de

análisis

planteados

en

PSCAD,

mostrando

una

respuesta adecuada y permitiendo, en base a estos, desarrollar todos los estudios requeridos. 50

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

2.  Al analizar el transformador de 300 MVA, con conexión Dyn11 y resistor de puesta a tierra; bajo los siguientes escenarios de análisis, se concluye que: a.  EAF

bajo Fundición inicial:

Los armónicos de corriente de

secuencia cero son efectivamente controlados aguas abajo, es decir, no afectan al transformador de 300 MVA, con esquema de conexión Dyn11, ni al neutro de su devanado secundario. b.  EAF

bajo Fundición inicial, con pérdida de un electrodo: E  El l

neutro del transformador de 300 MVA no resulta afectado por una condición extrema de desbalance en el sistema, como lo es la pérdida de un electrodo en el EAF. c.  EAF

bajo

Fundición

contingencia: 

El

inicial,

transformador

con

de

una

300

condición

MVA

no

de

resulta

afectado por una condición de contingencia, como lo es la puesta fuera de servicio de uno de los filtros pasivos de armónicos.  d.  EAF

bajo Refinamiento: 

El transformador de 300 MVA, con

esquema de conexión Dyn11, funciona de manera adecuada bajo arco estable.  e.  En

base a los resultados obtenidos mediante el uso de la

herramienta de simulación y los análisis respectivos, se recomienda finalmente la aceptación del esquema de conexión Dyn11, con resistor de puesta a tierra.

3.  El cabal cumplimiento de los límites de THDi recomendados por la norma IEEE 519-1992 para una condición operativa en estado estable, como lo es el refinamiento, comprueba la adecuada 51

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

absorción de armónicos de corriente por los distintos filtros pasivos proyectados en la red de potencia bajo estudio.

6. RECOMENDACIONES En base al escenario de análisis, EAF bajo Fundición inicial con una condición de contingencia, se pudo determinar que al simular la puesta fuera de servicio del filtro pasivo de armónicos de orden 5, se consiguen magnitudes elevadas del 5to armónico de corriente en los demás

filtros

en

funcionamiento.

Lo

cual

puede

representar

una

condición de resonancia serie en el sistema. De tal manera que se recomienda, haciendo uso de los modelos de cargas

no

lineales

representarse

en

desarrollados,

función

de

una

que

tienen

impedancia,

la

ventaja

estudiar

de

de

manera

detallada alteraciones en el comportamiento de la impedancia en la red.

Para

distintos

escenarios

de

análisis

se

pueden

elaborar

diagramas de impedancia vs frecuencia, con los cuales se conocen los posibles puntos de resonancia (serie o paralelo), comprobando si éstos ocurren a frecuencias iguales a las de las corrientes armónicas inyectadas por las cargas no lineales.

7. LISTA DE REFERENCIAS Bean,

R.,

Chackan,

N.,

Moore,

Transformers for the Electric Power

H.,

& Wentz, E. (1959). Industry.  Westinghouse Electric

Corporation, Power Transformer Division. Ciotti, J., & Pelfrey, D. Electrical Equipment and Operating Power Characteristics (Chapter 3). En

Electric

Furnace

Steelmaking   

(págs. 21-47). Dugan, R. (1996).

Electrical Power System Quality. McGraw-Hill.

EPRI Center for Materials Production. (1997). Electric Arc Furnace Operations . Pittsburgh:

Institute (EPRI). 52

Understanding

Electric Power Research

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

Gandhare, Z., & Lulekar, D. (2007). Quality

in

Furnaces. 

Arc

Sevilla:

Analyzing

Documento

Electric

presentado

Power

en

la

"INTERNATIONAL CONFERENCE ON RENEWABLE ENERGIES AND POWER QUALITY (ICREPQ'07)". IEEE Electric

Std Power

141-1993.

(1994).

Distribution

for

IEEE

Recommended

Industrial

Plants

Practice Book). 

(Red

York. IEEE Std 1531-2003. (2003).

IEEE

Specification of Harmonic Filters. New

IEEE

Std

519-1992.

(1993).

Guide

for

for

New

Application

and

Practices

and

York.

IEEE

Recommended

Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. 

New

York. Kosow,

I.

(1993).

Máquinas

Eléctricas

y

Transformadores. 

Prentice-Hall Hispanoamericana. SMS Siemag. (2011, Rev. 1-00).

Load & Harmonic Study for SMS

Siemag Supply. 

SMS Siemag. (Sep. 2009, Rev.0).

Plant

Description

and

Main

Technical Data. 

SMS

Siemag.

(Sep.

2009,

Rev.0).

Technical

Specification

Electrical Equipment and Automation - SMP. 

Sun, Y., Zheng, W., & Xu, W. (2006). Harmonic

Generation

Characteristics

of

A New Method to Model the the

Thyristor

Controlled

Reactors .

  Vervenne, I., Van Reusel, K., & Belmans, R. (2006). Furnace

Modelling

Documento

from

presentado

en

a

"Power

el

3rd

Quality"

IEEE

Symposium in Electrical Power Engineering.

53

Point

Benelux

of

Young

Electric Arc View. 

Ghent:

Researchers

 

Análisis del esquema de conexión del transformador de 300 MVA, 115/34.5 kV. Ing. Manuel Conde V. C.I.: V-18.078.986.

8. ANEXOS

54